用于发动机燃烧室的桁架式双层壁隔热装置及冷气膜形成方法与流程

1.本发明属于燃气涡轮发动机领域，具体地说，涉及一种桁架夹芯结构的双层壁隔热屏结构及冷气膜形成方法。


背景技术：

2.此前公开了几种燃烧室隔热屏，包括一种多孔波纹板燃烧室隔热屏(us005465572a)，其波纹状结构的伸缩性可以有效防止振动核筒体热变形造成的影响，又通过波纹板上离散气膜孔的冷却射流对隔热屏的高温燃气侧进行气膜冷却。然而，正是由于波纹状结构，冷却气膜射流难以覆盖整个表面，使其局部壁温过高，无法形成有效的气膜覆盖和换热；另外一种为带扰流柱的发散冷却隔热屏结构(us 20140096527a1)，通过发散的冷却形式在壁面形成气膜覆盖，阻隔高温燃气的直接接触，同时，隔热屏冷气侧壁面上的扰流柱结构可以对冷气进行扰动混合，强化对流换热，使冷气带走更多的热量而降低壁温。然而，单纯的发散冷却形式难以使扰流柱发挥更好的作用，冷却流动混合不够强烈，无法提升其冷却效率。
3.基于以上的经验，结合传统的气膜冷却、冲击冷却等方式，专利(cn103968418a)公开了一种用于燃烧室的双层壁隔热屏。此结构包括靠近燃气侧带有气膜孔的壁面、靠近冷气侧带有冲击孔的壁面以及气膜孔板和冲击孔板之间的梯形强化框，这样就形成了冷气侧冲击冷却、内部对流换热和燃气测气膜覆盖的复合冷却形式。此种结构可以通过对流换热带走传入的热量，提高冷气利用率，同时具有较好的力学性能，然而，此结构并未考虑梯形强化框在内部对流换热的过程中带来的流动阻力。
4.随着先进高性能燃气涡轮发动机的发展，流经燃烧室的燃气温度不断提高。另外，随着主流燃烧需要的空气流量的增大，导致用于冷却的空气流量减少，因此，必须应用结构更加合理，具有冷却能力的隔热屏结构，增加发动机的寿命。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种结构简单，大量降低发动机运行温度，增加强度，提高发动机的使用寿命和性能的用于发动机燃烧室的桁架式双层壁隔热装置及冷气膜成型方法。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于发动机燃烧室的桁架式双层壁隔热装置，包括用于构成燃烧室筒体内壁的气膜孔板层和在所述气膜孔板层外侧的冲击孔板层，所述气膜孔板层内侧为燃烧室主燃气涵道，所述冲击孔板层与燃烧室的外壁面共同构成冷气外涵道；在所述气膜孔板层与冲击孔板层之间的空腔内设有矩阵排列的夹芯米字桁架；所述的气膜孔板层、冲击孔板层和夹芯米字桁架共同构成双层壁隔热屏；
7.所述的夹芯米字桁架是由四根桁架杆组成，四根桁架杆的中点相互交叉形成一中心交叉点，四根桁架杆两端分别与冲击孔板和气膜孔层相连；在所述的气膜孔板上设置有
与所述的夹芯米字桁架配合的气膜孔；在所述冲击孔板上设置有与所述的夹芯米字桁架配合的冲击孔，所述的气膜孔和冲击孔用于在气膜孔板层和冲击孔板层之间形成延伸在气流流动方向上的四股纵向冷却涡系及在所述的气膜孔板的外壁面形成气膜冷气隔热层。
8.进一步的，在所述四根桁架杆在气膜孔板上的四个连接点中，在同一周向线上的两个连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的前部，其余两个连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的后部，所述的气膜孔设置在四个连接点之间，且气膜孔沿周向上为至少三个孔组成的单排孔或双排孔。
9.进一步的，在所述四根桁架杆在冲击孔板上的四个连接点中，在同一周向线上的两个连接点所述中心交叉点沿气流方向的前部，其余两个连接点位于所述中心交叉点沿气流方向的后部，所述的冲击孔设置在所述的四个连接点之间，且冲击孔沿周向上为至少三个孔组成的单排孔或双排孔。
10.进一步的，所述多个夹芯米字桁架的矩阵排列具体为：以sx为夹芯米字桁架轴向排布间距，sz为夹芯米字桁架周向排布间距，h为气膜孔板与冲击孔板之间的距离，d为夹芯米字桁架的直径，则两两夹芯米字桁架轴向和周向的设置距离为：
11.h≥s
x
≥2d、h≥s
z
≥2d；
12.所述的夹芯米字桁架在所述气膜孔板与冲击孔板之间的空腔的轴向上按照设置距离连续延展排布，在周向上按照设置距离交错延展排布。
13.进一步的，所述的气膜孔为与气膜孔板的法向夹角为20～60
°
的通孔，气膜孔的直径为0.3～10mm。
14.进一步的，所述的夹芯米字桁架直径d与冲击孔板和气膜孔板间距h的比值变化范围为：0.05～0.25。
15.进一步的，所述的冲击孔是冲击孔板的法向通孔；所述的冲击孔的直径为1～2mm。
16.进一步的，所述的夹芯米字桁架与所述的气膜孔板的壁面法向角度为θ，θ为30
‑
60
°
；所述组成夹芯米字桁架的桁架杆长度为l，h为气膜孔板(1)与冲击孔板之间的距离，则l＝h/cosθ。
17.本发明还提供一种用于发动机燃烧室的桁架式双层壁隔热装置在气膜孔板上形成气膜的方法，步骤如下：
18.在所述冷气外涵道中的冷却气流的部分垂直与冲击孔板的冲击射流，经所述冲击孔板上的冲击孔进入气膜孔板和冲击孔板之间的空腔；
19.进入气膜孔板和冲击孔板之间空腔的冲击射流，一部分为直接对所述的气膜孔板内壁面进行冲击冷却的冲击射流，形成冲击冷却气流，另一部分冲击所述的夹芯米字桁架，并与夹芯米字桁架表面碰撞形成环绕夹芯米字桁架的绕流，
20.由所述夹芯米字桁架环绕下降的绕流的一部分对气膜孔板的内壁面进行扫掠和斜冲击，另一部分绕流与气膜孔板和冲击孔板之间的主气流混合，在沿气流流动方向上的米字桁架两侧形成充满夹芯米字桁架两侧空腔的纵向冷却涡系，且以夹芯米字桁架的中心交叉点为中点，在夹芯米字桁架的两侧各形成平行的两股纵向冷却涡系，对气膜孔板和冲击孔板之间加强冷却；
21.所述对气膜孔板的内壁面进行扫掠和斜冲击的绕流进入气膜孔板的气膜孔中形成气流射流，由气膜孔板的外壁面流出的气流射流形成气膜冷气隔热层，降低燃烧室主燃
气涵道内主流高温燃气对燃烧室壁面的热负荷。
22.本发明的有益效果是：本发明提供的用于发动机燃烧室的桁架式双层壁隔热装置，其结构包括燃气侧气膜孔板、冷气侧冲击孔板以及连接气膜孔板和冲击孔板的米字桁架阵列结构，冲击孔板与燃烧室外壁面形成冷气涵道、气膜孔板为燃烧室的筒体内壁，与主流燃气直接接触，冲击孔板与气膜孔板形成对流换热通道，并通过在对流通道中的四股纵向旋转涡加速换热，带走了冲击孔板与气膜孔板之间大量的热量，快速降低冲击孔板与气膜孔板之间的温度，同时，也加速减小气膜孔板上的冷却压力，大幅度的提高了发动机寿命；还可以通过冲击
‑
气膜的复合冷却方式在隔热屏的燃气侧形成气膜覆盖，阻隔燃气与发动机承力结构的直接接触；同时，夹芯米字桁架结构可以将冲击孔板和气膜孔板有效固定，增强其结构性能，提高燃烧室的寿命和可靠性，具有较好的力学性能。
附图说明
23.图1为本发明三杆米字桁架的双层壁隔热屏结构示意图；
24.图2为本发明三杆米字桁架单元及其阵列结构图；
25.图3为本发明三杆米字桁架的双层壁隔热屏在气流方向上的轴向剖面示意图；
26.图4为本发明三杆米字桁架的双层壁隔热屏结构局部耦合作用示意图；
27.图5为本发明三杆米字桁架的双层壁隔热屏在气流方向上的截面剖视示意图。
28.图中，1.气膜孔板、2.冲击孔板、3.夹芯米字桁架、4.燃烧室的外壁面、5.气膜孔、6.冲击孔、7.冷气外涵道、8.主流燃气涵道。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
30.实施例1：如图1、图2、图3所示，一种用于发动机燃烧室的桁架式双层壁隔热装置，包括用于构成燃烧室筒体内壁的气膜孔板层1和在气膜孔板层(外侧的冲击孔板层2，气膜孔板层1内侧为燃烧室主燃气涵道(8)，冲击孔板层2与燃烧室的外壁面4共同构成冷气外涵道7；在气膜孔板层1与冲击孔板层2之间的空腔内设有矩阵排列的夹芯米字桁架3；气膜孔板层1、冲击孔板层2和夹芯米字桁架3共同构成双层壁隔热屏；
31.所述的夹芯米字桁架3是由四根桁架杆组成，四根桁架杆的中点相互交叉形成一中心交叉点，四根桁架杆两端分别与冲击孔板2和气膜孔层1相连；在所述的气膜孔板1上设置有与所述的夹芯米字桁架3配合的气膜孔5；在所述冲击孔板2上设置有与所述的夹芯米字桁架3配合的冲击孔6，所述的气膜孔5和冲击孔6用于在气膜孔板层1和冲击孔板层2之间形成延伸在气流流动方向上的四股纵向冷却涡系及在所述的气膜孔板1的外壁面形成气膜冷气隔热层。
32.在四根桁架杆在气膜孔板1上的四个连接点中，在同一周向线上的两个连接点位于中心交叉点沿气流方向的前部，其余两个连接点位于中心交叉点沿气流方向的后部，气膜孔5设置在四个连接点之间，且气膜孔5沿周向上为至少三个孔组成的单排孔或双排孔。气膜孔5为与气膜孔板1的法向夹角为20～60
°
的通孔，气膜孔5的直径为0.3～10mm。
33.在四根桁架杆在冲击孔板2上的四个连接点中，在同一周向线上的两个连接点位
于中心交叉点沿气流方向的前部，其余两个连接点位于中心交叉点沿气流方向的后部，冲击孔6设置在四个连接点之间，且冲击孔6沿周向上为至少三个孔组成的单排孔或双排孔。冲击孔6是冲击孔板2的法向通孔；冲击孔6的直径为1～2mm。
34.多个夹芯米字桁架3的矩阵排列具体为：以sx为夹芯米字桁架3轴向排布间距，sz为夹芯米字桁架3周向排布间距，h为气膜孔板1与冲击孔板2之间的距离，d为夹芯米字桁架3的直径，则两两夹芯米字桁架3轴向和周向的设置距离为：
35.h≥s
x
≥2d、h≥s
z
≥2d；
36.夹芯米字桁架3在气膜孔板1与冲击孔板2之间的空腔的轴向上按照设置距离连续延展排布，在周向上按照设置距离交错延展排布。夹芯米字桁架3直径d与冲击孔板2和气膜孔板1间距h的比值变化范围为：0.05～0.25。夹芯米字桁架3与气膜孔板1的壁面法向角度为θ，θ为30
‑
60
°
；组成夹芯米字桁架3的桁架杆长度为l，h为气膜孔板1与冲击孔板2之间的距离，则l＝h/cosθ。
37.本实施例为用于燃烧室的双层壁隔热屏，包括气膜孔板1、冲击孔板2、夹芯米字桁架3。燃气侧气膜孔板1为构成燃烧室筒体内壁，内侧为燃烧室主燃气涵道8，即燃烧室主流高温燃气a的流动通道；冷气侧冲击孔板2与外壁面4共同构成冷气涵道7；冲击孔板2与气膜孔板1之间设置有夹芯米字桁架3，共同形成双层壁隔热屏；由于夹芯米字桁架3为典型的点阵结构，其与气膜孔板1和冲击孔板2采用点接触的焊接形式固定，构成结构性完整的一体化结构。
38.图2中展示了夹芯米字桁架3阵列结构的排列方式。夹芯米字桁架3由四根桁架杆交于一点。一般情况下，四根桁架杆具有相同的倾斜角度、长度和直径，构成正多面体桁架结构。此多面体桁架单元的顶点与冲击孔板相连，相邻桁架杆在轴向x方向的间距sz以及相邻两列夹芯米字桁架3在周向z方向的列间距sx可以为非恒定值。
39.随着其角度的变化，桁架杆长度变化，导热能力变化，对流体的流动阻力也发生变化；直径的增加或减小影响了固体率以及与流体接触面积的变化，直径影响了流动阻力和换热性能的变化。阵列结构的疏密程度可以由夹芯米字桁架3的间距来控制，当其间距为恒定值时，多面体桁架阵列即为规则的结构，而当阵列结构的形式发生变化时，其对冲击射流的扰动混合也发生变化，导致内冷结构冷却效率的变化和冷气用量的变化。
40.实施例2：如图4、图5所示，本发明还提供一种用于发动机燃烧室的桁架式双层壁隔热装置在气膜孔板上形成气膜的方法，步骤如下：
41.在冷气外涵道7中的冷却气流b的部分垂直与冲击孔板2的冲击射流c1，经冲击孔板2上的冲击孔6进入气膜孔板1和冲击孔板2之间的空腔；
42.进入气膜孔板1和冲击孔板2之间空腔的冲击射流c1，一部分为直接对气膜孔板1内壁面进行冲击冷却的冲击射流，形成冲击冷却气流c3，另一部分冲击夹芯米字桁架3，并与夹芯米字桁架3表面碰撞形成环绕夹芯米字桁架3的绕流c2，
43.由夹芯米字桁架3环绕下降的绕流c2的一部分对气膜孔板1的内壁面进行扫掠和斜冲击，另一部分绕流c2与气膜孔板1和冲击孔板2之间的主气流混合，在沿气流流动方向上的米字桁架3两侧形成充满夹芯米字桁架3两侧空腔的纵向冷却涡系c4，且以夹芯米字桁架3的中心交叉点为中点，在夹芯米字桁架3的两侧各形成平行的两股纵向冷却涡系c4，对气膜孔板1和冲击孔板2之间加强冷却；
44.对气膜孔板1的内壁面进行扫掠和斜冲击的绕流c2进入气膜孔板的气膜孔5中形成气流射流c5，由气膜孔板1的外壁面流出的气流射流c5形成气膜冷气隔热层，降低燃烧室主燃气涵道8内主流高温燃气a对燃烧室壁面的热负荷。
45.图5中展示了沿气流流动方向上的夹芯米字桁架3两侧形成四股纵向冷却涡系c4，四股纵向冷却涡系c4延伸在气流流动方向上，迅速将气膜孔板1和冲击孔板2之间空腔内的热量带出，同时，由气膜孔5中流出气膜孔板1外壁面的射流又形成冷气隔热层，两者配合实现了对燃烧室冷却功能，提高了发动机的性能和寿命。
46.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。