АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ОБТЕКАТЕЛЬ ЗАДНЕЙ ЧАСТИ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F23R3/10 

Область техники

Настоящее изобретение относится к обтекателю для приема задней торцевой стенки кольцевой камеры сгорания турбомашины, в частности, авиационного реактивного двигателя.

Изобретение также относится к камере сгорания, содержащей обтекатель такого типа, вместе с турбомашиной, содержащей такую камеру сгорания.

Более конкретно, изобретение относится к обтекателю, предназначенному для установки на камеру сгорания турбомашины, содержащей компрессор центробежного типа, расположенный перед камерой сгорания.

Предшествующий уровень техники

Кольцевая камера сгорания турбомашины обычно бывает установлена в кольцевом кожухе после компрессора турбомашины и ограничивается двумя соосными стенками по существу вращательно-симметричной цилиндрической или конической формы, где такие стенки жестко соединены друг с другом на своих передних концах торцевой кольцевой стенкой, в которой установлены устройства впрыска топлива и воздуха, включая средства для поддержки головок топливных форсунок с входными отверстиями.

Эти соосные стенки таких камер сгорания также по существу содержат отверстия для впуска воздуха, которые иногда называют «первичные отверстия», когда они расположены вокруг передней области камеры сгорания, и «разбавляющие отверстия», когда они расположены вокруг задней области этой камеры, позволяя нагнетать в камеру дополнительное количество воздуха.

Кольцевая торцевая стенка задней части камеры по существу закрыта на переднем конце кольцевым обтекателем, который направляет часть потока воздуха от компрессора, предназначенную для подачи назад через кольцевой кожух, в котором расположена камера сгорания, так, чтобы обойти эту камеру сгорания и подать воздух во впускные отверстия, сформированные в соосных стенках камеры сгорания, а другая часть этого потока воздуха предназначена для попадания в камеру сгорания через входные отверстия для воздуха, установленные на задней торцевой стенке устройств впрыска воздуха и топлива, проходящих сквозь отверстия в обтекателе, в которые также могут проходить головки форсунок.

Назначение обтекателя, закрывающего заднюю торцевую стенку камеры сгорания, заключается по существу в уменьшении потерь нагрузки, которой подвергается воздушный поток, обходящий камеру сгорания. Для этого такой обтекатель по существу имеет форму приблизительно С-образной, вращательно-симметричной стенки, вогнутая часть которой обращена назад, если смотреть в сечении по медианной осевой плоскости.

Однако в турбомашинах, содержащих компрессор центробежного типа, расположенный перед камерой сгорания, воздушный поток от такого компрессора входит в вышеупомянутый кожух, проходя сквозь кольцевой диффузор/направляющий аппарат, открывающийся в радиально внешней области этого кожуха. Вследствие этого, воздушный поток, запитывающий впускные воздушные отверстия впрыскивающих устройств, и воздушный поток, обходящий камеру сгорания вдоль радиально внутренней стенки этой камеры, подвергаются существенному радиальному отклонению вовнутрь, которое приводит к потере нагрузки этих потоков.

Чем больше потери нагрузки в устройствах для впрыска топлива и воздуха, тем лучшими могут быть рабочие характеристики этих устройств. В результате потеря нагрузки перед такими устройствами является желательной.

Кроме того, заявитель обнаружил, что в таких турбомашинах с центробежным компрессором существует повышенный риск разделения воздушного потока, предназначенного для обхода камеры сгорания и его движения вдоль внутренней стенки камеры сгорания, чтобы запитать впускные воздушные отверстия соосных стенок камеры сгорания, рядом с обтекателем и после него в радиально внутренней области кожуха, содержащего камеру сгорания.

Разделение такого потока нежелательно, поскольку это приводит к нестабильности работы камеры сгорания.

Краткое описание изобретения

Одной целью настоящего изобретения является создание простого, экономичного и эффективного решения этих проблем, позволяющего устранить по меньшей мере часть указанных недостатков.

Для этого предлагается кольцевой обтекатель, имеющий внутреннюю сторону, закрывающую заднюю торцевую стенку кольцевой камеры сгорания турбомашины с центробежным компрессором, и внешнюю сторону, расположенную напротив этой внутренней стороны, при этом обтекатель содержит множество отверстий, предназначенных для прохода сквозь них топливных форсунок, установленных на задней торцевой стенке камеры сгорания.

Согласно настоящему изобретению обтекатель содержит множество выступов, отходящих от внешней стороны обтекателя в радиальном направлении к внутренней, соответственно, от соответствующих радиально внутренних кромок этих отверстий так, что каждый выступ определяет продолжение соответствующего отверстия, где такое отверстие радиально открыто к внешней стороне так, чтобы сформировать воздухозаборник.

Такой воздухозаборник позволяет улучшить подачу воздуха через соответствующее отверстие в значительной мере за счет уменьшения потери нагрузки воздухом, проходящим через это отверстие.

Кроме того, выступы обтекателя позволяют улучшить направленность потока воздуха, текущего радиально внутрь и, затем, вдоль обтекателя, и, в частности, уменьшить риск разделения этого потока воздуха.

Для этого выступы преимущественно доходят до радиально внутреннего конца обтекателя.

В предпочтительном варианте изобретения каждый выступ обтекателя имеет радиальную плоскость симметрии, включающую центральную ось этого обтекателя и ось впрыска соответствующего отверстия.

Ось впрыска отверстия, естественно, совпадает с осью впрыска форсунки, когда она установлена в этом отверстии.

Обтекатель по первому варианту настоящего изобретения особенно полезен, когда он используется в турбомашине, в которой воздушный поток от компрессора не имеет вращательного компонента.

Во втором варианте изобретения продолжение каждого из вышеуказанных отверстий имеет выступ, который смещен по окружности относительно оси впрыска отверстия.

И в этом случае ось впрыска отверстия совпадает с осью впрыска форсунки, вставленной в это отверстие.

Обтекатель по второму варианту настоящего изобретения особенно полезен, когда он используется в турбомашине, в которой воздушный поток, создаваемый компрессором, имеет вращательный компонент в направлении от выступа продолжения каждого отверстия к оси впрыска соответствующей форсунки. Это позволяет улучшить эффект забора воздуха от компрессора, создаваемый этими продолжениями.

Кроме того, в этом втором варианте изобретения радиально внутренняя кромка каждого отверстия может проходить параллельно тангенциальному направлению или вновь может быть наклонена относительно тангенциального направления.

В этом последнем случае наклон этой радиально внутренней кромки отверстий относительно тангенциального направления дает преимущества, поскольку эта кромка образует острый угол с направлением воздушного потока, и этот угол предпочтительно является прямым углом. Это позволяет довести до максимума эффект забора воздуха, создаваемый продолжениями.

В качестве варианта, наклон радиально внутренней кромки отверстий относительно тангенциального направления может быть таким, что эта кромка образует тупой угол с направлением, с которого приходит воздушный поток.

Настоящее изобретение также относится к кольцевой камере сгорания, предназначенной для установки после центробежного компрессора в турбомашине, содержащей две соосные стенки, соединенные друг с другом в передней части кольцевой торцевой стенкой заднего конца камеры вместе с кольцевым обтекателем описанного выше типа, имеющим внутреннюю сторону, обращенную к торцевой стенке заднего конца камеры, на верхней по потоку стороне этой стенки.

Известным способом обтекатель преимущественно содержит две торцевые кромки, соответственно, радиально внутреннюю и радиально внешнюю, которые прикреплены, соответственно к соосным стенкам камеры сгорания и/или к торцевой задней стенке этой камеры сгорания.

Изобретение также относится к турбомашине, содержащей кольцевую камеру сгорания описанного выше типа вместе с центробежным компрессором, установленным перед этой камерой сгорания.

Когда компрессор турбомашины для запитывания камеры сгорания подает воздушный поток, имеющий вращательный компонент, обтекатель камеры сгорания предпочтительно выполнен по второму варианту настоящего изобретения, описанному выше.

Краткое описание чертежей

Далее следует более подробное описание преимуществ и отличительных признаков настоящего изобретения на примере, не ограничивающем объем защиты, со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает частичный схематический вид в изометрии в форме осевого сечения турбомашины по первому предпочтительному варианту изобретения.

Фиг. 2 - частичный схематический вид в изометрии в форме осевого сечения камеры сгорания турбомашины по фиг. 1.

Фиг. 3 - частичный схематический вид турбомашины по фиг. 1 в форме осевого сечения по плоскости, содержащей ось топливной форсунки.

Фиг. 4 - частичный схематический вид турбомашины по фиг. 1 в форме осевого сечения по плоскости, равноудаленной от двух соседних топливных форсунок.

Фиг. 5 - кривую, представляющую потерю нагрузки воздушного потока от выхода компрессора турбомашины по фиг. 1 между выходом и выходным каналом кожуха, в котором расположена камера сгорания, как функцию отношения между осевой глубиной выступов, сформированных на обтекателе у задней торцевой стенки камеры сгорания, и средним радиусом задней торцевой стенки этой камеры сгорания.

Фиг. 6 - кривую, представляющую потерю нагрузки воздушного потока от выхода компрессора турбомашины по фиг. 1 между выходом и устройствами для впрыска топлива этой камеры сгорания как функцию отношения между осевой глубиной выступов, сформированных на обтекателе у задней торцевой стенки камеры сгорания, и средним радиусом задней торцевой стенки камеры сгорания.

Фиг. 7 - частичный схематический вид в изометрии турбомашины по второму варианту настоящего изобретения, иллюстрирующий обтекатель у задней торцевой стенки камеры сгорания этой турбомашины.

Фиг. 8 - частичный схематический вид в изометрии турбомашины по третьему предпочтительному варианту изобретения, иллюстрирующий обтекатель у задней торцевой стенки камеры сгорания этой турбомашины, представленный без других компонентов.

Фиг. 9 - частичный схематический вид в изометрии турбомашины по четвертому предпочтительному варианту изобретения, иллюстрирующий обтекатель у задней торцевой стенки камеры сгорания этой турбомашины, представленный без других компонентов.

На всех этих чертежах одинаковые или сравнимые компоненты обозначены одними и теми же позициями.

Подробное описание предпочтительных вариантов

На фиг. 1-4 показан кольцевой кожух 10, в котором расположена кольцевая камера 12 сгорания турбомашины 14 по первому предпочтительному варианту настоящего изобретения.

Турбомашина 14 содержит компрессор центробежного типа, расположенный перед кольцевым кожухом 10, от которого на фиг. 1, 3 и 4 видна только задняя кольцевая стенка 16. Выход компрессора соединен с диффузором/узлом направляющего аппарата 18, который открыт в радиально внешнюю область кольцевого кожуха 10.

Камера 12 сгорания ограничена двумя соосными стенками по существу конической формы, соответственно внутренней стенкой 20 и внешней стенкой 22.

Внутренняя стенка 20 камеры сгорания соединена с внутренней кольцевой стенкой 24 кожуха 10 внутренней кольцевой гильзой 26, а внешняя стенка 22 камеры сгорания соединена с внешней кольцевой стенкой 28 кожуха 10 внешней кольцевой гильзой 30. Вышеупомянутые кольцевые гильзы 26 и 30 имеют отверстия 32 для прохода воздуха (фиг. 3).

Внутренняя стенка 20 и внешняя стенка 22 камеры сгорания также соединены друг с другом на своих верхних по потоку концах задней кольцевой торцевой стенкой 33 (фиг. 1 и 2), которая проходит приблизительно в радиальном направлении и имеет множество устройств 35 для впрыска воздуха и топлива, каждое из которых содержит средство 36 для поддержки головки 38 топливной форсунки 40 вместе с воздушными входными отверстиями 41 (фиг. 3) известным способом.

Кольцевая задняя стенка 33 камеры сгорания покрыта со стороны набегающего потока воздуха кольцевым обтекателем 42, имеющим по существу С-образное осевое сечение, вогнутая сторона которого обращена в направлении потока воздуха (фиг. 1-4).

Обтекатель 42, таким образом, имеет внутреннюю сторону 42i, закрывающую заднюю торцевую стенку 33 камеры сгорания, и внешнюю сторону 42е, противоположную стенке 42i (фиг. 4).

Кроме того, обтекатель 42 содержит медианный кольцевой участок 44, проходящий приблизительно параллельно задней торцевой стенке 33 камеры сгорания, и два угловых участка, соответственно, внутренний участок 46 и внешний участок 48, которые изогнуты на своих нижних по потоку концах и предназначены для крепления обтекателя 42, например, с помощью болтов (фиг. 1 и 2), на внутренней стенке 20 и на внешней стенке 22 камеры сгорания, и на концах 50 и 52 задней кольцевой стенки 33 камеры сгорания, которые изогнуты к верхнему по потоку концу (фиг. 4).

В медианном кольцевом участке 44 обтекателя 42 выполнено множество отверстий 54, сквозь которые проходят головки 38 топливных форсунок 40 и которые пропускают воздух 68, предназначенный для запитывания впускных воздушных отверстий 41 впрыскивающего устройства 34 воздухом (фиг. 3), как будет более подробно показано ниже.

Кроме того, обтекатель 42 содержит множество выступов 56, сформированных по существу на его медианном кольцевом участке 44.

Точнее, каждый выступ 56 проходит радиально вовнутрь от радиально внутренней кромки 58 соответствующего отверстия 54 до внутреннего концевого кольцевого участка 46 обтекателя 42.

Таким образом, каждый выступ 56 определяет выступающее вверх по потоку продолжение 60 соответствующего отверстия 54, при этом продолжение 60 открыто радиально наружу (фиг. 2 и 3). Кроме того, каждый выступ, таким образом, образует воздухозаборник, который улучшает подачу воздуха на впрыскивающие устройства 34.

В первом варианте, показанном на фиг. 1-4, каждый выступ 56 имеет радиальную плоскость симметрии, содержащую центральную ось обтекателя 42, которая не видна на чертежах, а также ось 64 впрыска форсунки 38 соответствующего впрыскивающего устройства 34 (фиг. 3). Таким образом, плоскость фиг. 3 является плоскостью симметрии выступа 56, который показан на фиг. 3. Каждый выступ 56, следовательно, центрирован относительно соответствующего впрыскивающего устройства 34.

При работе компрессор подает воздушный поток 66 (фиг. 3 и 4), который делится в кольцевом кожухе 10 на центральный поток 68, запитывающий впрыскивающие устройства 34 через отверстия 54 в обтекателе 42, и два обходных потока, соответственно внутренний поток 70 и внешний поток 72, которые следуют, соответственно вдоль внутренней стенки 20 и вдоль внешней стенки 22 камеры 12 сгорания, вокруг последней, и часть которых запитывает, если применимо, впускные воздушные отверстия, сформированные в этих стенках 20, 22 (не показаны на чертежах), а остальная часть выходит из кольцевого кожуха 20 через отверстия 32 воздушного канала внутренней гильзы 26 и внешней гильзы 30.

В первом варианте, показанном на фиг. 1-4, воздушный поток 66 от компрессора не имеет заметного вращательного компонента, поэтому форма выступов 56, описанных выше, является особенно преимущественной.

Выступы 56 по существу позволяют снизить риск разделения воздушного потока 70, обходящего камеру 12 сгорания радиально внутрь, и, следовательно, позволяют снизить риск нестабильности работы камеры 12 сгорания.

Снижение риска разделения воздушного потока 70 приводит к уменьшению потерь нагрузки в этом воздушном потоке между выходом диффузора/направляющего аппарата 18 и отверстиями 32 для пропускания воздуха на нижнем по потоку конце кольцевого кожуха 10, как показано кривой на фиг. 5. Эта кривая, полученная методом цифрового моделирования, представляет потерю нагрузки воздушного потока 70 от компрессора турбомашины 14 между выходом и отверстиями 32 радиально внутреннего воздушного канала, расположенными на выходном конце кожуха 10 в соответствии с безразмерным отношением между осевой глубиной выступов 56 и средним радиусом задней стенки 33 камеры сгорания.

Точнее, кривая основана на первом расчете (точка 74) на основе кольцевого обтекателя известного типа, не имеющего выступов, прикрепленного к камере сгорания, задняя часть которой имеет средний радиус 252,75 мм, для которого рассчитанная потеря нагрузки составляет 1,42%, втором расчете (точка 76) на основе обтекателя, представленного на фиг. 1-4, и имеющего выступы с осевой глубиной 7 мм, для которой рассчитанная потеря нагрузки составляет 1,36%, и третьем расчете (точка 78) на основе обтекателя, аналогичного предыдущему, но выступы которого имели глубину 10 мм, что приводило к потере нагрузки 1,38%, при этом эти три расчета проводились для идентичных рабочих условий турбомашины 14.

Кроме того, выполняя функцию воздухозаборника, выступы 56 позволяют уменьшить потери нагрузки воздушным потоком 68, исходящим из выхода компрессора турбомашины 14 перед впускными воздушными отверстиями 41, устройство 34 впрыска топлива и воздуха, как показано кривой на фиг. 6.

Кривая представляет потерю нагрузки, полученную методом цифрового моделирования на основе трех расчетов, описанных выше, воздушного потока 68 от выхода компрессора турбомашины 14 между этим выходом и входными воздушными отверстиями 41 устройств 34 впрыска воздуха и топлива, как функцию отношения между осевой глубиной выступов 56 и средним радиусом задней стенки 33 камеры 12 сгорания.

Потеря нагрузки составила, соответственно, 0,50%, 0,43% и 0,41% для трех вышеприведенных расчетов.

Потеря нагрузки воздушным потоком 68, запитывающим устройства 34 впрыска топлива, таким образом, уменьшается по существу линейно при вышеуказанном безразмерном отношении (фиг. 6), тогда как потеря нагрузки воздушным потоком 70, обходящим камеру сгорания радиально внутрь (фиг. 5), уменьшается при выступах умеренной глубины, но восстанавливается, когда указанное безразмерное отношение превышает 2,8%, что можно объяснить тем фактом, что большая осевая глубина выступов 56 приводит к разделению воздушного потока 70.

На фиг. 7 показан второй предпочтительный вариант изобретения, в котором воздушный поток от компрессора имеет вращательный компонент.

В этом втором варианте выступы 56 обтекателя 42 имеют такую форму, чтобы каждое из продолжений 60 отверстий 54, образованных этими выступами 56, имело выступ 80, смещенный по окружности, относительно центральной оси 64 впрыска форсунки 38 соответствующего устройства 34 впрыска воздуха и топлива в таком направлении, чтобы воздушный поток 68, запитывающий эти устройства, встречался с этим выступом 80 до попадания на эту ось 64 впрыска. Каждый выступ 56 содержит по обе стороны от его выступа 80 изогнутый участок 84 относительно небольшой протяженности и приблизительно плоский участок 86 относительно большой протяженности, расположенный так, чтобы воздушный поток 68 сначала встречался с участком 84 небольшой протяженности, а затем с участком 86 большой протяженности.

Кроме того, радиально внутренняя кромка 58 каждого отверстия 54 проходит параллельно тангенциальному направлению (фиг. 7).

Как вариант, эта радиально внутренняя кромка 58 каждого отверстия 54 может быть наклонена относительно тангенциального направления, как показано на фиг. 8 и 9.

В этом случае наклон радиально внутренней кромки 58 отверстий 54 относительно тангенциального направления преимущественно таков, что эта кромка 58 образует острый угол 88 с направлением 90 прихода воздушного потока 68. Наклон этой кромки 58 предпочтительно таков, что кромка 58 проходит приблизительно перпендикулярно направлению 90 прихода воздушного потока 68, как показано на фиг. 8. Это позволяет увеличить до максимума эффект воздухозаборника, создаваемый продолжениями 60.

В качестве варианта, наклон радиально внутренней кромки 58 отверстий 54 относительно тангенциального направления может быть таков, что эта кромка 48 образует тупой угол 92 с направлением 90 прихода воздушного потока 68.

Кольцевой обтекатель имеет внутреннюю сторону, закрывающую заднюю торцевую стенку кольцевой камеры сгорания турбомашины, оснащенной центробежным компрессором, и внешнюю сторону, расположенную напротив внутренней стороны. Обтекатель содержит множество отверстий, предназначенных для прохода сквозь них топливных форсунок, поддерживаемых задней торцевой стенкой камеры сгорания. Кольцевой обтекатель содержит множество выступов, которые проходят, выступая из внешней стороны обтекателя, радиально внутрь, соответственно, от соответствующей радиально внутренней кромки отверстий так, что каждый из этих выступов определяет продолжение соответствующего отверстия, открытого радиально наружу с возможностью формирования воздухозаборника. Изобретение направлено на повышение экономичности и эффективности работы камеры сгорания. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Кольцевой обтекатель (42), имеющий внутреннюю сторону (42i), закрывающую заднюю торцевую стенку (33) кольцевой камеры сгорания турбомашины (14), оснащенной центробежным компрессором, и внешнюю сторону (42е), расположенную напротив внутренней стороны (42i), причем обтекатель содержит множество отверстий (54), предназначенных для прохода сквозь них топливных форсунок (38, 40), поддерживаемых задней торцевой стенкой (33) камеры (12) сгорания, отличающийся тем, что содержит множество выступов (56), которые проходят, выступая из внешней стороны (42е) обтекателя, радиально внутрь, соответственно, от соответствующей радиально внутренней кромки (58) отверстий (45) так, что каждый из этих выступов (56) определяет продолжение (60) соответствующего отверстия (54), открытого радиально наружу с возможностью формирования воздухозаборника.

2. Обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что выступы (56) проходят до радиально внутреннего конца обтекателя (42).

3. Обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что каждый выступ (56) имеет радиальную плоскость симметрии, включающую центральную ось обтекателя и ось (64) впрыска соответствующего отверстия (54).

4. Обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что продолжение (60) каждого из отверстий (54) имеет выступ, смещенный по окружности относительно оси (64) впрыска отверстия (54).

5. Кольцевая камера (12) сгорания для установки после центробежного компрессора в турбомашине (14), содержащая две соосные стенки (20, 22), соединенные друг с другом спереди кольцевой торцевой стенкой (33), отличающаяся тем, что содержит кольцевой обтекатель (42) по любому из предшествующих пунктов, имеющий внутреннюю сторону (42i), закрывающую кольцевую торцевую стенку (33) верхнего по потоку конца камеры сгорания.

6. Турбомашина (14), отличающаяся тем, что содержит кольцевую камеру (12) сгорания по п. 5, вместе с центробежным компрессором, установленным перед этой камерой (12) сгорания.

7. Турбомашина по п. 6, отличающаяся тем, что компрессор выполнен с возможностью подавать воздушный поток (66), запитывающий камеру (12) сгорания, не имеющий вращательного компонента, причем обтекатель (42) камеры (12) сгорания выполнен по п. 3.

8. Турбомашина по п. 6, отличающаяся тем, что компрессор выполнен с возможностью подавать воздушный поток (66), запитывающий камеру (12) сгорания, имеющий вращательный компонент, причем обтекатель камеры (12) сгорания выполнен по п. 4.