КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F23R3/04 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам, предназначенным для сжигания топливно-воздушной смеси (камер сгорания ГТД), или устройствам, в которых применяется пленочное охлаждение, выполненное с помощью направляющих козырьков в других отраслях техники (пр. в ГТД, в котельных установках и т.п.).

При горении распыленного топлива в потоке воздуха внутри жаровой трубы камеры сгорания образуется факел, температура которого может превышать температуры, допустимые для материала жаровой трубы. Известны жаровые трубы, в которых организуется охлаждение стенки с помощью потока холодного воздуха, изолирующего факел от стенки и уносящего тепло, передаваемое радиационным путем (т. н. пленочное охлаждение). Для этого в стенке жаровой трубы проделываются пояса отверстий или кольцевые щели, а для придания потоку нужного направления над отверстиями изготавливаются отклоняющие козырьки.

В существующих конструкциях козырьки изготавливаются из тех же материалов, что и жаровая труба. Во время работы козырьки находятся ближе всего к факелу и их температура на 200-400^oС выше температуры стенки жаровой трубы.

Недостатком существующих конструкций является развитие термических напряжений, приводящих к существенному ограничению циклического ресурса жаровой трубы и ее разрушению, поскольку в процессе рабочего цикла "запуск-полный газ" из-за разницы температур стенка и козырек имеют разный уровень деформирования, обусловленного тепловым расширением.

Одним из наиболее близких технических решений, выбранных за прототип, является камера сгорания с жаровой трубой, на внутренней поверхности которой одним концом закреплены козырьки в виде стержней, ориентированных радиально относительно оси жаровой трубы, образующих свободными концами внутреннюю рабочую поверхность жаровой трубы (авторское свидетельство 1760254, кл. F 23 R 3/44 от 1992 г.). Поток воздуха, охлаждающего оболочку жаровой трубы, проходит через каналы, образованные стержнями, и внутренней поверхностью корпуса. Таким образом поток газов изолирован потоком холодного воздуха. За счет большой поверхности теплоотдачи и высокой турбулизации потока воздуха улучшаются условия работы стенки камеры сгорания.

Существенным недостатком известной конструкции является то, что в условиях большого температурного перепада возникают большие термические напряжения, приводящие к обрыву стержней-козырьков, что может привести к повреждению проточной части двигателя. Необходимо также отметить, что наличие большого количества находящихся в потоке элементов малого сечения приведет к появлению неравномерности температурного поля и короблению из-за их повышенной эрозии и изменению вследствие этого теплоотдачи стенки жаровой трубы. Кроме того, изменение геометрии стержней приведет к нарушению их обтекания газовым потоком и нарушению газодинамического процесса горения в камере сгорания, что также ведет к росту неравномерности температурного поля и короблению.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является предотвращение возникновения термических напряжений, приводящих к снижению ресурса, а возможно и разрушению камеры сгорания.

Поставленная задача решается за счет того, что в камере сгорания, преимущественно для газотурбинных двигателей и установок, включающей жаровую трубу, к которой присоединены кольцевые козырьки, направляющие охлаждающий воздух, который проходит через отверстия в стенках жаровой трубы, согласно изобретению жаровая труба и козырьки выполнены из различных материалов, причем модуль упругости и коэффициент теплового линейного расширения материала, из которого выполнены козырьки, меньше модуля упругости и коэффициента теплового линейного расширения материала, из которого выполнен корпус жаровой трубы, и при высокой разнице температур между козырьками и стенкой жаровой трубы (200-400^oС) выдержано соотношение:
α₁•ΔT₁•E₁≅α₂•ΔT₂•E₂,
где α₁ - коэффициент теплового линейного расширения материала корпуса жаровой трубы;
ΔТ₁ - перепад температур Т_max-T_min стенки жаровой трубы в цикле "запуск-полный газ";
Е₁ - модуль упругости материала жаровой трубы;
α₂ - коэффициент теплового линейного расширения материала козырька;
ΔТ₂ - перепад температур Т_max-T_min козырька в цикле "запуск-полный газ";
Е₂ - модуль упругости материала козырька.

На чертеже изображена предлагаемая камера сгорания.

Камера сгорания состоит из жаровой трубы 1, на внутренней поверхности которой проделаны ряды отверстий 2. Перед отверстиями перпендикулярно направлению течения газа на внутренней поверхности жаровой трубы крепятся козырьки 3, изготовленные из материала, отличающегося по теплофизическим и механическим свойствами от материала корпуса жаровой трубы.

Камера сгорания работает следующим образом.

Поток охлаждающего воздуха проходит через отверстия 2 жаровой трубы, отнимая переданное радиационным нагревом тепло у стенки 1 жаровой трубы, и отклоняется козырьком 3 вдоль стенки, изолируя ее от газового потока. Козырек, нагреваемый газовым потоком, расширятся на величину, пропорциональную разнице температур перед началом работы и во время работы и коэффициенту линейного температурного расширения. Одновременно стенка жаровой трубы тоже расширяется на величину, пропорциональную разнице температур перед началом работы и во время работы и коэффициенту линейного температурного расширения. Выбор материала в соответствии с соотношением приведет к тому, что величины термических деформаций при заданных перепадах температур будут равны, напряжения, обусловленные разницей деформаций, не возникнут или их уровень будет мал. При этом для уменьшения влияния остающихся термических напряжений участок с большей величиной αΔТ и имеющий модуль упругости материала ниже, чем у материала участка, имеющего меньшую величину αΔТ, будет деформироваться в пределах упругих деформаций, не приводящих к малоцикловой усталости. Следовательно, ресурс работы жаровой трубы повысится. Таким образом, жаровая труба в сравнении с прототипом обеспечивает низкий уровень термических напряжений и больший термоциклический ресурс конструкции, а также лучшую стойкость к газовой эрозии.

Камера сгорания, преимущественно для газотурбинных двигателей и установок, содержит жаровую трубу, к которой присоединены кольцевые козырьки, направляющие охлаждающий воздух, который проходит через отверстия в стенках жаровой трубы. Жаровая труба и козырьки выполнены из различных материалов. Модуль упругости и коэффициент теплового линейного расширения материала, из которого выполнены козырьки, меньше модуля упругости и коэффициента теплового линейного расширения материала, из которого выполнен корпус жаровой трубы. При высокой разнице температур между козырьками и стенкой жаровой трубы (200-400^oС) выдерживается соотношение, защищаемое изобретением. Изобретение повышает ресурс камеры сгорания. 1 ил.

Камера сгорания, преимущественно для газотурбинных двигателей и установок, включающая жаровую трубу, к которой присоединены кольцевые козырьки, направляющие охлаждающий воздух, который проходит через отверстия в стенках жаровой трубы, отличающаяся тем, что жаровая труба и козырьки выполнены из различных материалов, причем модуль упругости и коэффициент теплового линейного расширения материала, из которого выполнены козырьки, меньше модуля упругости и коэффициента теплового линейного расширения материала, из которого выполнен корпус жаровой трубы, и при высокой разнице температур между козырьками и стенкой жаровой трубы (200-400^oС) выдержано соотношение
α₁•ΔT₁•E₁≅α₂•ΔT₂•E₂,
где α₁ - коэффициент теплового линейного расширения материала корпуса жаровой трубы;
ΔТ₁ - перепад температур Т_max-T_min стенки жаровой трубы в цикле "запуск-полный газ";
Е₁ - модуль упругости материала жаровой трубы;
α₂ - коэффициент теплового линейного расширения материала козырька;
ΔТ₂ - перепад температур Т_max-T_min козырька в цикле "запуск-полный газ";
Е₂ - модуль упругости материала козырька.