ДНО КАМЕРЫ СГОРАНИЯ С ВЕНТИЛЯЦИЕЙ Российский патент 2011 года по МПК F23R3/16 F23R3/60 

Настоящее изобретение относится к области камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей.

В частности, изобретение относится к области камер сгорания газотурбинных двигателей, содержащих дно камеры, в котором установлены несколько устройств подачи воздуха и впрыска топлива, при этом каждое из упомянутых устройств содержит установленные вдоль главной оси отражатель, образующий теплозащитный экран, расположенный вокруг упомянутого котелка, при этом упомянутый котелок расширяется в направлении потока газов и содержит кольцевую часть, а поверхность раздела между упомянутым котелком и упомянутым отражателем находится на упомянутой кольцевой части.

В камере сгорания газотурбинного двигателя между топливом и кислородом воздуха происходит реакция горения. В результате горения образуются горячие газы, выталкиваемые с высокой скоростью, которые, расширяясь, создают тягу. Обычно камеру сгорания выполняют кольцевой и оборудуют по ее окружности несколькими устройствами впрыска топлива, установленными в круглых отверстиях в дне камеры. Каждое устройство открывается в камеру сгорания на конце, называемом котелком и имеющем геометрическую форму котелка, расширяющегося в направлении потока газов, при этом воздух непрерывно поступает в камеру сгорания и смешивается с впрыскиваемым топливом. Дно камеры, находящееся в непосредственной близости от устройств впрыска, подвергается воздействию повышенных температур. Поэтому вокруг периферии каждого котелка дно камеры оборудуют отражателем, защищающим дно камеры от повышенных температур, как правило, за счет создания изолирующего воздушного слоя между отражателем и дном камеры. Для улучшения изолирующей способности этого воздушного слоя обычно в отражателе и/или дне камеры выполняют отверстия, находящиеся вблизи окружности котелка, чтобы поддерживать в этом слое циркуляцию более холодного воздуха, поступающего снаружи камеры сгорания.

В некоторых конфигурациях камер сгорания котелок содержит кольцевую часть, на которой крепят основание отражателя, при этом другая часть отражателя является плоской частью, перпендикулярной к главной оси котелка и находящейся за дном камеры. Однако эта поверхность раздела между кольцевой частью котелка и основанием отражателя способствует нежелательному нагреванию дна камеры за счет проводимости через границу раздела.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Задачей настоящего изобретения является также разработка камеры сгорания, кольцевая часть котелка которой и отражатель имеют геометрическую форму, позволяющую в достаточной степени охлаждать дно камеры и поддерживать температуру дна ниже критического значения во время работы камеры сгорания.

Указанная задача решается тем, что, по меньшей мере, часть поверхности раздела между кольцевой частью котелка и отражателем ориентирована в сторону переднего конца кольцевой части котелка по направлению потока газов, причем между отражателем и кольцевой частью котелка за поверхностью раздела отграничена кольцевая полость, а в кольцевой части котелка выполняют первые отверстия, выходящие напротив края дна камеры, который находится в контакте с упомянутым отражателем для поддержания циркуляции воздуха от передней части к задней части в кольцевой части котелка, при этом воздух, выходящий из первых отверстий, непосредственно обдувает часть отражателя, находящуюся в контакте с краем дна камеры.

Благодаря такой конструкции, которая позволяет избежать применения дорогих конструктивных элементов, требующих длительного времени в изготовлении, и которая представляет собой новую систему соединения между котелком и отражателем, основание отражателя и кольцевая часть охлаждаются за счет конвекции воздушным потоком, поступающим снаружи камеры сгорания. Таким образом, достигают однородности температуры дна камеры путем снижения теплопроводного потока, благодаря уменьшению контактных поверхностей на границе раздела и вентиляции отражателя вместе с поверхностью раздела котелка, и, следовательно, повышают механическую прочность. В случае, если котелок содержит на своем заднем конце фланец, изобретение позволяет более эффективно охлаждать этот фланец. Кроме того, уменьшение количества материала на уровне поверхности раздела и отверстий дает выигрыш в массе.

Предпочтительно, чтобы вся поверхность раздела была ориентирована в сторону переднего конца кольцевой части по направлению потока газов таким образом, чтобы полость выходила сзади в виде кольцевого отверстия в камеру сгорания.

Эта конфигурация позволяет воздуху, поступающему снаружи камеры сгорания, охлаждать заднюю часть отражателя, что ограничивает осаждение кокса на отражателе.

Предпочтительно, чтобы ближе к своему заднему концу кольцевая часть содержала кольцевую нервюру, находящуюся в контакте с отражателем в контактной зоне, которая образует остальную часть поверхности раздела, а в кольцевой нервюре были выполнены вторые отверстия, за счет чего воздух, поступающий от кольцевой полости, мог бы циркулировать через вторые отверстия, охлаждая задний конец котелка.

Такая конфигурация позволяет воздуху, поступающему снаружи камеры сгорания, охлаждать путем обдувания задний конец котелка и фланец, если он предусмотрен на котелке.

Предпочтительно, чтобы в отражателе были выполнены сквозные отверстия, позволяющие воздуху, поступающему из кольцевой полости, проникать между отражателем и дном камеры.

Наличие таких отверстий позволяет более холодному воздуху, поступающему снаружи камеры сгорания, циркулировать непосредственно между дном камеры и отражателем и, следовательно, повышать изолирующую способность воздушного слоя, находящегося между дном камеры и отражателем.

Настоящее изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания варианта выполнения, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, в числе которых:

Фиг.1 представляет вид в изометрии и в разрезе дна камеры, отражателя и котелка в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда вся поверхность раздела расположена в сторону переднего конца кольцевой части;

Фиг.2 - вид в изометрии и в разрезе котелка в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.3 - вид в изометрии и в разрезе дна камеры, отражателя и котелка в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда отражатель содержит сквозные отверстия;

Фиг.4 - вид в изометрии и в разрезе отражателя в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда отражатель содержит сквозные отверстия;

Фиг.5 - вид в изометрии и в разрезе дна камеры, отражателя и котелка в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда кольцевая часть содержит ближе к своему заднему концу кольцевую нервюру с вторыми отверстиями и когда отражатель содержит сквозные отверстия;

Фиг.6 - вид в изометрии и в разрезе дна камеры, отражателя и котелка в соответствии с настоящим изобретением в случае, когда кольцевая часть содержит ближе к своему заднему концу кольцевую нервюру с вторыми отверстиями, имеющими наклон относительно оси котелка и когда отражатель содержит сквозные отверстия;

Фиг.7 - вид в изометрии и в разрезе отражателя, показанного на Фиг.6.

Как показано на Фиг.1 и 2, котелок 1 содержит кольцевую часть 3, выполненную, начиная от заднего конца котелка 1 вперед по направлению потока газов. Вокруг котелка 1 закреплен отражатель 20, содержащий основание 22, параллельное главной оси котелка, и за основанием 22 - плоскую часть 24, перпендикулярную к главной оси котелка. Отражатель 20 установлен в одном из круглых отверстий 31 дна 30 камеры. Передняя часть 5 кольцевой части 3 находится в контакте с основанием 22 отражателя 20 через первую кольцевую контактную зону 10, образующую поверхность раздела между кольцевой частью 3 и отражателем 20. Таким образом, между кольцевой частью 3 и основанием 22 отражателя 20 образуется кольцевая полость 12. Кольцевая полость 12 выходит в камеру 100 сгорания через кольцевое отверстие 14, ограниченное плоской задней частью 24 отражателя 20 и задним концом кольцевой части 3. В случае котелка, показанного на Фиг.1, задний конец котелка 1, который является задним концом кольцевой части 3, содержит фланец 7. Дно 30 камеры находится в контакте с наружной стороной 26 основания 22 отражателя 20 через край 32 круглых отверстий 31 дна камеры. В кольцевой части 3 выполнены первые отверстия 4, выходящие напротив края 32 дна 30 камеры. В представленном примере первые отверстия 4 являются круглыми, и их оси направлены радиально относительно оси котелка. Первые отверстия 4 могут также быть перпендикулярными к упомянутой главной оси и иметь наклон в окружном направлении. Они могут быть выполнены в виде щелей или иметь любую другую форму.

Более холодный воздух, поступающий снаружи камеры, попадает в кольцевую полость 12 через первые отверстия 4. Благодаря положению первых отверстий 4 напротив края 32 дна 30 камеры воздух непосредственно обдувает часть основания 22 отражателя, что обеспечивает более эффективное охлаждение пограничной зоны, непосредственно примыкающей к краю 32 дна 30 камеры, по сравнению с другим положением первых отверстий 4. Такая конфигурация является предпочтительной, так как пограничная зона, непосредственно примыкающая к краю 32, подвержена воздействию повышенных температур в результате нагревания котелка 1. После этого воздух выходит из кольцевой полости 12 через ее кольцевое отверстие 14 в камеру 100 сгорания. В случае, когда этот задний конец кольцевой части 3 содержит фланец, воздушный поток, выходящий через заднее отверстие 14, направляется фланцем 7 в радиальном направлении, что заставляет воздушный поток циркулировать вдоль плоской задней части 24 отражателя 20. Циркуляция более холодного воздуха вдоль плоской задней части 24 позволяет ограничивать осаждение на ней кокса.

На Фиг.2 показана геометрическая форма отдельно взятого котелка 1 и его кольцевой части 3 с выполненными в ней первыми отверстиями 4.

На Фиг.3 показан другой вариант осуществления изобретения, в котором основание 22 отражателя 20 содержит отверстия 23, позволяющие воздуху, поступающему из кольцевой полости 12, циркулировать в части, наиболее внутренней в радиальном направлении, пространства, расположенного между плоской частью 24 отражателя и дном 30 камеры. Воздух, поступающий снаружи камеры 100 сгорания, проникнув в кольцевую полость 12 через первые отверстия 4, делится на два потока: первый поток, как в конфигурации на Фиг.1, выходит из кольцевой полости 12 через ее кольцевое отверстие 14. Второй поток выходит из кольцевой полости 12 через отверстия 23 между плоской частью 24 отражателя и дном 30 камеры. Таким образом, этот второй воздушный поток обтекает наиболее внутреннюю в радиальном направлении часть пространства, расположенного между плоской частью 24 отражателя и дном 30 камеры, и предпочтительно снижает температуру дна 30 камеры, что и является задачей изобретения. В представленном примере отверстия 23 являются круглыми, и их оси направлены радиально относительно оси котелка. Отверстия 23 могут также быть перпендикулярными к упомянутой главной оси и иметь наклон в окружном направлении. Они могут быть выполнены в виде щелей или иметь любую другую форму.

На Фиг.4 показана геометрическая форма отдельно взятого отражателя 20 и его основания 22 с выполненными в нем сквозными отверстиями 23.

На Фиг.5 показан еще один вариант осуществления настоящего изобретения, в котором кольцевая часть 3 ближе к своему заднему концу содержит кольцевую нервюру 40, находящуюся в контакте с задним концом основания 22 отражателя 20, то есть на уровне плоской части 24 отражателя 20 во второй кольцевой контактной зоне 16, которая вместе с первой кольцевой контактной зоной 10 образует поверхность раздела между кольцевой частью 3 и отражателем 20. В этой кольцевой нервюре 40 выполнены вторые отверстия 42, через которые воздух, поступающий из кольцевой полости 12, проходит, выходя в камеру 100 сгорания, охлаждая задний конец котелка 1. В данном варианте выполнения кольцевое отверстие 14, показанное на Фиг.1 и 3, заменено совокупностью вторых отверстий 42.

В примере, показанном на Фиг.5, основание 22 отражателя 20, как и в примере, показанном на Фиг.3, содержит сквозные отверстия 23. Вместе с тем в другой конфигурации (на чертеже не показана) задний конец кольцевой части 3 может быть оборудован кольцевой нервюрой 40 с выполненными в нем вторыми отверстиями 42, при этом основание 22 отражателя 20 не содержит сквозных отверстий 23. В этом случае имеется только один воздушный поток, выходящий из кольцевой полости 12 через вторые отверстия 42.

На Фиг.5 оси вторых отверстий 42 параллельны главной оси котелка. Как показано на Фиг.6 и 7, оси вторых отверстий 42 могут также иметь наклон относительно главной оси котелка. Преимуществом такого выполнения является более эффективное охлаждение фланца 7 котелка 1.

Котелки, отражатели и дно камеры, показанные на Фиг.1-7, представлены только в качестве неограничительного примера. Они могут иметь другую форму в рамках правовой охраны настоящего изобретения.

Изобретение относится к области камер сгорания авиационных газотурбинных двигателей. Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит дно, в котором установлены несколько устройств подачи воздуха и впрыска топлива, каждое из которых содержит установленные вдоль главной оси котелок и отражатель, образующий теплозащитный экран, расположенный вокруг упомянутого котелка, расширяющегося в направлении потока газов. Отражатель содержит кольцевую часть. Поверхность раздела между котелком и отражателем находится на упомянутой кольцевой части. По меньшей мере, часть поверхности раздела ориентирована в сторону переднего конца кольцевой части по направлению потока газов. Между отражателем и кольцевой частью за поверхностью раздела предусмотрена кольцевая полость. В кольцевой части выполняют первые отверстия, выходящие напротив края дна камеры, который находится в контакте с отражателем для поддержания циркуляции воздуха от входа к выходу в кольцевой части. Воздух, выходящий из первых отверстий, непосредственно обдувает часть отражателя, находящуюся в контакте с краем дна камеры. Изобретение позволяет охлаждать дно камеры сгорания и поддерживать температуру дна ниже критического значения во время работы камеры сгорания. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Камера (100) сгорания газотурбинного двигателя, содержащая дно (30), в котором установлены несколько устройств подачи воздуха и впрыска топлива, каждое из которых содержит установленные вдоль главной оси котелок (1) и отражатель (20), образующий теплозащитный экран, расположенный вокруг упомянутого котелка, расширяющегося в направлении потока газов и содержащего кольцевую часть (3), при этом поверхность (10, 16) раздела между котелком (3) и отражателем (20) находится на упомянутой кольцевой части (3), отличающаяся тем, что, по меньшей мере, часть поверхности раздела ориентирована в сторону переднего конца (5) кольцевой части (3) по направлению потока газов, при этом между отражателем и кольцевой частью (3) за поверхностью раздела предусмотрена кольцевая полость (12), при этом в кольцевой части (3) выполняют первые отверстия (4), выходящие напротив края (32) дна камеры, который находится в контакте с отражателем для поддержания циркуляции воздуха от входа к выходу в кольцевой части, при этом воздух, выходящий из первых отверстий (4), непосредственно обдувает часть отражателя (20), находящуюся в контакте с краем (32) дна камеры.

2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что первые отверстия (4) выполняют круглыми.

3. Камера (100) сгорания по п.1, отличающаяся тем, что первые отверстия (4) выполняют в виде щелей.

4. Камера (100) сгорания по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что первые отверстия (4) направлены радиально по отношению к главной оси.

5. Камера (100) сгорания по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что первые отверстия (4) перпендикулярны к главной оси и имеют наклон в окружном направлении.

6. Камера (100) сгорания по п.1, отличающаяся тем, что поверхность (10) раздела полностью ориентирована в сторону переднего конца (5) кольцевой части (3) по направлению потока газов таким образом, чтобы полость (12) сообщалась через кольцевое отверстие (12) с камерой сгорания.

7. Камера (100) сгорания по п.1, отличающаяся тем, что ближе к своему заднему концу упомянутая кольцевая часть (3) содержит кольцевую нервюру (40), которая находится в контакте с отражателем (20) в контактной зоне (16), которая образует остальную часть поверхности раздела, при этом в кольцевой нервюре выполняют вторые отверстия (42), обеспечивающие циркуляцию воздуха, поступающего из кольцевой полости (12), охлаждения заднего конца котелка (1).

8. Камера (100) сгорания по п.7, отличающаяся тем, что оси вторых отверстий (42) параллельны главной оси.

9. Камера (100) сгорания по п.7, отличающаяся тем, что оси вторых отверстий (42) наклонены относительно упомянутой главной оси.

10. Камера (100) сгорания по любому из пп.6-9, отличающаяся тем, что в отражателе (20) выполняют сквозные отверстия (23), обеспечивающие проникновение воздуха, поступающего из кольцевой полости (12), между отражателем и дном (30) камеры.

11. Камера (100) сгорания по п.10, отличающаяся тем, что сквозные отверстия (23) выполняют круглыми.

12. Камера (100) сгорания по п.10, отличающаяся тем, что сквозные отверстия (23) выполняют в виде щелей.

13. Камера (100) сгорания по п.10, отличающаяся тем, что оси сквозных отверстий (23) направлены радиально относительно главной оси.

14. Камера (100) сгорания по одному из пп.11 или 12, отличающаяся тем, что оси сквозных отверстий (23) перпендикулярны к главной оси и имеют наклон в окружном направлении.

15. Камера (100) сгорания по п.10, отличающаяся тем, что оси сквозных отверстий (23) перпендикулярны к главной оси и имеют наклон в окружном направлении.

16. Камера (100) сгорания по одному из п.п.11 или 12, отличающаяся тем, что оси сквозных отверстий (23) перпендикулярны к главной оси и имеют наклон в окружном направлении.

17. Газотурбинный двигатель, содержащий камеру (100) сгорания по любому из пп.1-16.