ФОРСАЖНАЯ КАМЕРА ДВУХКОНТУРНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F02K3/10 

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности, к форсажным камерам двухконтурных газотурбинных двигателей.

Известна форсажная камера двухконтурного газотурбинного двигателя, описанная в патенте США №3.485.045 "Форсажная камера двухконтурного газотурбинного двигателя", М.кл.: F02C 3/00, от 23.10.69. Данная камера содержит затурбинный и вентиляторный входные каналы, кольцевую разделительную обечайку между ними, корпус с теплозащитным экраном, коллекторы топливных форсунок и стабилизатор пламени, расположенные в полости корпуса. Участок полости корпуса до места установки коллекторов и стабилизатора представляет собой смесительный диффузор. Назначение диффузора состоит в обеспечении частичного смешения потока относительно холодного воздуха из вентиляторного канала с потоком высокотемпературного газа из затурбинного канала с целью улучшения характеристик горения. Кроме того, диффузор позволяет затормозить смешивающиеся потоки для уменьшения потерь полного давления при обтекании ими стабилизатора пламени.

Недостатком данной конструкции камеры является ее большая длина (и соответственно масса), поскольку камера включает достаточно длинный смесительный диффузор. Потоки вентиляторного воздуха и затурбинного газа сначала тормозятся в рассматриваемом диффузоре, а после него ускоряются снова при обтекании стабилизатора пламени, установленного на выходе из диффузора. Торможение потоков и их последующее ускорение, естественно, сопряжены с потерями полного давления потоков. Следующий недостаток - расположение теплозащитного экрана в конце смесительного диффузора, вследствие чего в канал между экраном и корпусом может попадать высокотемпературный газ из затурбинного канала, что снижает эффективность охлаждения корпуса. Кроме того, в данной конструкции практически невозможно организовать охлаждение элементов стабилизатора и топливных коллекторов, находящихся в высокотемпературном потоке затурбинного газа, воздухом из вентиляторного канала, т.к. коллекторы и стабилизатор находятся на большом расстоянии от выходного сечения указанного канала.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой форсажной камере является камера, описанная в патенте Великобритании №1.127.651 "Стабилизатор пламени для форсажной камеры двухконтурного газотурбинного двигателя", М.кл.F 1 L, от 1.4.66. Данная камера содержит затурбинный и вентиляторный входные каналы, кольцевую разделительную обечайку между ними, центральное тело, стойки, соединяющие центральное тело с разделительной обечайкой, корпус с теплозащитным экраном, коллекторы топливных форсунок и радиально-кольцевой стабилизатор пламени в полости корпуса.

Несмотря на то, что расстояние между торцом разделительной обечайки и стабилизатором сравнительно небольшое, т.е. смесительный диффузор выполнен коротким с малой степенью смешения потоков, площади характерных поперечных сечений (проточная часть) выбираются в данной камере по общепринятой схеме. Площадь входного сечения камеры, т.н. сечения смешения - по торцу разделительной обечайки - определяется из соотношения

F_см=(μ F)₁+(μ F)₂+F_цт, (1)

где площади потоков на выходе из затурбинного и вентиляторного каналов, т.е. в сечении смешения, (μ F)₁ и (μ F)₂, задаются из расчета двигателя, а площадь центрального тела в указанном сечении, F_цт, получается в процессе профилирования этого тела из условия безотрывного течения в затурбинном входном канале. Площадь миделя форсажной камеры, достигаемая на выходе из смесительного диффузора, выбирается по соотношению

F_м≥_{(μ F)1+(μ F)2+Fст, (2)}

где F_ст - площадь стабилизатора пламени в проекции на миделевое сечение. Величина F_ст выбирается в диапазоне

F_ст/F_м=0,3...0,4. (3)

В смесительном диффузоре потоки вентиляторного воздуха и затурбинного газа тормозятся. Степень торможения приблизительно равна степени расширения диффузора

После диффузора потоки разгоняются снова при обтекании ими стабилизатора пламени (размещаемого в миделе камеры) с достижением наибольшей скорости в сечении кромок стабилизатора. Степень ускорения, т.е. степень конфузорности течения в стабилизаторе пламени, определяется соотношением

Сравнивая соотношения (5) и (4), можно видеть, что степень торможения в смесительном диффузоре приблизительно равна степени последующего ускорения в стабилизаторе пламени. Это означает, что скорость потоков в сечении кромок стабилизатора пламени, представляющая собой параметр, который лимитирует процесс сжигания топлива в камере, получается, в первом приближении, той же, что и скорость в сечении смешения (т.е на выходе из затурбинного и вентиляторного каналов), площадь которого равна сумме живых сечений потоков (μ F)₁ и (μ F)₂, задаваемых из расчета двигателя. Между этими двумя характерными сечениями имеет место промежуточное торможение потоков, организация которого требует добавочной длины.

Таким образом, в данной камере имеет место промежуточное торможение потока, не вызываемое потребностями организации рабочего процесса, которое требует добавочной длины, т.е. увеличивает массу камеры и потери полного давления в ней.

Настоящим изобретением решается задача минимизации длины и массы форсажной камеры при одновременном снижении потерь полного давления и повышении эффективности охлаждения элементов конструкции.

Поставленная задача достигается тем, что в форсажной камере двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащей затурбинный и вентиляторный входные каналы, кольцевую разделительную обечайку между ними, центральное тело, стойки, соединяющие центральное тело с разделительной обечайкой, корпус с теплозащитным экраном, стабилизатор пламени и коллекторы топливных форсунок, стабилизатор пламени установлен в торце разделительной обечайки, а коллекторы топливных форсунок расположены в затурбинном и вентиляторном входных каналах перед стабилизатором пламени.

На фиг.1 схематически изображен продольный разрез головной части форсажной камеры двухконтурного газотурбинного двигателя со стабилизатором пламени в торце разделительной обечайки и коллекторами топливных форсунок во входных каналах, на фиг.2 - вид на стабилизатор и на топливные коллекторы в поперечном сечении камеры, на фиг.3 - вид стойки в поперечном сечении.

Предлагаемая форсажная камера двухконтурного газотурбинного двигателя состоит из входного затурбинного канала 1, входного вентиляторного канала 2, кольцевой обечайки 3, разделяющей входные каналы 1 и 2, центральное тело 4, стойки 5, соединяющие центральное тело 4 с разделительной обечайкой 3, корпуса 6 с теплозащитным экраном 7, коллекторов 8 и 9 топливных форсунок и стабилизатора 10. Стабилизатор 10 расположен в торце разделительной обечайки 3, по крайней мере один топливный коллектор 8 установлен в затурбинном канале 1 и по крайней мере один топливный коллектор 9 - в вентиляторном канале 2 перед стабилизатором 10.

Течение воздуха (газа) и сжигание топлива в предлагаемой форсажной камере организованы иначе, чем в известных форсажных камерах двухконтурных газотурбинных двигателей. Так как стабилизатор 10 установлен в предлагаемой камере в торец разделительной обечайки 3, т.е. непосредственно в сечение смешения, то площадь этого сечения смешения определяется не по обычному соотношению (1), а по соотношению

F_см=(μ F)₁+(μ F)₂+F_ст+F_цт. (6)

Таким образом, расчетные скорости потоков, соответствующие заданным площадям (μ F)₁ и (μ F)₂, реализуются непосредственно на кромках стабилизатора 10, промежуточное торможение потоков и требующийся для него смесительный диффузор отсутствуют. Топливо подается перед стабилизатором 10 коллекторами 8 и 9 в затурбинный и вентиляторные входные каналы 1 и 2. Воспламенение топлива (источником зажигания любого типа) осуществляется в циркуляционной зоне потока за стабилизатором 10. В этой зоне происходит также смешение воздуха из вентиляторного канала 2 и высокотемпературного газа из затурбинного канала 1, что способствует устойчивому и эффективному сжиганию воспламененного топлива и является эквивалентом частичного смешения вентиляторного воздуха и затурбинного газа, которое в известных форсажных камерах обеспечивается смесительным диффузором. Теплозащитный экран 7 установлен как и в обычных форсажных камерах, перед топливным коллектором 8, что в данной камере гарантирует отбор в канал между экраном 7 и корпусом камеры 6 только "холодного" вентиляторного воздуха, Этим гарантируется повышение эффективности охлаждения экрана 7, предохраняющего корпус 6 от контакта с высокотемпературными продуктами горения, распространяющимися от стабилизатора 10 пламени на весь поток топливно-воздушной смеси, формируемой коллекторами 8 и 9 в форсажной камере. Предлагаемое расположение стабилизатора 10 в торце разделительной обечайки 3, а топливных коллекторов 8 и 9 во входных каналах 1 и 2 создает возможность организовать охлаждение вентиляторным воздухом коллекторов 8 и 9 и элементов стабилизатора 10, контактирующих с высокотемпературным газом.

Предлагаемая форсажная камера двухконтурного газотурбинного двигателя обеспечивает минимизацию длины и массы, снижение потерь полного давления, повышение эффективности охлаждения элементов конструкции. Это позволяет улучшить основные данные двухконтурного газотурбинного двигателя, а при установке такого двигателя на летательный аппарат - повысить летно-тактические характеристики аппарата.

Форсажная камера двухконтурного газотурбинного двигателя содержит затурбинный и вентиляторный входные каналы, разделительную кольцевую обечайку между ними, центральное тело, стойки, соединяющие центральное тело с разделительной обечайкой, корпус с теплозащитным экраном, коллекторы топливных форсунок и стабилизатор пламени. Стабилизатор пламени установлен в торце разделительной обечайки. Коллекторы топливных форсунок расположены в затурбинном и вентиляторном входных каналах перед стабилизатором пламени. Изобретение позволяет минимизировать длину и массу форсажной камеры сгорания при одновременном снижении потерь полного давления и повысить эффективность охлаждения элементов конструкции. 3 ил.

Форсажная камера двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащая затурбинный и вентиляторный входные каналы, разделительную кольцевую обечайку между ними, центральное тело, стойки, соединяющие центральное тело с разделительной обечайкой, корпус с теплозащитным экраном, коллекторы топливных форсунок и стабилизатор пламени, отличающаяся тем, что стабилизатор пламени установлен в торце разделительной обечайки, а коллекторы топливных форсунок расположены в затурбинном и вентиляторном входных каналах перед стабилизатором пламени.