КАНАЛЫ ВЕНТИЛЯЦИИ НА ОБШИВКЕ СМЕШИВАНИЯ ФОРСАЖНОЙ КАМЕРЫ Российский патент 2009 года по МПК F02K3/10 

Изобретение относится к авиационным газотурбинным двигателям, в частности к авиационным двигателям военного назначения, содержащих форсажные камеры, представляющие диффузор, располагающийся по потоку перед форсажной камерой.

Предлагаемое изобретение относится, в частности, к двухконтурному авиационному турбореактивному двигателю, оборудованному форсажной камерой и содержащему диффузор, располагающийся по потоку перед форсажной камерой и ограниченный обшивкой смешивания потоков, располагающейся внутри кожуха, причем упомянутый кожух и упомянутая обшивка смешивания потоков ограничивают между собой кольцевой канал, предназначенный для движения вторичного так называемого холодного потока, причем передние по потоку инжекторы топлива располагаются на входе в упомянутый диффузор и стабилизаторы пламени располагаются по потоку позади упомянутых топливных инжекторов, а указанная обшивка смешивания потоков, в пространстве между радиальной плоскостью, содержащей упомянутые топливные инжекторы, и радиальной плоскостью, содержащей упомянутые стабилизаторы пламени, имеет двойную кривизну и расширяется в направлении потока с возможностью торможения течения первичного газового потока позади упомянутых топливных инжекторов.

Турбореактивный двигатель данного типа, содержащий короткий диффузор между топливными инжекторами и стабилизаторами пламени, характеризуется небольшой степенью двухконтурности на его заднем виде. Вторичный газовый поток служит, в частности, для охлаждения деталей, располагающихся по потоку позади топливных инжекторов, и должен быть разумно использован для этой цели.

И наоборот, первичный газовый поток, выходящий из турбины низкого давления, имеет высокий расход. Именно этот первичный поток главным образом определяет характеристики двигателя. Вследствие этого первичный поток должен иметь минимальные потери напора и должен быть возможно более однородным по температуре и по скорости движения. Для этого диффузор форсажной камеры, образованный обшивкой смешивания потоков, имеет целью затормозить первичный поток перед стабилизаторами пламени и упорядочить его таким образом, чтобы позади данных стабилизаторов пламени он занял весь объем форсажной камеры. Эта функция, называемая функцией рассеивания, поскольку она сопровождается повышением статического давления, должна выполняться без формирования неприемлемых в данном случае вихрей вдоль канала, поскольку указанные вихри или рециркуляции газа являются генераторами потерь, создающих опасность возникновения самовоспламенения топлива, поступающего из располагающихся спереди по потоку инжекторов.

В форсажных камерах с высокой степенью двухконтурности первичный газовый поток и часть вторичного потока газов соединяются для их смешивания. И наоборот, в том случае, когда степень двухконтурности является небольшой, доля вторичного газового потока, используемая для смешивания позади обшивки смешивания, уменьшается после того, как поток воздуха, необходимый для вентиляции, уже был отобран. Таким образом, обшивка смешивания должна расширяться для того, чтобы первичный газовый поток занял всю высоту форсажной камеры. Если обшивка смешивания имеет плохо адаптированную форму, возникает рециркуляция газов в непосредственной близости от указанной обшивки в пространстве между плоскостью топливных инжекторов и плоскостью стабилизаторов пламени. Указанная рециркуляция газов развивается тем более интенсивно в том случае, когда вращательное движение газов на выходе из турбины низкого давления является интенсивным.

Таким образом, опасность рециркуляции проявляется в непосредственной близости от сильно рассеивающей обшивки смешивания и в случае интенсивного вращательного движения первичного газового потока. Указанная рециркуляция прогнозируется при помощи трехмерного численного моделирования течения газового потока. Она появляется в первичном газовом потоке на уровне вогнутой кривой смешивания, которая при этом образует нишу, благоприятную для создания кармана рециркуляции.

Кроме того, имеют место слишком высокая температура и избыточные термические градиенты в месте соединения участка с выпуклой кривой и участка с вогнутой кривой обшивки смешивания. Указанные значительные термические градиенты возникают вследствие конвекции при наличии холодного вторичного потока, который обдувает наружную поверхность обшивки, и горячего первичного потока, который обдувает ее внутреннюю поверхность.

Для устранения указанных вихрей можно, очевидно, изменить геометрическую форму обшивки смешивания, удлиняя диффузор в осевом направлении, но такое техническое решение увеличивает габаритные размеры двигателя.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы уменьшить опасность возникновения рециркуляции и уменьшить градиенты температуры без изменения геометрической формы и длины диффузора.

Данная задача решается в соответствии с предлагаемым изобретением за счет того, что вокруг переднего по потоку участка упомянутой обшивки смешивания предусмотрен кольцевой ковшовый заборник для того, чтобы отбирать некоторый расход воздуха в холодном потоке при помощи множества каналов, выполненных в стенке обшивки смешивания между указанным ковшовым заборником и упомянутым диффузором.

Указанные каналы позволяют, с одной стороны, охладить обшивку смешивания за счет конвекции, а с другой стороны, создать воздушный слой охлаждения вдоль обшивки смешивания, подвергающейся воздействию теплового излучения от пламени в форсажной камере. Это позволяет понизить температуру конструкции, что приводит, кроме того, к снижению внешнего инфракрасного излучения твердых частей донной части камеры. Осевое движение охлаждающего воздуха вдоль стенки обшивки смешивания позволяет, кроме того, освободиться от вихревых возмущений в этой зоне.

Вентиляционные каналы, открывающиеся по окружности в вихревой след топливных инжекторов, предпочтительно должны иметь поперечное сечение, существенно превышающее поперечное сечение других вентиляционных каналов.

Более значительный расход воздуха, поступающий из более широких каналов, позволяет сдувать зоны рециркуляции.

Целесообразно, чтобы ковшовый заборник был ограничен изнутри обечайкой, охватывающей переднее по потоку сечение диффузора и ограничен снаружи передней по потоку частью обшивки смешивания, которая образует позади упомянутой обечайки среднюю зону и заднюю зону указанной обшивки смешивания, охлаждаемые расходом воздуха, поступающим через упомянутые каналы.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на фигуры сопровождающих чертежей, в числе которых:

Фиг.1 изображает вид в половинном разрезе по плоскости, содержащей ось симметрии, передней по потоку области задней части авиационного турбореактивного двигателя в соответствии с предлагаемым изобретением, оборудованной диффузором, размещенным перед форсажной камерой;

Фиг.2 - вид в перспективе внутренней обечайки, ограничивающей переднее по потоку сечение упомянутого диффузора.

На фиг.1 схематически представлена обозначенная позицией 1 передняя по потоку область задней части авиационного турбореактивного двигателя с осью вращения Х, содержащая диффузор 2, располагающийся по потоку позади турбины низкого давления и перед форсажной камерой.

Диффузор 2 ограничен обшивкой смешивания 3, располагающейся в радиальном направлении внутри кожуха 4, причем между кожухом 4 и обшивкой смешивания 3 расположен кольцевой канал 5, по которому движется холодный вторичный поток F2.

На переднем по потоку конце диффузора 2 установлены радиальные топливные инжекторы 6 или так называемые передние топливные инжекторы, которые обеспечивают в форсажном режиме функционирования двигателя некоторый расход топлива в первичный горячий поток F1 газов, поступающий в диффузор 2. В плоскости, перпендикулярной оси Х и располагающейся по потоку позади упомянутых передних топливных инжекторов 6, установлены радиальные стабилизаторы пламени 7, чередующиеся, в окружном направлении, с передними топливными инжекторами 6 в меридиональных плоскостях. Указанные стабилизаторы пламени 7 оборудованы также топливными инжекторами 8 или так называемыми задними топливными инжекторами. Позицией 9 обозначен кольцевой, относительно оси Х, стабилизатор пламени, располагающийся на конце радиальных стабилизаторов пламени 7.

Как показано на фиг.1, обшивка смешивания 3 существенно расширяется в направлении по потоку между областью размещения передних топливных инжекторов 6 и задней частью стабилизаторов пламени 7 для того, чтобы скорость движения первичного горячего потока F1 газов была уменьшена на уровне указанных топливных инжекторов 7. Обшивка смешивания 3 имеет двойную кривизну, на виде изнутри диффузора и в направлении оси Х, а именно, выпуклую кривизну в передней по потоку области и вогнутую кривизну в задней по потоку области.

Цель предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы, с одной стороны, обеспечить интенсивное охлаждение обшивки смешивания 3 в ее средней зоне и в ее задней по потоку зоне, которые подвергаются воздействию высоких температур, имеющих место в диффузоре 2 в процессе функционирования данного двигателя, и вдоль которых могут возникать области рециркуляции, генерирующие интенсивные тепловые потоки.

В соответствии с предлагаемым изобретением указанные средняя и задняя области обшивки смешивания подвергаются охлаждению при помощи потока F3 воздуха, отобранного из вторичного холодного потока F2 воздуха посредством ковшового заборника 11, охватывающего внутреннее переднее продолжение 10а обшивки смешивания 3 над и позади передних топливных инжекторов 6, и подаваемого тангенциально по отношению к внутренней поверхности упомянутой обшивки 3 в первичный горячий поток F1 газов при помощи каналов 12, выполненных в стенке обшивки смешивания между внутренней поверхностью ковшового заборника 11 и диффузором 2.

Ковшовый заборник 11 согласно предпочтительному варианту осуществления ограничивается изнутри при помощи обечайки 10а, охватывающей переднее по потоку сечение диффузора 2, и ограничивается снаружи передней по потоку частью 13 обшивки смешивания, которая образует позади обечайки 10а среднюю зону и заднюю зону обшивки смешивания 3, которые охлаждаются при помощи потока F3 воздуха, подаваемого через каналы 12. Указанная передняя по потоку часть 13 обшивки смешивания содержит отверстия, сквозь которые с некоторым зазором проходят трубки вентиляции 17, защищающие передние топливные инжекторы 6 для обеспечения возможности введения некоторой части вторичного холодного потока F2 в ковшовый заборник 11. Обечайка 10а и передняя по потоку часть 13 обшивки смешивания представляют в задней по потоку части осевые зоны соединения 14а и 14b, на поверхности раздела между которыми выполнены упомянутые каналы 12.

На фиг.2 схематически представлена обечайка 10а. Каналы 12 выполнены на наружной поверхности задней части 14а указанной обечайки. Позицией 15 обозначено отверстие, сквозь которое проходит трубка вентиляции 17 переднего топливного инжектора 6. На фиг.2 можно видеть, что каналы 12 сформированы при помощи осевых канавок и распределены на две группы.

В вихревом следе передних топливных инжекторов 6 предусмотрены канавки 16 относительно большой ширины, которые позволяют подвести значительный поток воздуха вентиляции в диффузор 2 для того, чтобы сдувать возможные области рециркуляции, которая может возникнуть позади передних топливных инжекторов 6.

За пределами этих вихревых следов передних топливных инжекторов каналы 12 служат главным образом для охлаждения путем конвекции стенок обшивки смешивания 3 в этой зоне и для формирования слоя охлаждения на внутренней стенке упомянутой обшивки 3 позади этой зоны. Вследствие этого упомянутые каналы имеют относительно небольшое поперечное сечение.

Каналы 12 и эти канавки 16 выполнены путем механической обработки зоны соединения 14а обечайки 10а перед ее закреплением на соединительной зоне 14b обшивки смешивания 3.

Каналы 12 позволяют обеспечить интенсивное охлаждение стенки обшивки смешивания 3 и обечайки 10а в зонах, подвергающихся воздействию высоких температур.

Авиационный газотурбинный двигатель содержит диффузор, размещенный перед форсажной камерой и ограниченный трубчатой стенкой, именуемой обшивкой смешивания потоков, располагающейся внутри кожуха. Между кожухом и трубчатой стенкой предусмотрен кольцевой канал, предназначенный для движения вторичного холодного потока. Передние по потоку топливные инжекторы расположены на входе в диффузор. Позади передних инжекторов расположены стабилизаторы пламени. Трубчатая стенка потоков имеет двойную кривизну между радиальной плоскостью, содержащей передние топливные инжекторы, и радиальной плоскостью, располагающейся позади стабилизаторов пламени, и расширяется назад по потоку с возможностью торможения течения первичного газового потока F1 позади передних топливных инжекторов. Вокруг переднего по потоку участка трубчатой стенки диффузора предусмотрен кольцевой ковшовый заборник для отбора приточного воздуха в указанном кольцевом канале. В трубчатой стенке предусмотрены распределенные по окружности каналы, размещенные между находящимся выше по потоку концом ковша заборника и диффузором, внутри которого они выходят. Каналы проходят и выходят тангенциально к внутренней поверхности стенки диффузора, простирающейся между расположенными выше по потоку инжекторами и стабилизаторами пламени. Изобретение направлено на повышение эффективности охлаждения трубчатой стенки. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Авиационный газотурбинный двигатель, содержащий диффузор (2), размещенный перед форсажной камерой и ограниченный трубчатой стенкой (3), именуемой обшивкой смешивания потоков, располагающейся внутри кожуха (4), причем между упомянутым кожухом и упомянутой трубчатой стенкой предусмотрен кольцевой канал (5), предназначенный для движения вторичного холодного потока, передние по потоку топливные инжекторы (6), располагаемые на входе в упомянутый диффузор (2), и стабилизаторы пламени (7), располагаемые по потоку позади упомянутых передних инжекторов (6), при этом указанная трубчатая стенка (3) имеет двойную кривизну между радиальной плоскостью, содержащей упомянутые передние топливные инжекторы (6), и радиальной плоскостью, располагающейся позади упомянутых стабилизаторов пламени (7), и расширяется назад по потоку с возможностью торможения течения первичного газового потока F1 позади упомянутых передних топливных инжекторов (6), отличающийся тем, что вокруг переднего по потоку участка (10а) упомянутой трубчатой стенки (3) указанного диффузора предусмотрен кольцевой ковшовый заборник (11) для отбора приточного воздуха в указанном кольцевом канале (5), причем в стенке (3) или обшивке смешивания потоков предусмотрены распределенные по окружности каналы (12), размещенные между находящимся выше по потоку концом ковша заборника (11) и диффузором (2), внутрь которого они выходят, причем указанные каналы проходят и выходят тангенциально к внутренней поверхности стенки указанного диффузора, на участке стенки диффузора, простирающейся между расположенными выше по потоку инжекторами и стабилизаторами пламени.2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что каналы (16), открывающиеся по окружности в вихревом следе топливных инжекторов, имеют поперечное сечение, существенно превышающее поперечное сечение других каналов (12).3. Газотурбинный двигатель по п.2, отличающийся тем, что ковшовый заборник (11) ограничен изнутри обечайкой (10а), охватывающей переднее по потоку сечение диффузора (2), и ограничен снаружи передней по потоку частью (13) обшивки смешивания, которая образует позади упомянутой обечайки (10а) среднюю зону и заднюю зону стенки (3) диффузора, охлаждаемые потоком (F3) воздуха, поступающим через упомянутые каналы (12, 16).4. Газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что обечайка (10а) и передняя по потоку часть (13) обшивки смешивания формируют позади зон соединения (14а, 14b) каналы (12, 16), выполненные на поверхности раздела упомянутых зон соединения (14а, 14b).5. Газотурбинный двигатель по п.4, отличающийся тем, что каналы (12, 16) выполнены на наружной поверхности обечайки (10а).