ТРУБЧАТО-КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F23R3/42 

Изобретение относится к камерам сгорания авиационных газотурбинных двигателей.

Известна камера сгорания авиационного двухконтурного турбореактивного двигателя Д-30, содержащая ряд жаровых труб, расположенных в кольцевом пространстве, образованном внешним и внутренним корпусами, каждая из жаровых труб соединена с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами. Газосборник выполнен в виде отдельных секций, составляющих раздельные в кольцевом направлении полости горения жаровых труб [1].

Недостатком известной камеры сгорания является большая окружная неравномерность полных напоров и температур на выходе по сравнению с камерами сгорания, имеющими кольцевую зону смешения, что приводит к появлению значительных периодических нагрузок на лопатки турбины.

Наиболее близкой к заявляемой является трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, полость которого образована его собственными кольцевыми стенками, при этом каждая из жаровых труб содержит на выходе в поперечном потоку направлении фланец, скрепленный со стенкой жаровой трубы и соединенный с газосборником [2].

Недостатком известной камеры сгорания является то, что она не позволяет реализовать преимущества кольцевых камер сгорания, заключающиеся в более высоких значениях объемной теплонапряженности, в получении равномерного поля температур на выходе при меньших потерях тепла, полного давления и длине камеры сгорания.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении ресурса и топливной экономичности газотурбинного двигателя за счет повышения интенсивности процесса горения в жаровых трубах повышенной жесткости, увеличенного поперечного сечения и уменьшенной длины, с уменьшением потерь тепла и полного давления, снижения неравномерности полей температур вдоль, по окружности и на выходе жаровых труб.

Сущность технического решения заключается в том, что в трубчато-кольцевой камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, полость которого образована его собственными кольцевыми стенками, при этом каждая из жаровых труб содержит на выходе в поперечном потоку направлении фланец, скрепленный со стенкой жаровой трубы и соединенный с газосборником, согласно изобретению, фланец каждой из жаровых труб в радиальных плоскостях камеры сгорания, проходящих через плоскости стыка фланцев, выполнен с уступами по краям, а вниз по потоку от уступов с внутренним и наружным кольцевыми козырьками, расположенными коаксиально кольцевым стенкам газосборника, причем площадь выхлопного сечения фланца жаровой трубы составляет 85-95% его направленной против потока поверхности, при этом каждая из жаровых труб выполнена в форме диффузора с уменьшенной кривизной поперечного сечения в ее радиальных плоскостях, проходящих через углы фланца вверх по потоку от него на расстоянии не меньше, чем разность радиусов кольцевых стенок газосборника в местах его соединения с фланцем, а радиус кривизны любого из поперечных сечений жаровой трубы в ее радиальных плоскостях меньше радиуса кривизны любого из поперечных сечений, расположенных выше по потоку. Стыки фланцев жаровых труб соединены между собой с возможностью скольжения, торцы фланцев в местах стыка между собой размещены с зазором, а уступы на фланцах выполнены в форме дуг окружности, выпуклая сторона которых направлена к оси жаровой трубы.

Выполнение фланцев каждой из жаровых труб в радиальных плоскостях камеры сгорания, проходящих через плоскости стыка фланцев, с уступами по краям, а вниз по потоку от уступов с внутренним и наружным кольцевыми козырьками, расположенными коаксиально кольцевым стенкам газосборника, позволяет снизить теплопередачу конвенцией и излучением от продуктов горения к металлическим стенкам фланцев, жаровых труб и газосборника, а также позволяет расположить компенсационные стыки в относительно "прохладных местах", защищенных от воздействия высоких температур, возникающих в результате реакции горения. При этом повышенная скорость потока продуктов горения и защитной пелены охлаждающего воздуха в направлении вниз по потоку от уступов создает локализованную зону пониженного статического давления. Повышенная скорость потоков воздуха при обтекании наружных смежных стенок жаровых труб создает локализованные зоны пониженного статического давления в средней части фланцев и в их радиальных стыках. В результате чего полнее используется хладоресурс охлаждающего воздуха, а также снижается масса неучтенного воздуха, попадающего в жаровые трубы в случае возникновения утечек в стыках (при нагреве и износах), что повышает эффективность процесса горения.

Выполнение фланца с внутренним и наружным кольцевыми козырьками способствует отводу утечек воздуха между фланцами и потоков воздуха, охлаждающих стык фланцев с газосборником в защитную пелену, распространяющуюся в осевом направлении вниз по потоку коаксиально кольцевым стенкам газосборника и непосредственно прилегающую к их поверхностям, которые контактируют с горячими газами, вырабатываемыми в процессе реакции горения. Это снижает температуру мест стыка фланца с газосборником, снижает потери тепла и полного давления, неравномерность полей температур вдоль по окружности и на выходе жаровых труб.

Выполнение площади выхлопного сечения фланца жаровой трубы в пределах 85-95% его направленной против потока поверхности позволяет перераспределить потоки воздуха при обтекании наружной поверхности жаровых труб таким образом, чтобы их значительную часть направить для обдува мест крепления фланца с жаровой трубой. Это объясняется тем, что за счет скоростного напора воздуха по углам фланцев образуются зоны повышенного статического давления, которые обтекаются струями с повышенной скоростью из локальных зон, расположенных между боковыми поверхностями смежных жаровых труб. Кроме того, это значительно уменьшает потери полного давления при обтекании потоком воздуха внешней поверхности жаровых труб и фланцев. Кроме того, это позволяет увеличить поперечное сечение жаровых труб при оптимальных углах их раскрытия, уменьшить их длину с уменьшением потерь тепла и полного давления. Потери тепла снижаются вследствие расположения наиболее массивных частей жаровых труб-фланцев в относительно более "прохладных" местах, более защищенных от воздействия высоких температур.

Выполнение каждой из жаровых труб в форме диффузора с уменьшенной кривизной поперечного сечения в ее радиальных плоскостях, проходящих через углы фланца вверх по потоку от него на расстоянии не меньше, чем разность радиусов кольцевых стенок газосборника в местах его соединения с фланцем, позволяет при увеличении поперечного сечения увеличить жесткость и стабильность размеров жаровых труб. Вследствие высокой жесткости жаровых труб коробление их стенок уменьшается, поэтому влияние последних на поле температур на выходе из камеры сгорания также уменьшается, что улучшает доводку камеры сгорания по увеличению ресурса. Кроме того, такое выполнение уменьшает потери полного давления и чувствительность процессов в камере сгорания к скорости воздушного потока на входе.

Выполнение радиуса кривизны любого из поперечных сечений жаровой трубы в ее радиальных плоскостях меньше радиуса кривизны любого из поперечных сечений, расположенных выше по потоку, дополнительно уменьшает потери полного давления и чувствительность процессов в камере сгорания к скорости воздушного потока на входе и к характеру полей давления.

Кроме того, соединение стыков фланцев жаровых труб с возможностью скольжения и размещения торцов фланцев в местах стыка между собой с зазором обеспечивает демпфирование механических напряжений, вызванных термическими деформациями его частей и газосборника, что исключает коробление и деформацию жаровых труб камеры сгорания, гарантирует стабильность полей температур на выходе из камеры сгорания, повышает ее надежность и ресурс.

Выполнение уступов на фланцах в форме дуг окружности, выпуклая сторона которых направлена к оси жаровой трубы, позволяет формировать вихри, вращающиеся вокруг оси, перпендикулярной основному потоку, что дополнительно уменьшает потери давления вниз по потоку от уступов и повышает качество смешения продуктов горения с воздухом. Кроме того, это дополнительно уменьшает теплопередачу излучением и конвенцией от продуктов горения к металлическим стенкам фланца, жаровой трубы и газосборника.

На фиг. 1 представлена верхняя часть продольного сечения камеры сгорания вдоль продольной оси одной из жаровых труб.

На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 - вид Б на фиг. 1.

На фиг. 4 - жаровые трубы, собранные с газосборником и сопловым аппаратом первой ступени турбины.

Трубчато-кольцевая камера сгорания ГТД содержит жаровые трубы 1, соединенные с газосборником 2, скрепленным с внешним корпусом 3 и внутренним корпусом 4. Полость 5 газосборника 2 образована его кольцевой наружной стенкой 6 и кольцевой внутренней стенкой 7. Каждая из жаровых труб 1 содержит на выходе 8 в поперечном потоку 9 направлении фланец 10, скрепленный со стенкой 11 жаровой трубы 1 при помощи сварки и соединенный с газосборником 2 с возможностью перемещения вдоль оси 12 жаровой трубы 1 по пояскам Д1 и Д2. Фланец 10 жаровой трубы 1 в радиальных плоскостях Р1 и Р2 камеры сгорания выполнен с уступами 13, 14 по краям 15, 16, а вниз по потоку 9 от уступов 13, 14 с внутренним кольцевым козырьком 17, и наружным кольцевым козырьком 18, расположенными коаксиально кольцевым стенкам соответственно 7 и 6 газосборника 2. Площадь выхлопного сечения фланца 10 жаровой трубы 1, определяемая поверхностями 19,20 кольцевыми козырьками 17, 18 составляет 85-95% его направленной против потока 9 поверхности 22, 23, 24 и 25. Каждая из жаровых труб выполнена в форме диффузора с уменьшенной кривизной поперечного сечения в ее радиальных плоскостях R1, R2, R3, R4, проходящих соответственно через углы 26, 27, 28 и 29 фланца 10 вверх по потоку 9 от него на расстоянии L не меньше, чем разность радиусов 0,5Д1 и 0,5Д2 кольцевых стенок 6 и 7 газосборника 2 в местах его соединения с фланцем 10 жаровой трубы 1. Радиус кривизны К любого из поперечных сечений жаровой трубы в ее радиальных плоскостях R1, R2, R3 и R4 меньше радиуса кривизны Т любого из поперечных сечений расположенных выше по потоку 9, см. фиг. 2. Стыки фланцев 10 жаровых труб 1 соединены между собой с возможностью скольжения по поверхностям М и Н (см. фиг. 3). Торцы 15, 16 в местах стыка между собой размещены с зазором ΔS, а уступы 13, 14 на фланцах 10 выполнены в форме дуг окружности 30, выпуклая сторона которых направлена к оси 12 жаровой трубы 1. Кроме того, на фиг. 1 показан диффузор 31 на входе в камеру сгорания, топливная форсунка 32, свеча зажигания 33, сопловой аппарат 34 на выходе из камеры сгорания, а 35 - продольная центральная ось камеры сгорания.

Камера сгорания работает следующим образом. При запуске двигателя топливо подается через форсунку 32, смешиваясь и закручиваясь во фронтовом устройстве завихрителя с потоком 9 сжатого компрессором воздуха, поступающего через диффузор 31, осуществляя воспламенение топливовоздушной смеси от свечи зажигания 33 во внутренней полости жаровых труб 1. В первичную зону жаровой трубы 1 подается 25-30% общего расхода воздуха, топливо, распыливаемое форсункой 32, быстро испаряется, а пары топлива сгорают по мере их перемешивания с воздухом и продуктами горения. При этом в локальных зонах стехиометрического состава смеси и обедненных составов смеси преобладают реакции кинетического горения (с возникновением цепных реакций), а в зонах обогащенной топливом смеси реакции диффузионного горения (с возникновением химических связей). В первичной зоне средний коэффициент избытка воздуха, α устанавливается от 0,8 до 1,5, где α- отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива, а температура продуктов горения во фронте пламени составляет 1500-2000^oC. Зона циркуляции продуктов горения в первичной зоне коаксиально охватывается потоками 9 воздуха, подаваемого через гофрированные щели стенки 11 жаровой трубы 1 и перемешивается посредством турбулентной диффузии от струй первых одного-двух рядов отверстий в стенках 11 жаровой трубы 1. При подводе струй воздуха на длине L жаровой трубы 1 обеспечивается реакция горения непрореагировавших компонентов первичной зоны и расходуется тепло на нагрев подводимых потоков воздуха, смесь обедняется и становится горючей, уменьшается время пребывания смеси в локальных зонах повышенных температур из-за увеличения массы газа, вытекающего в жаровую трубу. На выходе 8 жаровой трубы 1 завершается, в основном, перемешивание горячих газов с "холодным" воздухом и снижение средней температуры газов перед турбиной, выбранной для данного двигателя. Затем продукты горения направляются в газосборник 2, где происходит дальнейшее перемешивание струй газа с различной температурой и уменьшение общей неравномерности потока газов до заданной эпюры температур на входе в сопловой аппарат 34.

Источники информации
1. "Авиационный двухконтурный турбореактивный двигатель Д-30", М.: Машиностроение, 1971 г., стр. 47, рис. 40.

2. FR, заявка N 2695460, кл. F 23 R 3/28, 1994 г. - прототип.

Трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, полость которого образована его собственными кольцевыми стенками. Каждая из жаровых труб содержит на выходе в поперечном потоку направлении фланец, скрепленный со стенкой жаровой трубы и соединенный с газосборником. Фланец каждой из жаровых труб в радиальных плоскостях камеры сгорания, проходящих через плоскости стыка фланцев, выполнен с уступами по краям, а вниз по потоку от уступов с внутренним и наружным кольцевыми козырьками, расположенными коаксиально кольцевым стенкам газосборника. Площадь выхлопного сечения фланца жаровой трубы составляет 85-95% его направленной против потока поверхности. Каждая из жаровых труб выполнена в форме диффузора с уменьшенной кривизной поперечного сечения в ее радиальных плоскостях, проходящих через углы фланца вверх по потоку от него на расстоянии не меньше, чем разность радиусов кольцевых стенок газосборника в местах его соединения с фланцем. Радиус кривизны любого из поперечных сечений жаровой трубы в ее радиальных плоскостях меньше радиуса кривизны любого из поперечного сечений, расположенных выше по потоку. Изобретение позволяет повысить интенсивность процесса горения с уменьшением потерь тепла и полного давления. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Трубчато-кальцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая жаровые трубы, соединенные с газосборником, скрепленным с внешним и внутренним корпусами, полость которого образована его собственными кольцевыми стенками, при этом каждая из жаровых труб содержит на выходе в поперечном потоку направлении фланец, скрепленный со стенкой жаровой трубы и соединенный с газосборником, отличающаяся тем, что фланец каждой из жаровых труб в радиальных плоскостях камеры сгорания, проходящих через плоскости стыка фланцев, выполнен с уступами по краям, а вниз по потоку от уступов с внутренним и наружным кольцевыми козырьками, расположенными коаксиально кольцевым стенкам газосборника, причем площадь выхлопного сечения фланца жаровой трубы составляет 85 - 95% его направленной против потока поверхности, при этом каждая из жаровых труб выполнена в форме диффузора с уменьшенной кривизной поперечного сечения в ее радиальных плоскостях, проходящих через углы фланца вверх по потоку от него на расстоянии не меньше, чем разность радиусов кольцевых стенок газосборника в местах его соединения с фланцем, а радиус кривизны любого из поперечных сечений жаровой трубы в ее радиальных плоскостях меньше радиуса кривизны любого из поперечных сечений, расположенных выше по потоку. 2. Трубчато-кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя по п.1, отличающаяся тем, что стыки фланцев жаровых труб соединены между собой с возможностью скольжения, торцы фланцев в местах стыка между собой размещены с зазором, а уступы на фланцах выполнены в форме дуг окружности, выпуклая сторона которых направлена к оси жаровой трубы.