КАМЕРА СГОРАНИЯ ТУРБОМАШИНЫ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ КОМПРЕССОРОМ БЕЗ ДЕФЛЕКТОРА Российский патент 2015 года по МПК F23R3/04 

ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение относится к турбомашинам и, в особенности к камерам сгорания для этих турбомашин.

В камеру сгорания газотурбинного двигателя сжатый воздух поступает из компрессора высокого давления, расположенного на входе, а на выходе газ, нагретый сгоранием топлива, смешивается с этим сжатым воздухом. Камера является, как правило, камерой кольцевого типа и расположена внутри кожуха двигателя на выходе диффузора, функцией которого при замедлении потока воздуха является преобразование энергии в форму, приемлемую для работы камеры сгорания, а также для ориентации потока сжатого воздуха на выходе компрессора. Она содержит также внутреннюю стенку и наружную стенку, между которыми расположена зона сгорания. В своей входной части камера содержит поперечную стенку днища камеры, в которой выполнены отверстия, каждое из которых снабжено системой питания топливовоздушной смесью. Такая система питается топливом от инжекторов жидкого топлива и содержит обычно кольцевые концентрические решетки, которые создают вихревые потоки воздуха, улучшающие перемешивание воздуха с потоком впрыскиваемого топлива. На выходе камера сгорания оканчивается отверстием, которое открывается к распределителю турбины и, в основном, к модулю турбины турбомашины.

Воздух, выходящий из диффузора, поступает в зону, окружающую камеру сгорания, и одной частью протекает вдоль внешней и внутренней стенок последней, тогда как другая часть проникает внутрь камеры сгорания и участвует в сжигании топливовоздушной смеси в зоне горения. Зона горения схематично разделяется на две: первичную зону, которая расположена непосредственно на выходе стенки днища камеры и в которой осуществляется воспламенение смеси в квазистехиометрических пропорциях, благодаря поступлению первичного воздуха, и вторичную зону или зону разбавления, расположенную ближе к выходу, в которой газы смешиваются с дополнительным охлаждающим воздухом, поступающим через отверстия, называемые разбавляющими.

В известном уровне техники защита в виде разделенных на участки дефлекторов покрывает внутреннюю часть стенки днища камеры и предназначена для защиты от интенсивного излучения, производимого в зоне первичного горения. Воздух, таким образом, вводится через отверстия, выполненные в стенке днища камеры за дефлекторами для осуществления их охлаждения. Этот воздух протекает вдоль задней поверхности дефлекторов и направляется затем для формирования пленки вдоль внутренней поверхности внутренней и внешней стенок камеры.

Эти дефлекторы подвергаются воздействию весьма значительных температур и они требуют для исключения пережога при использовании значительного количества охлаждающего воздуха, что ухудшает КПД камеры. Было бы желательным исключить дефлектор, что создавало бы, кроме того, значительные преимущества; из-за большой массы металла потребление воздуха превышает потребление воздуха, которое было бы необходимо для охлаждения только днища камеры. Это могло бы привести к увеличению экономичности.

Для этого были созданы технические решения для осуществления охлаждения днища камеры без установки дефлектора. Было предложено решение, заключающееся в охлаждении днища камеры через множественные отверстия и в ориентации потока воздуха, проходящего через эти отверстия, так чтобы он проходил по внутренней стенке днища камеры. Это решение, в частности, описано в заявке на патент FR 2856467 от имени Заявителя. В ней описано выполнение цилиндрических отверстий в днище камеры наклонно, ориентируя их так, чтобы поток воздуха все более и более наклонялся, приближаясь к оси камеры. Описанные наклоны составляют от 5 до 60º.

Если это решение хорошо подходит двигателю с компрессором осевого типа, когда диффузор расположен по оси инжекторов камеры сгорания, то оно не является оптимальным для турбомашин с центробежным компрессором. Действительно, в этих двигателях, обычно малого размера, диффузор расположен по периферии зоны, окружающей камеру сгорания, и воздух на выходе ориентирован по оси с внешней стороны камеры сгорания. Имеется риск, что внешняя стенка охлаждается хорошо, а, напротив, внутренняя стенка - недостаточно, что могло бы привести к выгораниям. Увеличение охлаждающего расхода для противодействия этому феномену привело бы к уменьшению кпд камеры, связанному с производством несгоревшего газа типа моноокиси углерода СО.

Кроме того, это решение затрудняет определение контура охлаждения на фазе проектирования двигателя. Действительно, нужно ждать детальной разработки двигателя с уже стабильным циклом для получения надежной характеристики аэродинамики потока воздуха, выходящего из диффузора для возможности разработать окончательную схему сверления. Требуемые методы расчетов должны быть, таким образом, использованы для получения окончательного технического решения.

Целью настоящего изобретения является исключение указанных недостатков путем предложения устройства охлаждения днища камеры сгорания турбомашины с центробежным компрессором, которое не имеет недостатков известного уровня техники, которое не требует использования дефлектора и которое обеспечивает относительно равномерную температуру как внутренней, так и наружной стенок этой камеры без увеличения количества охлаждающего воздуха.

Для этого в качестве объекта изобретения предложена кольцевая камера сгорания турбомашины, содержащая внешнюю стенку и внутреннюю стенку, ориентированные, по существу, аксиально относительно оси вращения турбомашины, закрытая со стороны входа стенкой днища камеры, ориентированной, по существу, радиально, при этом упомянутая камера питается сжатым воздухом, выходящим из компрессора через диффузор, выходное направление которого радиально смещено относительно средней оси камеры сгорания, причем упомянутая стенка днища камеры сгорания содержит отверстия для подачи охлаждающего воздуха, наклонные относительно нормального направления к упомянутому днищу камеры. Она характеризуется тем, что количество отверстий, ориентированных радиально в направлении, противоположном направлению, в котором находится выход упомянутого диффузора, превышает количество отверстий, ориентированных радиально в направлении выхода из упомянутого диффузора.

Наилучшее питание воздухом части, противолежащей выходу из диффузора вследствие большего количества отверстий, ориентированных в этом направлении, позволяет компенсировать меньший расход воздуха, который она получает из-за размещения диффузора. Таким образом, можно достаточно охладить днище камеры, чтобы избежать использования дефлектора для защиты от теплового излучения.

Предпочтительным образом, все отверстия ориентированы радиально в направлении, противоположном направлению, в котором находится выход упомянутого диффузора. Такая конфигурация соответствует оптимальному охлаждению части днища камеры, расположенной со стороны, противоположной выходу диффузора.

Предпочтительно, отверстия наклонены на угол, превышающий 60º относительно нормального направления к днищу камеры, по крайней мере, в части упомянутого днища камеры. Очень большой наклон, придаваемый отверстиям, позволяет исключить то, что этот воздух будет взаимодействовать с воздухом, предназначенным для сгорания в первичной зоне, и не нарушит регулировку обогащения при сжигании топлива.

В варианте осуществления упомянутая часть днища камеры расположена со стороны, где находится выход диффузора. Охлаждающий воздух, который выходит со стороны, где выходит диффузор, должен пройти больший путь, чем воздух, выходящий из других отверстий, и желательно, чтобы он на выходе протекал наиболее близко к стенке днища камеры.

В частном варианте осуществления отверстия имеют одинаковое сечение и плотность размещения упомянутых отверстий, радиально уменьшающуюся со стороны, где находится выход диффузора, до их среднего ряда.

В другом варианте осуществления отверстия имеют одинаковое сечение и плотность размещения упомянутых отверстий, радиально увеличивающуюся от среднего ряда до стороны, противоположной стороне, где находится выход диффузора.

Эти варианты осуществления позволяют учесть тот факт, что воздух, выходящий из инжекторных систем, участвует в охлаждении средней зоны днища камеры и, следовательно, имеется возможность уменьшить охлаждающий расход воздуха, выходящего из отверстия.

Предпочтительно, на днище камеры непосредственно воздействует тепловое излучение первичной зоны горения. Таким образом, нет необходимости в использовании дефлектора вследствие эффективного охлаждения, которое создает соответствующая ориентация отверстий.

В особом варианте осуществления отверстия, в основном, расположены на внутренней части днища камеры. Такая конфигурация соответствует осуществлению изобретения в случае турбомашин с центробежным компрессором и с диффузором, расположенным с внешней стороны упомянутой камеры сгорания.

Изобретение защищает также турбомашину, снабженную вышеупомянутой камерой сгорания.

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

- фиг.1 изображает вид в разрезе камеры сгорания турбомашины, расположенной на выходе центробежного компрессора;

- фиг.2 изображает вид дефлектора, представляющий перфорированный сектор днища камеры в соответствии с вариантом осуществления изобретения;

- фиг.3 изображает схему, представляющую плотность расположения отверстий в днище камеры по изобретению в зависимости от радиуса.

На фиг.1 видно, что центральная часть турбомашины заключена между первым компрессором и модулем турбины. Она содержит, в основном, камеру сгорания 1, которая расположена во внешнем кожухе 2 двигателя и которая питается воздухом из диффузора 3, размещенного на выходе компрессора, а топливом - из инжекторов 4, равномерно распределенных по окружности двигателя. Классически она содержит также одно или несколько устройств 5 для воспламенения топлива воздушной смеси, распределенных также по окружности камеры сгорания 1.

Диффузор 3, выполненный L-образной формы, обычно используется в центробежных компрессорах и получает воздух, радиально ориентированный, с выхода последней ступени компрессора, и который его выпрямляет для подачи в зону, окружающую камеру 1, по существу, в осевом направлении. Выход из диффузора 3 выполняется на уровне стенки внешнего кожуха 2, касательно к последнему. Воздух, выходящий из компрессора, распределяется далее в зоне, окружающей камеру сгорания 1, затем поступает в последнюю для смешивания с топливом, подаваемым инжекторами 4. В соответствии с вышеописанной L-образной конфигурацией, воздух с выхода диффузора 3 подается в направлении, центр которого смещен относительно оси 10 камеры сгорания 1. Питание последней является, таким образом, неоднородным по окружности, и существует разность в расходе воздуха между внутренней и внешней стенками камеры. Изобретение описано для случая с центробежным компрессором и L-образным выпрямителем, но оно может быть также использовано в любой турбомашине, в которой направление выхода диффузора 3 не расположено по оси 10 камеры сгорания.

Камера сгорания 1 имеет кольцевую форму, которая в разрезе содержит наружную стенку 11 и внутреннюю стенку 12, причем обе стенки расположены коаксиально по продольной оси 10 камеры. На входе они соединены стенкой, поперечной этой продольной оси 10, называемой обычно днищем камеры 13. Днище 13 камеры на уровне продольной оси 10 имеет отверстие, в котором установлена система питания топливовоздушной смесью. Такая система, которая питается жидким топливом от инжектора 4, содержит кольцевые концентрические решетки для создания вихревых потоков воздуха, улучшающих их смешивание с впрыскиваемой струей топлива.

Наконец, на выходе камеры сгорания 1 газы классически поступают в распределитель турбины 6 перед проходом через лопатки турбины, где они отдают часть энергии, которой они обладают.

На фиг.1 изображен также дефлектор 14, причем камера 1 в этом случае представляет конфигурацию из известного уровня техники.

Воздух, выходящий из центробежного компрессора, проходит в дефлектор 3, где он перенаправляется в осевое направление 10 двигателя, затем разделяется на несколько потоков, которые служат либо для горения топлива в первичной зоне камеры 1 посредством инжекторных систем и первичных отверстий 15, либо для охлаждения стенок 11 и 12 камеры сгорания и для подачи в зону разбавления через разбавляющие отверстия 16 и отверстия 17 стенки, либо, наконец, для охлаждения других частей двигателя, которые расположены на выходе камеры сгорания.

На фиг.2 изображен вариант охлаждения днища 13 камеры сгорания по изобретению. Стенка днища 13 камеры сгорания снабжена множеством отверстий 18 малого диаметра, которые расположены вдоль рядов 19, размещенных по окружности и концентрически с осью 10 камеры сгорания 1. Эти отверстия являются обычно цилиндрическими отверстиями, диаметр которых составляет порядка 0,5 или 0,6 мм, и ориентированы таким образом, чтобы поток охлаждения, выходящий из этих отверстий 18, оставался как можно более долго в контакте со стенкой днища 13 камеры и, таким образом, не изменял насыщенности смеси топлива и воздуха, которая поступает в первичную зону горения. Для этого отверстия 18 днища камеры ориентированы по оси, составляющей в рассматриваемой точке 60º относительно нормали к днищу камеры. В известном уровне техники, представленном в предыдущей заявке Заявителя, ориентация этих отверстий необязательно не изменяется между рядами 19, которые расположены на уровне инжекторной системы, и рядами, которые расположены по крайним радиусам - внешнему и внутреннему, днища 13 камеры.

Напротив, изобретение предлагает изменяемость плотности расположения отверстий 18 (подсчитанных как количество отверстий на заданную площадь) между радиусами, расположенными с внешней стороны, и радиусами, расположенными с внутренней стороны этого днища 13 камеры. Наиболее горячие участки, то есть те, которые менее подвержены воздействию воздуха, выходящего из диффузора 3, имеют отверстия с большей плотностью расположения, чем участки, которые относительно хорошо расположены в этом потоке воздуха. В представленном случае, когда диффузор расположен по внешней периферии, окружающей камеру, внешние части днища камеры имеют меньшую плотность расположения отверстий, чем ее внутренние части.

На фиг.3 представлено изменение плотности размещения отверстий 18 в днище камеры в зависимости от радиального расстояния от рассматриваемой точки. Констатируется, что плотность в верхней части меньше, чем плотность в нижней части, что действительно соответствует тому, что воздух, выходящий из диффузора 3, распределяется неодинаково между верхней частью и нижней частью, и что для компенсации этой разности расхода плотность размещения отверстий в нижней части более значительна. Напротив, констатируется, что на уровне среднего ряда 20 плотность размещения ниже, чем в верхней и нижней частях, что объясняется лучшей эффективностью охлаждения центральных рядов, которые не подвергаются воздействию эффекта рассеивания, которое производит пленка в процессе образования на струи, воздействующие на стенку днища камеры. Таким образом, необходимо подавать одинаковый расход в этот ряд 20, как и в крайние ряды, которые не подвергаются воздействию этого эффекта. Хорошее управление воздухом, выходящим из диффузора, и, таким образом, КПД камеры сгорания требует подачи через отверстия 18 только такого расхода, который точно необходим для получения температуры, одинаковой с температурой других точек днища 13 камеры 1.

Изобретение предлагает также одинаковое направление для наклона отверстий 18, при этом воздух, выходящий из них, направляется всеми, независимо от того, где они расположены, во внутренней части или наружной части, от наружной части к внутренней части так, чтобы охладить эту нижнюю часть камеры, которая меньше запитана воздухом, выходящим из диффузора 3. Учитывая, что путь, который должен пройти поток охлаждающего воздуха вдоль стенки днища 13 камеры и, особенно, для отверстий 18, размещенных с наружной стороны, необходимо, чтобы отверстия имели очень большой наклон, превышающий, по возможности, 60º, предложенных в предыдущей заявке. Проводимые работы показывают, действительно, экспериментальную возможность превзойти этот лимит в 60º. Можно представить максимально возможный наклон, совместимый с техническими и экономическими требованиями. Большой наклон предназначен для лучшего охлаждения металла днища 13 камеры, а также для того, чтобы этот воздух не смешивался с воздухом, предназначенным для горения, и не влиял на обогащение смеси в зоне первичного горения.

Преимущества этой новой технологии охлаждения днища камеры заключаются в разделении воздуха охлаждения на два потока. Эти преимущества объясняются, в основном, уменьшением охлаждаемой массы вследствие исключения дефлектора. Преимущества дополнительного расхода также обусловлены увеличением пропускающей способности инжекторной системы вследствие удаления стенки, образующей дефлектор, и увеличением эффективности охлаждения стенки днища 13 камеры.

Изобретение было представлено с диффузором 3, выходная ось которого расположена вблизи внешнего кожуха 2 двигателя. Очевидно также, что изобретение может быть использовано с диффузором, который подает воздух со стороны внутренней стенки 12 камеры 1 сгорания. В этом случае отверстия 18 будут наклонены в направлении наружной стенки 11 камеры 1 для компенсации меньшего питания этой стенки воздухом, выходящим из диффузора.

Кольцевая камера сгорания для турбомашины содержит наружную стенку и внутреннюю стенку, ориентированные, по существу, аксиально относительно оси вращения турбомашины, и закрыта со стороны входа стенкой днища камеры, ориентированной, по существу, радиально. Камера питается сжатым воздухом из компрессора через диффузор, направление выхода которого радиально смещено относительно средней оси камеры сгорания. Стенка днища камеры содержит отверстия для питания охлаждающим воздухом, наклонные относительно нормального направления к днищу камеры. Количество отверстий, ориентированных радиально в направлении, противоположном радиальному направлению, в котором находится выход упомянутого диффузора, превышает количество отверстий, ориентированных радиально в радиальном направлении выхода упомянутого диффузора. Все отверстия также могут быть ориентированы радиально в направлении, противоположном направлению, в котором находится выход упомянутого диффузора. Изобретение обеспечивает относительно равномерную температуру как внутренней, так и наружной стенок этой камеры без увеличения количества охлаждающего воздуха. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Кольцевая камера сгорания для турбомашины, содержащая наружную стенку (11) и внутреннюю стенку (12), ориентированные, по существу, аксиально относительно оси вращения турбомашины, и закрытая со стороны входа стенкой днища (13) камеры, ориентированной, по существу, радиально, при этом упомянутая камера (1) питается сжатым воздухом из компрессора через диффузор (3), направление выхода которого радиально смещено относительно средней оси (10) камеры (1) сгорания, причем упомянутая стенка днища камеры содержит отверстия (18) для питания охлаждающим воздухом, наклонные относительно нормального направления к упомянутому днищу (13) камеры,
отличающаяся тем, что количество отверстий, ориентированных радиально в направлении, противоположном радиальному направлению, в котором находится выход упомянутого диффузора, превышает количество отверстий, ориентированных радиально в радиальном направлении выхода упомянутого диффузора, или тем, что все отверстия (18) ориентированы радиально в направлении, противоположном направлению, в котором находится выход упомянутого диффузора (3).

2. Камера сгорания по п. 1, в которой отверстия (18) наклонены на угол, превышающий или равный 60° относительно нормального направления к днищу (13) камеры, по меньшей мере, в части упомянутого днища камеры.

3. Камера сгорания по п. 2, в которой упомянутая часть днища камеры расположена радиально со стороны, где находится выход из диффузора (3).

4. Камера сгорания по п. 1, в которой отверстия (18) выполнены одинакового сечения и в которой плотность размещения упомянутых отверстий радиально уменьшается от стороны, где находится выход диффузора (3), до их среднего ряда (20).

5. Камера сгорания по п. 1, в которой отверстия (18) имеют одинаковое сечение и в которой плотность размещения упомянутых отверстий возрастает радиально от их среднего ряда до стороны, противоположной стороне, где находится выход диффузора (3).

6. Камера сгорания по п. 1, в которой днище (13) камеры непосредственно подвержено воздействию теплового излучения первичной зоны горения.

7. Камера сгорания по п. 1, предназначенная для установки в турбомашине с центробежным компрессором и диффузором (3), расположенным с внешней стороны упомянутой камеры сгорания (1), в которой отверстия в основном расположены на внутренней части днища (13) камеры.

8. Турбомашина, снабженная камерой сгорания по одному из предыдущих пунктов.