Входное устройство кольцевой камеры сгорания Российский патент 2023 года по МПК F23R3/00 

Изобретение относится к разделу машиностроения, конкретно к входным устройствам камеры сгорания непрерывного действия, характеризуемое конфигурацией воздушного потока.

Известен диффузор камеры сгорания, образованный корпусом наружным и корпусом внутренним (Двигатель НК-8-2У, руководство по технической эксплуатации, часть 1, глава-раздел-предмет: 72-40-00, с. с. 1-6).

Известный диффузор содержит профилированные внутренние поверхности, выполненные по изоградиентному закону с постоянным приростом статического давления р или объема V по мере движения воздуха вдоль оси х камеры сгорания, т.е. dp/dx=const или dV/dx=const. Здесь постоянная величина (const) выбирается таким образом, чтобы исключить появление положительного градиента давления на стенках в пограничном слое, когда поток начинает двигаться в обратном направлении, способствуя отрыву основного течения от поверхности канала.

Изоградиентные диффузоры достаточно эффективны в отношении потерь полного давления, обеспечивают равномерное поле скоростей, однако при всех полезных характеристиках аналогичные конструкции, как правило, не применяются при проектировании новых камер сгорания, особенно авиационных газотурбинных двигателей. Последнее связано с тем, что диффузоры получаются достаточно протяженными по длине, что является недостатком.

Известно, что при расчленении на крупные узлы, в состав камеры сгорания газотурбинного двигателя кроме собственно камеры сгорания включаются также спрямляющий аппарат потока воздуха за компрессором, равно как и сопловой аппарат турбины, см. например, Г.С. Скубачевский, Авиационные газотурбинные двигатели: конструкция и расчет деталей, М., Машиностроение, 1969 г., с. 7, рис. 1.04а.

Известно направляющее устройство для потока воздуха на входе в камеру сгорания газотурбинного двигателя содержащее спрямляющий аппарат и расположенный за ним диффузор. Спрямляющий аппарат содержит две коаксиальные обечайки, между которыми размещены лопатки, проходящие по существу в радиальном направлении. Диффузор содержит две коаксиальные стенки, представляющие собой тела вращения и связанные друг с другом при помощи радиальных перегородок. Одна из обечаек спрямляющего аппарата сформирована в виде единой детали с одной представляющей собой тело вращения стенкой диффузора. Другая обечайка спрямляющего аппарата присоединена и закреплена на другой представляющей собой тело вращения стенке диффузора. Лопатки спрямляющего аппарата жестко связаны одним концом с одной обечайкой спрямляющего аппарата и отстоят с небольшим зазором от другой обечайки на другом конце. Изобретение направлено на упрощение технологии изготовления направляющего устройства (RU 2435104, МПК: F23R 3/04, F01D 9/02, F04D 29/54, опубликовано: 27.11.2011 Бюл. №33). Известное техническое решение выбрано заявителем в качестве ближайшего аналога.

В известном устройстве два ряда решеток, спрямляющий аппарат и радиальные перегородки увеличивают общую длину входного устройства камеры сгорания, а также создают дополнительные потери полного давления сжатого воздуха, связанные с загромождением проточного тракта вспомогательными радиальными перегородками, что является недостатком.

Известен диффузор камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащий кольцевой входной патрубок, коаксиально установленные внутреннюю и наружную кольцевые обечайки, образующие кольцевой канал, ограниченный передней и задней торцевыми стенками, перфорированную перегородку, размещенную в канале с образованием камеры разрежения и вихревой камеры, сообщенной с полостью внутренней обечайки, и выходной расширяющийся патрубок, соединенный с задней торцевой стенкой, при этом выходной участок входного патрубка расположен во внутренней обечайке с образованием кольцевой щели, сообщенной с камерой разрежения (SU №1445336, МПК: F23R 3/26, подписано к печати 10.10.1988 года), выбранный заявителем в качестве прототипа.

В известном устройстве кольцевой входной патрубок размещен в успокоительном участке на входе в диффузор коаксиально внутренней обечайке. Из такого расположения входного патрубка выявляются два недостатка известного диффузора. Это увеличенная протяженность по длине и недостаточная эффективность вовлечения отбираемого из вихревой камеры воздуха в основной поток из-за взаимодействия активного и пассивного потоков в пограничном слое с низкой кинетической энергией струй.

Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения суммарной длины входного устройства кольцевой камеры сгорания, преимущественно газотурбинного двигателя, и повышение эффективности работы путем вовлечения отбираемого из вихревой камеры воздуха в основной поток в зоне высоких скоростей.

Для достижения такого технического результата во входном устройстве кольцевой камеры сгорания, преимущественно газотурбинного двигателя, содержащем размещенные между двумя коаксиальными патрубками спрямляющий аппарат и расположенный за ним по потоку безотрывной диффузор, причем по меньшей мере один патрубок, например, наружный, содержит кольцевую обечайку, образующую кольцевой канал, ограниченный передней и задней торцевыми стенками, перфорированную перегородку, размещенную в канале с образованием камеры разрежения и вихревой камеры, сообщенной с полостью безотрывного диффузора, и выходной расширяющийся патрубок, соединенный с задней торцевой стенкой, дополнительно лопатки спрямляющего аппарата выполнены с внутренней полостью и каждая снабжена щелевым пазом на задней кромке в средней части на длине не менее половины расстояния между двумя коаксиальными патрубками, причем внутренние полости лопаток сообщены с одной стороны с полостью разрежения, с другой, через щелевые пазы, с проточной частью входного устройства.

При этом во входном устройстве кольцевой камеры сгорания, камеры разрежения наружного и внутреннего патрубков сообщены между собой через внутренние полости спрямляющих лопаток.

Отличительными признаками предлагаемого входного устройства кольцевой камеры сгорания от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является выполнение лопаток спрямляющего аппарата с внутренней полостью и при этом каждая снабжена щелевым пазом на задней кромке в средней части на длине не менее половины расстояния между двумя коаксиальными патрубками, причем внутренние полости лопаток сообщены, с одной стороны с полостью разрежения, с другой, через щелевые пазы, с проточной частью входного устройства.

Благодаря наличию этих признаков удается уменьшить суммарную длину входного устройства, улучшить передачу кинетической энергии активного потока пассивному потоку путем непосредственного контакта (смешения) и повысить тем самым эффективность работы вихревой камеры.

Выполнение с возможностью газодинамического сообщения камеры разрежения наружного и внутреннего патрубков между собой через внутренние полости спрямляющих лопаток позволяет выравнивать статические давления и обеспечивает работу обоих вихревых камер в одинаковых условиях.

На фиг. 1 представлен продольный разрез, верхняя половина входного устройства кольцевой камеры сгорания, где штрихпунктирной линией обозначена ось симметрии; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А фиг. 1, развертка решеток рабочего колеса и спрямляющего аппарата, где: u - линейная окружная скорость рабочего колеса в сечении А-А;

w₂ - скорость потока воздуха в сечении А-А на входе в спрямляющий аппарат относительно рабочего колеса;

c₂ - абсолютная скорость потока воздуха в сечении А-А на входе в спрямляющий аппарат;

c₃ - абсолютная скорость потока воздуха в сечении А-А на выходе из спрямляющего аппарата.

В составе газотурбинного двигателя, входное устройство кольцевой камеры сгорания располагается между рабочим колесом 1 последней ступени компрессора и фронтовым устройством 2 жаровой трубы.

Входное устройство кольцевой камеры сгорания содержит размещенные между двумя коаксиальными патрубками 3 и 4 спрямляющий аппарат 5 и расположенный за ним по потоку безотрывной диффузор 6, причем по меньшей мере один патрубок, например, наружный 3, содержит кольцевую обечайку 7, образующую кольцевой канал, ограниченный передней 8 и задней 9 торцевыми стенками, перфорированную перегородку 10, размещенную в канале с образованием камеры разрежения 11 и вихревой камеры 12, сообщенной с полостью 13 безотрывного диффузора 6 через кольцевую щель 14, и выходной расширяющийся патрубок 15, соединенный с задней торцевой стенкой 8, при этом лопатки 16 спрямляющего аппарата 5 выполнены с внутренней полостью 17 и каждая снабжена щелевым пазом 18 на задней кромке 19 в средней части на длине не менее половины расстояния между двумя коаксиальными патрубками 3 и 4, причем внутренние полости 17 лопаток сообщены с одной стороны с полостью разрежения 11, с другой, через щелевые пазы 18, с проточной частью входного устройства, образованной коаксиальными патрубками 3 и 4. Таким образом, вихревая камера 12 сообщена с одной стороны с полостью 13 диффузора 6 посредством камеры разрежения 11 через отверстия перфорированной перегородки 10, полостей 17 и щелевых пазов 18 лопаток 16 спрямляющего аппарата 5, с другой стороны сообщена с проточной частью входного устройства с помощью кольцевой щели 14.

Другой патрубок, например, внутренний 4, также может содержать кольцевую обечайку 20, образующую кольцевой канал, ограниченный передней 21 и задней 22 торцевыми стенками, перфорированную перегородку 23, размещенную в канале с образованием камеры разрежения 24 и вихревой камеры 25, сообщенной с полостью 13 безотрывного диффузора 6 через кольцевую щель 26, и выходной расширяющийся патрубок 27, соединенный с задней торцевой стенкой 21.

При таком исполнении входного устройства кольцевой камеры сгорания спрямляющий аппарат 5 размещен с возможностью сообщения камер разрежения 11 и 24, соответственно, наружного 3 и внутреннего 4 патрубков между собой через внутренние полости 17 лопаток 16.

Входное устройство кольцевой камеры сгорания, в частности, в составе газотурбинного двигателя работает следующим образом.

Закрученный воздух из рабочего колеса 1 последней ступени осевого компрессора поступает в размещенный между двумя коаксиальными патрубками 3 и 4 спрямляющий аппарат 5, где выпрямляется в осевом направлении и поступает через короткий успокоительный участок с постоянной площадью проходного сечения, образованный наружным 3 и внутренним 4 коаксиальными патрубками, в безотрывной диффузор 6 и далее, проходя вихревые камеры 12 и (или) 25, в полость перед фронтовым устройством 2, сформированным выходными расширяющимися патрубками 15 и 27. При этом одна часть воздуха, выходящая из полости 13 безотрывного диффузора 6 через кольцевую щель 14, поступает в вихревую камеру 12, из которой сквозь отверстия перфорированной перегородки 10 отбирается в камеру 11 разрежения и далее, протекая полости 17 и щелевые пазы 18 лопаток 16 спрямляющего аппарата 5, вытягивается обратно в полость 13 под действием активного потока проточной части входного устройства в средней области по высоте между коаксиальными патрубками наружным 3 и внутренним 4 в результате взаимного обмена энергии и массы двух течений.

Другая часть воздуха, выходящая из полости 13 безотрывного диффузора 6, через кольцевую щель 26 поступает в вихревую камеру 25, из которой сквозь отверстия перфорированной перегородки 23 отбирается в камеру 24 разрежения и далее, также протекая полости 17 и щелевые пазы 18 лопаток 16 спрямляющего аппарата 5, эжектируется обратно в полость 13.

В процессе работы входного устройства кольцевой камеры сгорания осуществляется газодинамическое взаимодействие камер разрежения 11 и 24 наружного 3 и внутреннего 4 патрубков между собой через внутренние полости 17 лопаток 16 спрямляющего аппарата 5, выравнивающее статические давления в их полостях и обеспечивающее тем самым сходные между собой условия для функционирования вихревых камер 12 и 25 на выходе потока из диффузора 6.

Такая конструкция обеспечивает интенсивный энергетический и массовый обмен активного и пассивного потоков воздуха в зоне высоких градиентов скорости, что положительно сказывается на работе вихревых камер и повышается эффективность работы входного устройства кольцевой камеры сгорания в целом. Кроме этого реализация совокупности признаков позволяет уменьшить суммарную длину входного устройства кольцевой камеры сгорания и создает условия для применения последнего в составе авиационного газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к входным устройствам камеры сгорания непрерывного действия, преимущественно газотурбинного двигателя. Входное устройство кольцевой камеры сгорания содержит размещённые между двумя коаксиальными патрубками спрямляющий аппарат и расположенный за ним по потоку безотрывной диффузор, причем по меньшей мере один патрубок, например наружный, содержит кольцевую обечайку, образующую кольцевой канал, ограниченный передней и задней торцевыми стенками, перфорированную перегородку, размещённую в канале с образованием камеры разрежения и вихревой камеры, сообщённой с полостью безотрывного диффузора, и выходной расширяющийся патрубок, соединенный с задней торцевой стенкой. Лопатки спрямляющего аппарата выполнены с внутренней полостью и каждая снабжена щелевым пазом на задней кромке в средней части на длине не менее половины расстояния между двумя коаксиальными патрубками, причем внутренние полости лопаток сообщены с одной стороны с полостью разрежения, с другой, через щелевые пазы, с проточной частью входного устройства. Изобретение позволяет уменьшить суммарную длину входного устройства кольцевой камеры сгорания и повысить эффективность работы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Входное устройство кольцевой камеры сгорания, преимущественно газотурбинного двигателя, содержащее размещённые между двумя коаксиальными патрубками спрямляющий аппарат и расположенный за ним по потоку безотрывной диффузор, причем по меньшей мере один патрубок, например наружный, содержит кольцевую обечайку, образующую кольцевой канал, ограниченный передней и задней торцевыми стенками, перфорированную перегородку, размещённую в канале с образованием камеры разрежения и вихревой камеры, сообщённой с полостью безотрывного диффузора, и выходной расширяющийся патрубок, соединенный с задней торцевой стенкой, отличающееся тем, что лопатки спрямляющего аппарата выполнены с внутренней полостью и каждая снабжена щелевым пазом на задней кромке в средней части на длине не менее половины расстояния между двумя коаксиальными патрубками, причем внутренние полости лопаток сообщены с одной стороны с полостью разрежения, с другой, через щелевые пазы, с проточной частью входного устройства.

2. Входное устройство кольцевой камеры сгорания по п.1, отличающееся тем, что камеры разрежения наружного и внутреннего патрубков сообщены между собой через внутренние полости спрямляющих лопаток.