ФРОНТОВОЕ УСТРОЙСТВО КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2008 года по МПК F23R3/16 

Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей и может найти применение в турбомашиностроении, с частности в авиадвигателестроении.

Известно фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, 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 завихригелей [FR 2103621, F02C 7/00, опубл. 14.04.1972 г.].

Недостатком такого фронтового устройства является перегрев и прогар патрубков при работе камеры сгорания, что приводит к короблению и отложению нагара вследствие ухудшения работы системы охлаждения. Это связано с недостаточно эффективным охлаждением внешних и внутренних угловых зон трапециевидных участков патрубков.

Из известных устройств наиболее близким к предложенному является фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащее внутренние патрубки с входным цилиндрическим участком и выходным трапециевидным участком с оребренной наружной поверхностью, наружные коаксиальные им 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 завихригелей, причем в наружном трапециевидном патрубке выполнены отверстия [RU 2210033, F23R 3/16, опубл. 10.08.2003 г.].

Наличие ребер на внутренних патрубках повышает эффективность их охлаждения благодаря увеличению охлаждаемой поверхности. Однако это не устраняет полностью указанных недостатков и не обеспечивает достаточной эффективности охлаждения патрубков и стенок фронтового устройства на выходе из трапециевидных участков патрубков.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности охлаждения и предупреждение образования нагара на фронтовом устройстве кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, а также увеличение жесткости конструкции фронтового устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что во фронтовом устройстве кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащем внутренние патрубки в поперечном сечении выполненные с входным цилиндрическим участком и выходным трапециевидным участком с оребренной наружной поверхностью, наружные коаксиальные им патрубки, образующие с поверхностью внутренних патрубков полости, ограниченные соседними ребрами, лопаточные воздушные завихрители, размещенные на входе в цилиндрические участки внутренних патрубков, и топливные форсунки, установленные во втулках завихрителей, в наружных патрубках выполнены отверстия, при этом, по меньшей мере, часть отверстий выполнена в форме щели, которые размещены с относительным шагом:

h/l=2,0÷4,0,

где h - шаг между отверстиями, выполненными в форме щели;

l - длина отверстия, выполненного в форме щели, причем отверстия, выполненные в форме щели, имеют площадь большую, чем суммарная площадь отверстий, размещенных между отверстиями, выполненными в форме щели.

Такое выполнение фронтового устройства кольцевой камеры сгорания позволяет получить пропорциональное проходным сечениям полостей распределение воздуха и тем самым оптимизировать охлаждение всего патрубка.

При этом площадь отверстия, выполненного в форме щели, может относится к суммарной площади отверстий с учетом следующего соотношения:

F_щел/F_отв=1,6÷2,2,

где F_щел - площадь отверстия, выполненного в форме щели,

F_отв - суммарная площадь отверстий, размещенных между отверстиями, выполненными в форме щели.

Причем высота ребер в поперечном сечении во входных и выходных участках соответственно может изменяться в следующих пределах:

Н_вх/Н_вых=0,95÷1,5,

где Н_вх - высота ребер во входных участках в поперечном сечении;

Н_вых - высота ребер в выходных участках в поперечном сечении, что позволяет увеличить жесткость конструкции фронтового устройства.

При этом площади сечения оребренных полостей по длине патрубков могут изменяться в пределах:

F_вх/F_вых=0,8÷1,6,

где F_вх - площадь поперечного сечения полости патрубка на входе;

F_вых - площадь поперечного сечения полости патрубка на выходе.

Такое выполнение полостей позволяет эффективно охлаждать фронтовое устройство и препятствует образованию нагара. Данные пределы выбраны таким образом, что скорость воздуха на выходе из полостей внешней и внутренней срединных зон патрубка максимальна, что позволяет эффективно охлаждать наружный патрубок и препятствовать образованию нагара, а скорость воздуха на выходе из полостей во внешних и внутренних угловых зонах патрубка минимальна, что позволяет уменьшить отрицательное влияние вдуваемого охлаждающего воздуха на процесс горения и переброса пламени в кольцевой камере сгорания при запуске.

На фиг.1 показан продольный разрез фронтового устройства кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя;

на фиг.2 - поперечное сечение А-А наружного патрубка;

на фиг.3 - поперечное сечение Б-Б внутреннего оребренного патрубка;

на фиг.4 - вид В на фронтовое устройство со стороны жаровой трубы.

Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит внутренние патрубки 1, в поперечном сечении выполненные с входным цилиндрическим 2 участком и выходным трапециевидным 3 участком, на наружной поверхности которого выполнены ребра 4, и наружные коаксиальные им патрубки 5, образующие с поверхностью внутренних патрубков 1 полости 6, ограниченные соседними ребрами 4.

В наружных патрубках 5 выполнены отверстия 7, причем, по меньшей мере, часть отверстий имеет форму щели 8 для подвода охлаждающего воздуха в полости 6 (см. фиг.2).

Фронтовое устройство также содержит лопаточные воздушные завихрители 9, размещенные на входе в цилиндрические 2 участки внутренних патрубков 1, и топливные форсунки 10, установленные во втулках 11 завихрителей 9.

Отверстия, выполненные в форме щели, размещены с относительным шагом:

h/l=2,0÷4,0,

где h - шаг между отверстиями, выполненными в форме щели (за шаг принимается расстояние от центра одной щели до центра соседней щели);

l - длина отверстия, выполненного в форме щели;

причем отверстия, выполненные в форме щели имеют площадь большую, чем суммарная площадь отверстий, размещенных между отверстиями, выполненными в форме щели.

Данный выбор диапазона обусловлен тем, что при соотношениях h/l<2,0 и h/l>4,0 нарушается заданное оптимальное, пропорциональное проходным площадям распределение охлаждающего воздуха по угловым и центральным зонам патрубка. В первом случае в центральные зоны будет подаваться завышенное количество воздуха, во втором - в угловые зоны поступит заниженное количество воздуха, что приведет к падению эффективности охлаждения патрубков.

При этом отношение площади отверстия, выполненного в форме щели, к суммарной площади отверстий может быть выбрано с учетом следующего соотношения:

F_щел/F_отв=1,6÷2,2,

где F_щел - площадь отверстия, выполненного в форме щели,

F_отв - суммарная площадь отверстий, размещенных между отверстиями, выполненными в форме щели.

При этом высота ребер в поперечном сечении во входных и выходных участках соответственно может меняться в пределах:

Н_вх/Н_вых=0,95÷1,5,

где Н_вх - высота ребер во входных участках в поперечном сечении;

Н_вых - высота ребер в выходных участках в поперечном сечении.

Причем площади сечения оребренных полостей по длине патрубков могут меняться в пределах:

F_вх/F_вых=0,8÷1,6,

где F_вх - площадь поперечного сечения полости патрубка на входе;

F_вых - площадь поперечного сечения полости патрубка на выходе.

Наружные патрубки 5 соединены с фронтальной стенкой 12, которая совместно с наружной 13 и внутренней 14 стенками образует головную часть жаровой трубы камеры сгорания.

При работе камеры сгорания воздух проходит через завихрители 9 и, получив вращение, попадает во внутренние патрубки 1 фронтового устройства, где он смешивается с топливом, подаваемым форсунками 10, и на выходе из патрубков образует зону обратных токов, в которой происходит сгорание топлива.

Воздух через отверстия 7 и щели 8 попадает в полости 6 трапециевидного участка внутреннего патрубка 1, имеющего ребра 4, охлаждает его и, вытекая из полостей 6, образует на внутренней поверхности трапециевидных патрубков 5 и фронтальной стенки 12 защитную воздушную пленку, предохраняющую их от воздействия горячих газов.

Приведем примеры конкретного выполнения фронтового устройства кольцевой камеры сгорания.

Пример 1. Рассмотрим фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания, у которого на диаметре 45,9 мм наружного патрубка (d_н=45,9 мм) расположены отверстия, выполненные в форме щели, шаг между которыми равен h=90°, а длина отверстия соответствует длине окружности с диаметром 45,9 мм, пропорциональной величине центрального угла в 35°, т.е. l=35°. Между щелями размещено 3 круглых отверстия.

h/l=2,57; 2,0<2,57<4,0, данное соотношение входит в заявленный диапазон.

Такое выполнение фронтового устройства позволяет получить пропорциональное проходным сечениям полостей распределение воздуха и тем самым оптимизировать охлаждение всего патрубка.

Пример 2. Рассмотрим фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания, у которого на диаметре 45,9 мм наружного патрубка (d_н=45,9 мм) расположены отверстия, выполненные в форме щели, шаг между которыми равен h=90°, а длина отверстия соответствует длине окружности с диаметром 45,9 мм, пропорциональной величине центрального угла в 50°, т.е. l=50°. Между щелями размещено только 2 круглых отверстия.

h/l=1,8; 2,0<1,8<4,0, данное соотношение не входит в заявленный диапазон.

Такое выполнение фронтового устройства не позволяет получить пропорциональное проходным сечениям полостей распределение воздуха, поскольку в центральные зоны будет подаваться завышенное количество воздуха.

Пример 3. Рассмотрим фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания, у которого на диаметре 45,9 мм наружного патрубка (d_н=45,9 мм) расположены отверстия, выполненные в форме щели, шаг между которыми равен h=90°, а длина отверстия соответствует длине окружности с диаметром 45,9 мм, пропорциональной величине центрального угла в 20°, т.е. l=20°. Между щелями размещено 5 круглых отверстий.

h/l=4,5; 2,0<4,5<4,0, данное соотношение входит в заявленный диапазон.

Такое выполнение фронтового устройства не позволяет получить пропорциональное проходным сечениям полостей распределение воздуха, поскольку в угловые зоны поступит заниженное количество воздуха, что приведет к падению эффективности охлаждения патрубков.

Таким образом, как видно из приведенных выше примеров, только при заявленных параметрах возможно повышение эффективности охлаждения и предупреждение образования нагара на фронтовом устройстве кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, а также увеличение жесткости конструкции фронтового устройства, что способствует увеличению надежности и ресурса камеры сгорания и двигателя в целом.

Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит внутренние патрубки, наружные коаксиальные им патрубки, лопаточные воздушные завихрители, размещенные на входе в цилиндрические участки внутренних патрубков, и топливные форсунки, установленные во втулках завихрителей. Внутренние патрубки в поперечном сечении выполнены с входным цилиндрическим участком и выходным трапециевидным участком с оребренной наружной поверхностью. Наружные патрубки образуют с поверхностью внутренних патрубков полости, ограниченные соседними ребрами. В наружных патрубках выполнены отверстия, по меньшей мере, часть которых выполнена в форме щели, которые размещены с относительным шагом, равным 2,0÷4,0 длины отверстия, выполненного в форме щели. Отверстия, выполненные в форме щели, имеют площадь большую, чем суммарная площадь отверстий, размещенных между отверстиями, выполненными в форме щели. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения и предупреждение образования нагара на фронтовом устройстве кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, а также увеличение жесткости конструкции фронтового устройства. 3 з.п. ф-лы, 4 ил

1. Фронтовое устройство кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащее внутренние патрубки, в поперечном сечении выполненные с входным цилиндрическим участком и выходным трапециевидным участком с оребренной наружной поверхностью, наружные коаксиальные им патрубки, образующие с поверхностью внутренних патрубков полости, ограниченные соседними ребрами, лопаточные воздушные завихрители, размещенные на входе в цилиндрические участки внутренних патрубков, и топливные форсунки, установленные во втулках завихрителей, при этом в наружных патрубках выполнены отверстия, отличающееся тем, что, по меньшей мере, часть отверстий выполнена в форме щели, которые размещены с относительным шагом:

h/l=2,0÷4,0,

где h - шаг между отверстиями, выполненными в форме щели;

l - длина отверстия, выполненного в форме щели,

причем отверстия, выполненные в форме щели, имеют площадь большую, чем суммарная площадь отверстий, размещенных между отверстиями, выполненными в форме щели.

F_щел/F_отв=1,6÷2,2,

где F_щел - площадь отверстия, выполненного в форме щели,

F_отв - суммарная площадь отверстий, размещенных между отверстиями, выполненными в форме щели.

Н_вх/Н_вых=0,95÷1,5,

где Н_вх - высота ребер во входных участках в поперечном сечении;

Н_вых - высота ребер в выходных участках в поперечном сечении.

F_вх/F_вых=0,8÷1,6,

где F_вх - площадь поперечного сечения полости патрубка на входе;

F_вых - площадь поперечного сечения полости патрубка на выходе.