Входное устройство кольцевой камеры сгорания Российский патент 2024 года по МПК F23R3/00 

Изобретение относится к разделу машиностроения, конкретно к входным устройствам камеры сгорания непрерывного действия с управляемым воздушным потоком путем воздействия на пограничный слой текучей среды в каналах.

Известен кольцевой диффузор с внезапным расширением проходного сечения, содержащий успокоительный участок, короткий обычный диффузор и широкую полость, охватывающую жаровую трубу [1, рис. 3.25, с. 118].

В известном диффузоре начальный участок с расширяющимся каналом для уменьшения гидравлических потерь выполняют в безотрывном исполнении. По измерениям И. Никурадзе, впервые отрыв происходит при полуугле раствора, равном 4,8…5,1° [2, с. 602]. В условиях высокой турбулентности за лопаточными решётками спрямляющего аппарата, угол раствора расширяющегося канала принимают порядка 6°…7°, не превышающим 8°. При таком угле, для обеспечения необходимого уменьшения скорости потока, длина безотрывного участка получается значительным, что является недостатком.

Известны схемы способов улучшения работы коротких диффузоров, в частности, метод сдувания пограничного слоя [3, рис. 5-19, б, с. 198].

Известный способ предполагает наличие постороннего источника повышенного давления воздуха, что сдерживает широкое применение и является недостатком.

Известно входное устройство кольцевой камеры сгорания, преимущественно газотурбинного двигателя, выбранное заявителем в качестве прототипа, 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. 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 [4].

Недостатком известного устройства является увеличенная длина из-за малого угла раствора безотрывного диффузора. В одноканальных геометрических безотрывных диффузорах единственным путём сокращения длины в осевом направлении является увеличение угла раствора расходящихся стенок.

Предлагаемым изобретением решается задача сокращения длины входного устройства кольцевой камеры сгорания путём увеличения угла раствора участка с безотрывным диффузором.

Для достижения такого технического результата во входном устройстве кольцевой камеры сгорания, содержащем размещённые между двумя коаксиальными патрубками спрямляющий аппарат с лопатками, каждая из которых имеет внутреннюю полость и щелевой паз вдоль кромки в средней части между двумя коаксиальными патрубками, причем по меньшей мере один патрубок, например внутренний, содержит кольцевую обечайку, образующую кольцевой канал, ограниченный передней и задней торцевыми стенками, сообщённый с одной стороны с полостью безотрывного диффузора, расположенного за спрямляющим аппаратом, с другой стороны внутренними полостями спрямляющих лопаток, задняя торцевая стенка совмещена с расширяющимся участком коаксиального патрубка, выполнена составным из конических обечаек, каждая пара из которых размещена взаимно с зазором с образованием конической щели, сообщенной на входе с кольцевым каналом, на выходе с полостью проточной части безотрывного диффузора, щелевые пазы на лопатках спрямляющего аппарата выполнены на передней кромке в виде приёмников полного давления за лопатками рабочего колеса последней ступени компрессора по высоте на длине не более двух третей расстояния между двумя коаксиальными патрубками.

При этом, суммарная площадь щелей обечаек не превышает трёх четвертей суммарной площади щелевых пазов лопаток спрямляющего аппарата, выполнено скругление входных кромок безотрывного диффузора, а первая щель обечаек расположена в непосредственной близости у входа в безотрывной диффузор.

Отличительными признаками предлагаемого входного устройства кольцевой камеры сгорания от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является то, что задняя торцевая стенка совмещена с расширяющимся участком коаксиального патрубка, выполнена составным из конических обечаек, каждая пара из которых размещена взаимно с зазором с образованием конической щели, сообщенной на входе с кольцевым каналом, на выходе с полостью проточной части безотрывного диффузора, щелевые пазы на лопатках спрямляющего аппарата выполнены на передней кромке в виде приёмников полного давления за лопатками рабочего колеса последней ступени компрессора по высоте на длине не более двух третей расстояния между двумя коаксиальными патрубками.

При этом, суммарная площадь щелей обечаек не превышает трёх четвертей суммарной площади щелевых пазов лопаток спрямляющего аппарата, выполнено скругление входных кромок безотрывного диффузора, а первая щель обечаек расположена в непосредственной близости у входа в безотрывной диффузор.

Благодаря наличию этих признаков, кольцевой канал по существу является ресивером полного давления на выходе из рабочих лопаток последней ступени компрессора, воздух из которого можно использовать для воздействия на пограничный слой безотрывного диффузора.

На фиг. 1 представлен участок газотурбинного двигателя с верхней половиной входного устройства кольцевой камеры сгорания, где на продольном разрезе лопатка соплового аппарата условно показана в виде развертки по средней линии профиля; 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;

на фиг. 3 - выноска В фиг. 2.

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 с лопатками 6, каждая из которых имеет внутреннюю полость 7 и щелевой паз 8 вдоль кромки 9 в средней части между двумя коаксиальными патрубками 3 и 4, причем по меньшей мере один патрубок, например внутренний 4, содержит кольцевую обечайку 10, образующую кольцевой канал 11, ограниченный передней 12 и задней 13 торцевыми стенками, сообщённый с одной стороны с полостью 14 безотрывного диффузора, расположенного за спрямляющим аппаратом, с другой стороны внутренними полостями спрямляющих лопаток 6, задняя торцевая стенка 13 совмещена с расширяющимся участком коаксиального патрубка 4, выполнена составным из конических обечаек 15, каждая пара из которых размещена взаимно с зазором с образованием конической щели 16, сообщенной на входе с кольцевым каналом 11, на выходе с полостью 14 проточной части безотрывного диффузора, щелевые пазы 8 на лопатках 6 спрямляющего аппарата 5 выполнены на передней кромке 9 в виде приёмников полного давления за лопатками рабочего колеса 1 последней ступени компрессора по высоте на длине не более двух третей расстояния между двумя коаксиальными патрубками 3 и 4.

Другой патрубок, например, наружный 3, также может содержать кольцевую обечайку 17, образующую кольцевой канал 18, ограниченный передней 19 и задней 20 торцевыми стенками, сообщённый с одной стороны с полостью 14 безотрывного диффузора, расположенного за спрямляющим аппаратом, с другой стороны внутренними полостями спрямляющих лопаток 6, задняя торцевая стенка 20 совмещена с расширяющимся участком коаксиального патрубка 3, выполнена составным из конических обечаек 21, каждая пара из которых размещена взаимно с зазором с образованием конической щели 22, сообщенной на входе с кольцевым каналом 18, на выходе с полостью 14 проточной части безотрывного диффузора.

При этом, суммарная площадь щелей 16 и 22 обечаек 15 и 21 не превышает трёх четвертей суммарной площади щелевых пазов 8 лопаток 6 спрямляющего аппарата 5, выполнено скругление входных кромок 23 безотрывного диффузора, а первая щель 16 обечаек 15 и первая щель 22 обечаек 21 расположена в непосредственной близости у входа в безотрывной диффузор.

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 14 и, далее, в полость перед фронтовым устройством 2.

При этом, одна часть воздуха за рабочим колесом 1 в направлении абсолютной скорости потока с₂ через щелевой паз 8 поступает на вход во внутреннюю полость 7 лопаток 6 спрямляющего аппарата 5 и далее в кольцевой канал 11 внутреннего патрубка 4. Другая часть воздуха аналогичным образом поступает кольцевой канал 18 наружного патрубка 3.

Из кольцевых каналов 11 и 18, являющихся, по существу, ресиверами полного давления на выходе из лопаток рабочего колеса 1 последней ступени компрессора, осуществляется вдув (инжекция) воздуха с повышенным давлением через конические щели 16 и 22 вдоль расходящихся конических обечаек 15 и 21.

В свою очередь, активный поток воздуха через конические щели 16 и 22 увеличивает кинетическую энергию в пограничном слое, способствует уменьшению толщины потери импульса, ответственного за отрыв потока от поверхностей обечаек 15 и 21, и позволяет увеличить угол раствора при безотрывном течении в диффузоре.

Выполнение суммарной площади щелей 16 и 22 менее трёх четвертей суммарной площади щелевых пазов 8 лопаток 6 спрямляющего аппарата 5 обеспечивает устойчивый перепад давления в зазорах между коническими обечайками 15 и 21.

Скругление входных кромок 23 безотрывного диффузора и расположение первых щелей 16 и 22 обечаек 15 и 21 в непосредственной близости у входа в безотрывной диффузор предотвращает воздействие неблагоприятных факторов, в частности кромочного следа и вихревого шнура за лопатками 6, способствующих раннему увеличению толщины потери импульса в пограничном слое коаксиальных патрубков 3 и 4, на отрыв потока от стенок в полости 14.

Расчеты показывают, при степени расширения потока, равном 2 (двум), и увеличении полуугла раствора до 15° можно уменьшить длину участка с безотрывным диффузором в 3 раза без дополнительных гидравлических потерь.

Предложенная конструкция обеспечивает активное управление пограничным слоем в расширяющемся канале без дополнительных гидравлических потерь и без потери массы рабочего тела (воздуха) для увеличения угла раствора безотрывного диффузора, что позволяет существенно уменьшить (до 100 мм) длину входного устройства кольцевой камеры сгорания, соответственно, корпусных деталей и валов газотурбинного двигателя в этом поперечном сечении и, как следствие, массы (веса) двигателя в целом.

1. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД, перевод с англ. под редакцией Дорошенко В.Е., М., изд. “Мир”, 1986 г.

2. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя, М., изд. “Наука”, 1974 г.

3. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям, М., изд. “Машиностроение”, 1992 г.

4. RU 2802905, МПК: F23R 3/00, опубл. бюлл. № 25, 2023 г.

Изобретение относится к входным устройствам камеры сгорания. Устройство содержит размещенный между двумя коаксиальными патрубками 3 и 4 спрямляющий аппарат 5 с лопатками 6, каждая из которых имеет внутреннюю полость 7 и щелевой паз 8 вдоль передней кромки 9, причем по меньшей мере один патрубок содержит кольцевую обечайку 10, образующую кольцевой канал 11, ограниченный передней 12 и задней 13 торцевыми стенками, сообщённый с одной стороны с полостью 14 безотрывного диффузора, расположенного за спрямляющим аппаратом, с другой стороны - внутренними полостями спрямляющих лопаток 6, задняя торцевая стенка 13 выполнена составной из конических обечаек 15, каждая пара из которых размещена взаимно с зазором с образованием конической щели 16, сообщенной на входе с кольцевым каналом 11, на выходе с полостью 14, щелевые пазы 8 выполнены в виде приёмников полного давления по высоте на длине не более двух третей расстояния между двумя коаксиальными патрубками 3 и 4. Изобретение позволяет уменьшить длину входного устройства и массу двигателя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Входное устройство кольцевой камеры сгорания, преимущественно газотурбинного двигателя, содержащее размещённый между двумя коаксиальными патрубками спрямляющий аппарат с лопатками, каждая из которых имеет внутреннюю полость и щелевой паз вдоль кромки в средней части между двумя коаксиальными патрубками, причем по меньшей мере один патрубок, например внутренний, содержит кольцевую обечайку, образующую кольцевой канал, ограниченный передней и задней торцевыми стенками, сообщённый с одной стороны с полостью безотрывного диффузора, расположенного за спрямляющим аппаратом, с другой стороны - внутренними полостями спрямляющих лопаток, отличающееся тем, что задняя торцевая стенка совмещена с расширяющимся участком коаксиального патрубка, выполнена составной из конических обечаек, каждая пара из которых размещена взаимно с зазором с образованием конической щели, сообщенной на входе с кольцевым каналом, на выходе - с полостью проточной части безотрывного диффузора, щелевые пазы на лопатках спрямляющего аппарата выполнены на передней кромке в виде приёмников полного давления за лопатками рабочего колеса последней ступени компрессора по высоте на длине не более двух третей расстояния между двумя коаксиальными патрубками.

2. Входное устройство кольцевой камеры сгорания по п. 1, отличающееся тем, что суммарная площадь щелей обечаек не превышает трёх четвертей суммарной площади щелевых пазов лопаток спрямляющего аппарата.

3. Входное устройство кольцевой камеры сгорания по п. 1, отличающееся тем, что выполнено скругление входных кромок безотрывного диффузора, а первая щель обечаек расположена в непосредственной близости у входа в безотрывной диффузор.