КАМЕРА СГОРАНИЯ Российский патент 2005 года по МПК F23R3/04 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам, предназначенным для сжигания топливно-воздушной смеси (камерам сгорания ГТД), или устройствам, в которых применяется пленочное охлаждение в других отраслях техники.

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. Во время работы козырьки находятся ближе всего к факелу и их температура на 100-300° С выше температуры стенки жаровой трубы.

Недостатком существующих конструкций является высокий уровень термических напряжений, приводящих к существенному ограничению циклического ресурса жаровой трубы и ее разрушению. В процессе рабочего цикла "запуск - полный газ - выключение" стенка и козырек из-за различия температур по-разному деформируется, нагружая друг друга.

Одним из аналогов 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 приводит к появлению неравномерности температурного поля и их короблению из-за 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.

Наиболее близким техническим решением является жаровая труба по патенту США №4361010 от 30.11.82. Рассматриваемая жаровая труба включает наружную холодную стенку, омываемую охлаждающим воздухом, и внутреннюю горячую стенку, образуемую кольцевыми съемными панелями, причем между наружной, холодной, и внутренней, горячей, стенками расположены продольные ребра, омываемые охлаждающим потоком воздуха и отводящие тепло от горячей поверхности. Между кольцевыми панелями предусмотрен зазор, обеспечивающий возможность замены панелей без повреждения соседних. Поверхность наружной холодной стенки в зазоре, не защищенном панелью, охлаждается воздухом, который подается через отверстие в наружной стенке под панелью и течет вдоль каналов, образуемых продольными ребрами, причем воздух в каналах течет как в направлении газового потока, так и навстречу ему. Вытекая из щели между панелями, а также через отверстия в поверхности панели, которые могут быть выполнены при необходимости, воздух образует защитную пленку, препятствующую теплопередаче от горячего газового потока к материалу стенки.

Для упрощения данной конструкции ребра на панели могут быть выполнены путем крепления к ней полосы гофрированного материала, выполняющего аналогичную роль.

Данная конструкция имеет существенные недостатки. Применение ребер для улучшения теплоотвода с обратной стороны внутренней стенки приводит к увеличению температурных градиентов между поверхностью с ребрами и поверхностью, омываемой горячим газом, что ведет к возникновению больших термонапряжений. В то же время создание пленки воздуха, изолирующей горячую поверхность от газового потока, недостаточно эффективно, поскольку воздух, вытекающий из зазоров между панелями и отверстиями в них, не направлен вдоль стенки. Это ведет к повышению температуры поверхности стенки и, в свою очередь, к увеличению температурных перепадов. Кроме того, конструкция технологически сложна, относительно тяжела и имеет недостаточную прочность при применении ее на летательных аппаратах, испытывающих большие перегрузки.

Технической задачей предлагаемой конструкции камеры сгорания является улучшение защиты стенки ее жаровой трубы, снижение температурных перепадов, снижение термических напряжений в ней, ведущее к увеличению ресурса камеры сгорания.

Заявляемый технический результат достигается применением конструкции камеры сгорания, включающей состоящую из секций жаровую трубу, отличающуюся тем, что каждая из секций образована соединенными внахлест по потоку кольцевыми обечайками, причем одна из сторон каждой обечайки, обращенная к газовому потоку, имеет гладкую поверхность, а другая - гофрированную, при этом гладкая часть предыдущей обечайки соединена с вершинами гофров следующей, образует каналы для прохождения охлаждающего воздуха, имеющие отношение длины к ширине ≥ 1.6. Такое соотношение размеров канала обеспечивает придание струе воздуха необходимого направления при ее истечении из канала и обеспечивает достаточную прочность скрепления краев соседних обечаек по верхушкам гофров.

Жесткости краев каналов, образованных соединенными внахлест гладким и гофрированным краями обечаек, образующих секцию жаровой трубы, удовлетворяют неравенству:

C₁&γτ;_&γτ;С2

где С₁ - жесткость гладкого, обращенного к потоку горячего газа края обечайки при рабочей температуре материала,

С₂ - жесткость гофрированного края следующей обечайки при рабочей температуре гофрированной части.

Такая конструкция обеспечивает свободное, нестесненное тепловое расширение гладкого, обращенного к газовому потоку края обечайки, расположенного между местами прикрепления гофров. Температура гладкого края существенно выше, он расширяется на большую величину, чем образующий стенки гофров край следующей обечайки, омываемый охлаждающим воздухом. При относительно низкой жесткости гофра горячий гладкий край будет нагружаться сжимающими напряжениями, не превышающими предел упругости материала при рабочей температуре. Гофры, в свою очередь, подвергаются деформации при более низкой, чем гладкий край обечайки, температуре и напряжения в стенках гофра также не превысят уровня предела упругости. Меньшая жесткость гофра может быть обеспечена применением более тонкого материала или его формой.

Гофры в соседних секциях жаровой трубы камеры сгорания предлагаемой конструкции могут быть выполнены наклонными или изогнутыми в одну сторону. Это придает струям охлаждающего воздуха, истекающим из каналов, образованных соединенными краями обечаек секции, как осевую, так и однонаправленную тангенциальную составляющую движения. Наклон струи охлаждающего воздуха обеспечивает более равномерное распределение пленки воздуха по поверхности, выравнивает температуру в радиальном направлении и создает более эффективную защиту.

В случае необходимости, чтобы избежать закрутки газового потока вблизи стенки жаровой трубы, каналы, образованные гофрами, в соседних секциях выполняют с наклоном, придающим струям охлаждающего воздуха противоположное тангенциальное направление.

Для улучшения образования защитной пленки скорость воздуха внутри канала может регулироваться путем профилирования поперечного сечения канала за счет изменения его высоты и ширины соответствующим профилированием гофр.

Поскольку края гофр у их основания имеют скругленную форму, площадь сечения канала у их основания возрастает, и струя воздуха, истекающая из канала, на выходе может снижать свою скорость. В этом случае гладкому краю обечайки придают форму козырька, компенсирующего увеличение ширины канала уменьшением высоты. Под козырьком также происходит слияние дискретных струй в единую пелену. Такая форма козырька, кроме того, повышает жесткость гладкого края обечайки.

Наличие относительно длинных наклонных или изогнутых гофр, скрепляемых гладким краем обечаек, образующих секции жаровой трубы заявляемой камеры сгорания, существенно повышает ее жесткость как в окружном, так и в продольном направлениях, делая геометрию камеры стабильной в процессе рабочего цикла. Изготовление гофров может осуществляться путем пластического деформирования.

На Фиг.1 изображено продольное сечение жаровой трубы заявляемой камеры сгорания.

На Фиг.2 показан вид сверху на сегменты жаровой трубы варианта исполнения с прямым гофром с однонаправленным наклоном.

На Фиг.3 показан вид сверху на сегменты жаровой трубы варианта с изогнутым гофром с однонаправленным наклоном.

На Фиг.4 изображен вид сверху на сегменты жаровой трубы с чередованием направления струй охлаждающего воздуха для предотвращения закрутки потока.

На Фиг.5 изображено поперечное сечение Б-Б части сегмента жаровой трубы, показанного на Фиг.2.

На Фиг.6 показан вид сбоку стенки в сечении А-А вида жаровой трубы, изображенного на Фиг.2.

На Фиг.7 показан вид сбоку варианта стенки жаровой трубы, изображенного на Фиг.2, в сечении А-А с формообразованным в виде козырька гладким краем обечайки.

Камера на Фиг.1 включает в себя секционированную жаровую трубу, стенки секций которой образованы скрепленными внахлест по потоку кольцевыми обечайками 1 и 2. Гладкая сторона 3, обращенная к горячему газу обечайки 1, образует верхнюю стенку канала, подводящего охлаждающий воздух. Прикрепленная к гладкому краю предыдущей обечайки сторона 4 обечайки 2 гофрирована. Она скреплена со стороной 3 обечайки 1 по верхним ребрам гофров, образуя каналы 5 на Фиг. 5, 6. Каналы 5 соседних секций наклонены или изогнуты в одном направлении (Фиг.2, 3), обеспечивая выход охлаждающего воздуха в продольном и однонаправленном тангенциальном направлении. Для предотвращения закрутки потока в соседних секциях жаровой трубы наклон каналов может чередоваться (Фиг.4). Гладкая сторона обечайки может выполняться в виде козырька (Фиг.7).

Заявляемая камера сгорания работает следующим образом.

Часть воздуха из компрессора поступает для охлаждения на наружную поверхность жаровой трубы (Фиг.1, 6, 7). Он обтекает наружную поверхность трубы, отводя тепло, передаваемое материалом стенки от внутренней поверхности, нагреваемой факелом сгорающего в жаровой трубе топлива. Далее, попадая в каналы 5, образуемые скрепленными краями 3, 4 обечаек 1, 2, воздух направляется в горячую зону камеры сгорания. При этом воздух, двигаясь по каналу 5, приобретает необходимое направление, разгоняется и отнимает тепло у горячих стенок. Вытекая под заданным каналом углом, струи воздуха образуют изолирующую и охлаждающую пленку на поверхности обечайки 2, растекаются по ней, отнимая тепло у стенки на наружной поверхности, изолируя ее от потока горячего газа. За счет наклона струи (Фиг.2, 3) образующаяся пленка равномернее по толщине и лучше выравнивает температуру на поверхности жаровой трубы. Пелена охлаждающего воздуха защищает поверхность между каналами следующей секции. Тангенциальная составляющая воздушных струй может привести к закрутке газового потока. Поэтому при необходимости каналы 5 в соседних секциях жаровой трубы выполняют таким образом, чтобы струи воздуха при истечении из них имели тангенциальные составляющие скорости, направленные в противоположные стороны (Фиг.4). За счет увеличения скорости охлаждающего воздуха путем изменения сечения каналов 5, образованных гофрированным краем 4 и гладким краем 3, по длине увеличивают длину зоны охлаждения и длину секций, уменьшая их число в жаровой трубе.

Нагреваясь до температуры 800-900° С, гладкая сторона 3 обечайки 1 секции жаровой трубы, обращенная к горячему газу, расширяется, легко деформируя имеющий относительно низкую жесткость гофр стороны 4 обечайки 2. При этом уровень напряжений на краях 3 и 4 обечаек 1 и 2 невысок. Гофры, омываемые со всех сторон охлаждающим воздухом, имеют температуру примерно на 100° ниже температуры горячей стенки. С учетом высокой податливости гофр повреждения их материала за термоцикл будет незначительным.

Предлагаемая конструкция камеры сгорания существенно улучшает защиту поверхности жаровой трубы и снижает уровень термических напряжений, что повышает ее ресурс. Конструкция отличается высокой технологичностью. Высокая эффективность защиты стенок жаровой трубы позволяет повысить температуру газового потока и связанного с ней КПД двигателя.

Камера сгорания, преимущественно для газотурбинных двигателей и установок, содержит состоящую из секций жаровую трубу. Каждая из секций образована соединенными внахлест кольцевыми обечайками. Одна из сторон каждой обечайки имеет гладкую поверхность, а другая - гофрированную. Гладкая часть предыдущей обечайки соединена с вершинами гофров следующей, образуя каналы для прохождения охлаждающего воздуха, имеющие отношение длины к ширине, большее или равное 1,6, и поперечного сечения гофров. Изобретение позволяет снизить температурные перепады в стенке, приводящие к снижению термических напряжений и увеличению ресурса. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Камера сгорания, преимущественно для газотурбинных двигателей и установок, включающая состоящую из секций жаровую трубу, отличающаяся тем, что каждая из секций образована соединенными внахлест кольцевыми обечайками, причем одна из сторон каждой обечайки имеет гладкую поверхность, а другая - гофрированную, при этом гладкая часть предыдущей обечайки соединена с вершинами гофров следующей, образуя каналы для прохождения охлаждающего воздуха, имеющие отношение длины к ширине больше или равно 1,6.2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что жесткость краев каналов, образованных соединенными внахлест гладким и гофрированным краями обечаек удовлетворяют неравенству:

C₁>>С₂,

где C₁ - жесткость гладкого (горячего) края обечайки при рабочей температуре материала.

С₂ - жесткость гофрированного края следующей обечайки при рабочей температуре гофрированной части.