ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК F23R3/16 

Изобретение относится к области авиадвигателестроения, в частности к конструкции камер сгорания газотурбинных двигателей.

Известно фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания ГТД, содержащее равномерно расположенные по окружности цилиндрические патрубки с диффузорным выходным участком трапециевидного сечения, лопаточные воздушные завихрители, размещенные на входе в цилиндрические патрубки, и топливные форсунки, установленные во втулках завихрителей [1].

Недостатком такого фронтового устройства является перегрев патрубков, что приводит к их короблению и прогарам. Это связано с недостаточно эффективным охлаждением угловых зон трапециевидных участков патрубков и изменением геометрии охлаждающих щелей в результате перегревов.

Из известных устройств наиболее близким к предложенному является фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания ГТД, содержащее внутренние патрубки с входным цилиндрическим участком и выходным диффузорным трапециевидным участком с оребренной наружной поверхностью, наружные коаксиальные им трапециевидные патрубки, образующие с оребренной поверхностью внутренних патрубков полости, лопаточные завихрители, размещенные на входе цилиндрических участков внутренних патрубков, и топливные форсунки, установленные во втулках завихрителей [2].

Наличие ребер на наружной поверхности трапециевидной части патрубков повышает эффективность их охлаждения благодаря высокой теплопроводности оребренной поверхности. Однако оно не устраняет полностью перечисленных недостатков и не обеспечивает достаточной эффективности охлаждения патрубков, в особенности, наружных патрубков трапециевидной формы.

Задачей изобретения является повышение эффективности охлаждения элементов фронтового устройства кольцевой камеры сгорания.

Указанная задача решается тем, что в известном фронтовом устройстве кольцевой камеры сгорания ГТД, содержащем внутренние патрубки с входным цилиндрическим участком и выходным диффузорным трапециевидным участком с оребренной наружной поверхностью, наружные коаксиальные им трапециевидные патрубки, образующие с оребренной поверхностью внутренних патрубков полости, лопаточные завихрители, размещенные на входе цилиндрических участков внутренних патрубков, и топливные форсунки, установленные во втулках завихрителей, в наружном трапециевидном патрубке выполнены отверстия для подвода охлаждающего воздуха к полостям, размещенные с относительным шагом
S/d = 2÷4,
где S - расстояние между соседними отверстиями,
d - диаметр отверстия
и с площадью, увеличивающейся в направлении угловых зон трапеции, с учетом следующего отношения:
F₁/F₂=1,2÷4,
где F₁ - площадь отверстия в угле трапеции,
F₂ - площадь отверстия в середине стороны трапеции,
причем суммарная площадь отверстий составляет 0,3-1,5 от суммарной площади поперечного сечения полостей.

При этом ребра во входном поперечном сечении выходного диффузорного трапециевидного участка внутреннего патрубка должны быть размещены равномерно с относительным шагом
t/в=1,5÷4,
где t - расстояние между соседними ребрами,
в - ширина ребра
и выполнены с высотой, увеличивающейся в направлении угловых зон трапеции с учетом следующего отношения:
h₁/h₂=1,2÷4,
где h₁ - максимальная высота ребра в угле трапеции,
h₂ - высота ребра в середине стороны трапеции.

Ребра во входном поперечном сечении выходного диффузорного трапециевидного участка внутреннего патрубка могут быть выполнены с одинаковой высотой и размещены с шагом, увеличивающимся в направлении угловых зон трапеции с учетом следующего отношения:
t₁/t₂=1,2÷4,
где t₁ - максимальное расстояние между ребрами в угле трапеции,
t₂ - расстояние между ребрами в середине сторон трапеции.

Выполнение отверстий в трапециевидном патрубке по заданному закону повышает эффективность охлаждения угловых зон трапециевидных участков патрубков за счет увеличения конвективного теплообмена в этих зонах. Минимальное значение шага отверстий выбирается с учетом прочности конструкции, а максимальное обусловлено достижением необходимой эффективности охлаждения элементов фронтового устройства. Исходя из конструктивных условий и прочности, можно несколько отверстий в угловых зонах трапеций объединить в прорези.

Заданные отношения между размерами отверстий и воздушных полостей позволяют обеспечить стабильность расходных характеристик фронтового устройства. Минимальное отношение выбрано из условий минимального расхода охлаждающего воздуха через отверстия, а максимальное - из условия равного расхода через отверстия и полости.

Минимальное значение относительного шага ребер выбирается из условия заданных потерь давления в тракте охлаждения, максимальное - из условия достаточной теплопроводности ребер, а также из граничных условий, зависящих от процессов горения.

Другой вариант расположения и формы ребер аналогичен по достижению требуемой эффективности охлаждения, и диапазоны отношений размеров выбираются из тех же соображений.

Выполнение ребер по длине полости с постоянной шириной и постоянство площади поперечного сечения полостей по длине патрубков обеспечивают течение охлаждающего воздуха в полостях, образованных ребрами, с постоянными гидравлическими характеристиками.

На фиг. 1 показан продольный разрез фронтового устройства кольцевой камеры сгорания ГТД;
на фиг. 2 - поперечное сечение А-А фронтового устройства;
на фиг. 3 - поперечное сечение Б-Б наружного трапециевидного патрубка по охлаждающим отверстиям;
на фиг. 4 - поперечное сечение В-В оребренной поверхности внутреннего патрубка;
на фиг. 5 - поперечное сечение В-В варианта выполнения оребренной поверхности внутреннего патрубка.

Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания ГТД содержит внутренние патрубки 1 с входным цилиндрическим участком 2 и выходным диффузорным трапециевидным участком 3, на наружной поверхности которого выполнены ребра 4, и наружные коаксиальные им трапециевидные патрубки 5 с внутренней поверхностью 6, образующие с поверхностью внутренних патрубков полости 7, ограниченные соседними ребрами 4. В наружном трапециевидном патрубке 5 выполнены отверстия 8 для подвода охлаждающего воздуха к полостям 7. Устройство содержит также лопаточные воздушные завихрители 9, размещенные на входе цилиндрических участков 2 внутренних патрубков 1, и топливные форсунки 10, установленные во втулках 11 воздушных завихрителей 9. Наружные патрубки 5 соединены с фронтальной стенкой 12, которая вместе с наружной 13 и внутренней 14 обечайками жаровой трубы ограничивает зону горения 15. Отверстия 8 размещены с относительным шагом
S/d = 2÷4,
где S - расстояние между соседними отверстиями,
d - диаметр отверстия.

Площадь отверстий увеличивается в направлении угловых зон трапеции с учетом следующего отношения:
F₁/F₂=1,2÷4,
где F₁ - площадь отверстия в угле трапеции,
F₂ - площадь отверстия в середине стороны трапеции.

Суммарная площадь отверстий 8 составляет 0,3-1,5 от суммарной площади поперечного сечения полостей 7.

Ребра 4 размещены во входном поперечном сечении выходного трапециевидного участка 3 внутреннего патрубка 1 равномерно с относительным шагом
t/в = 1,5÷4,
где t - расстояние между соседними ребрами,
в - ширина ребра.

Высота ребер увеличивается в направлении угловых зон трапеции с учетом следующего отношения:
h₁/h₂=1,2÷4,
где h₁ - максимальная высота ребра в угле трапеции,
h₂ - высота ребра в середине стороны трапеции.

Ширина ребра 4 постоянна по длине полости 7 и площадь поперечного сечения этой полости по длине патрубков постоянна. Ребра 4 во входном поперечном сечении трапециевидного участка 3 внутреннего патрубка 1 могут быть выполнены с одинаковой высотой и размещены с шагом, увеличивающимся в направлении угловых зон трапеции с учетом следующего отношения:
t₁/t₂ =1,2÷4,
где t₁ - максимальное расстояние между ребрами в угле трапеции,
t₂ - расстояние между ребрами в середине сторон трапеции.

При работе камеры сгорания воздух через завихрители 9 поступает во внутренние патрубки 1 фронтового устройства, где он смешивается с топливом, подаваемым форсунками 10. Топливовоздушная смесь сгорает в зоне горения 15. Воздух, охлаждающий трапециевидный участок 3 внутреннего патрубка 1, поступает через отверстия 8 в полости 7 и, вытекая из них, образует на внутренней поверхности 6 трапециевидных патрубков 5 защитную пленку, предохраняющую ее от воздействия горячих газов зоны горения 15.

Предлагаемое изобретение позволит значительно повысить эффективность охлаждения элементов фронтового устройства, что способствует увеличению надежности и ресурса камеры сгорания и двигателя в целом.

Источники информации
1. Заявка Франции 2103621, МКИ F 02 С 7/00, опубл. 14.04.1972 г.

2. Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей. /Под ред. Д.В. Хронина. -М.: "Машиностроение", 1989 г., стр. 402.

Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит внутренние патрубки с входным цилиндрическим участком и выходным диффузорным трапециевидным участком с оребренной наружной поверхностью, наружные коаксиальные им трапециевидные патрубки, образующие с поверхностью внутренних патрубков полости, ограниченные соседними ребрами, лопаточные завихрители, размещенные на входе цилиндрических участков внутренних патрубков, и топливные форсунки, установленные во втулках завихрителей. В наружном трапециевидном патрубке выполнены отверстия для подвода охлаждающего воздуха к полостям, размещенные с относительным шагом, определяемым защищаемым соотношением. Площадь отверстий увеличивается в направлении угловых зон трапеции. Суммарная площадь отверстий составляет 0,3-1,5 от суммарной площади поперечного сечения полостей. Изобретение повышает эффективность охлаждения элементов фронтового устройства кольцевой камеры сгорания. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащее внутренние патрубки с входным цилиндрическим участком и выходным диффузорным трапециевидным участком с оребренной наружной поверхностью, наружные коаксиальные им трапециевидные патрубки, образующие с поверхностью внутренних патрубков полости, ограниченные соседними ребрами, лопаточные завихрители, размещенные на входе цилиндрических участков внутренних патрубков, и топливные форсунки, установленные во втулках завихрителей, отличающееся тем, что в наружном трапециевидном патрубке выполнены отверстия для подвода охлаждающего воздуха к полостям, размещенные с относительным шагом
S/d= 2÷4,
где S - расстояние между соседними отверстиями;
d - диаметр отверстия;
с площадью, увеличивающейся в направлении угловых зон трапеции с учетом следующего отношения;
F₁/F ₂= 1,2-4,
где F₁ - площадь отверстия в угле трапеции;
F₂ - площадь отверстия в середине стороны трапеции,
cуммарная площадь отверстий составляет 0,3÷1,5 от суммарной площади поперечного сечения полостей. 2. Фронтовое устройство по п. 1, отличающееся тем, что ребра во входном поперечном сечении выходного диффузорного трапециевидного участка внутреннего патрубка размещены равномерно с относительным шагом
t/в= 1,5÷4,
где t - расстояние между соседними ребрами;
в - ширина ребра;
и выполнены с высотой, увеличивающейся в направлении угловых зон трапеции с учетом следующего отношения:
h₁/h₂= 1,2÷4,
где h₁ - максимальная высота ребра в угле трапеции, h₂ - высота ребра в середине стороны трапеции. 3. Фронтовое устройство по п. 1, отличающееся тем, что ребра выполнены с постоянной шириной по длине полости, и площадь поперечного сечения полости по длине патрубков постоянна. 4. Фронтовое устройство по п. 1, отличающееся тем, что ребра во входном поперечном сечении выходного диффузорного трапециевидного участка внутреннего патрубка выполнены с одинаковой высотой и размещены с шагом, увеличивающимся в направлении угловых зон трапеции с учетом следующего отношения:
t₁/t₂= 1,2÷4,
где t₁ - максимальное расстояние между ребрами в угле трапеции;
t₂ - расстояние между ребрами в середине сторон трапеции.