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.

Известен аэродинамический, или плавный, кольцевой диффузор, содержащий успокоительный участок в виде секции с постоянным проходным сечением, воздухозаборник и три области торможения, первая из которых в виде расходящегося кольцевого канала, образованного наружным и внутренним корпусами, расположена вблизи выхода из компрессора за успокоительным участком перед воздухозаборником, две последующие области торможения расположены в полостях, охватывающих последовательно воздухозаборник и жаровую трубу (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД, перевод с англ. под редакцией Дорошенко В.Е., М., изд. “Мир”, 1986 г., с. 116, рис. 3.23) [1].

Недостатком известного диффузора является чувствительность к изменению профиля потока за спрямляющим аппаратом (компрессором) при изменении режимов работы двигателя, соответственно, неравномерная подача воздуха в жаровую трубу и искажение расчетного температурного поля на выходе из камеры сгорания. По этой причине, несмотря на низкие гидравлические потери полного давления, такие диффузоры в современных конструкциях камер сгорания, как правило, не применяются.

Известен кольцевой диффузор с внезапным расширением проходного сечения, содержащий успокоительный участок, короткий обычный диффузор и широкую полость, охватывающую жаровую трубу ([1] с. 118, рис. 3.25). Несмотря на повышенные потери полного давления, такие диффузоры получили широкое применение в современных камерах сгорания, преимущественно из-за меньшей длины.

Полное выравнивание турбулентного потока в каналах по всему поперечному сечению по разным данным происходит на длине от 25...40 до 50...100 калибров (диаметров), (Шлихтинг Г., Теория пограничного слоя, М., изд. “Наука”, 1974 г., с. 536) [2] или, в отмеченных устройствах, высоты канала успокоительного участка.

В известных диффузорах длину успокоительного участка рекомендуется принять равной удвоенной ширине хорды лопатки компрессора или спрямляющего аппарата ([1] с. 115). Этой длины достаточно для диссипации вихрей за выходными кромками лопаток в результате взаимодействия кромочного следа, вихревой дорожки с ядром потока, выравнивания поля скоростей, статических давлений в турбулентном пограничном слое и предотвращения неконтролируемых местных отрывов потока от поверхностей стенок в диффузоре.

Тем не менее, несмотря на существенную пользу, такая длина успокоительного участка известных диффузоров применительно к газотурбинным двигателям, особенно, авиационным, является неприемлемым из-за значительной длины в осевом направлении, что приводит к удлинению корпусных деталей и валов в этом поперечном сечении и, как следствие, существенному увеличению массы двигателя в целом. Для примера, при длине хорды 80 мм, вклад успокоительного участка в общую длину газотурбинного двигателя будет составлять 160 мм. Таким образом, длинный успокоительный участок является недостатком известных диффузоров.

Известна кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая жаровую трубу, фронтовое устройство, обтекатель с открытой передней центральной частью и диффузор, содержащий наружную стенку, внутреннюю стенку и две кольцевые перегородки между ними, образующие три кольцевых прохода внутри диффузора для подачи воздуха в камеру сгорания, при этом каждая перегородка состоит из основного участка, входного участка и выходного участка, при этом, кромки входных участков перегородок выполнены острыми, выходные участки перегородок выступают по отношению к стенкам диффузора и имеют форму, обеспечивающую предотвращение отрыва потока воздуха и образование в следе за ними зон обратных токов, поверхности основных участков перегородок имеют коническую форму, а кромки открытой передней части обтекателя лежат на продолжении образующих поверхностей основных участков перегородок ( RU 2670858, МПК: F23R 3/50, F23R 3/46, опубл. бюл. №32, 2018 г.).

В известной кольцевой камере сгорания увеличивается общая поверхность трения во входном устройстве (диффузоре) не менее чем в три раза - шесть поверхностей трения против двух в обычном диффузоре, соответственно, в три раза увеличиваются путевые потери полного давления воздуха, что является недостатком. Кроме этого, происходит перестройка структуры потока во входном канале кольцевых проходов. Из-за взаимного влияния пограничных слоев с низкими скоростями, в наружном и внутреннем проходах происходит стеснение и затормаживание потока. Так как общий расход воздуха не меняется, увеличивается скорость потока в центральном проходе, то есть по отношению к центральному проходу, поток во входном канале приобретает свойства конфузорного, соответственно, поступает по линии тока под углом на острые входные кромки перегородок. Это является недостатком, так как не исключается отрыв потока на входе в центральный канал и связанные с этим дополнительные потери полного давления воздуха.

Известно входное устройство кольцевой камеры сгорания, преимущественно газотурбинного двигателя, выбранное заявителем в качестве прототипа, содержащее 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. 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 (RU 2802905, МПК: F23R 3/00, опубл. бюл. №25, 2023 г.).

В известном устройстве закрученный воздух из рабочего колеса последней ступени осевого компрессора поступает в размещенный между двумя коаксиальными патрубками спрямляющий аппарат, где выпрямляется в осевом направлении и поступает через короткий успокоительный участок с постоянной площадью проходного сечения, образованный наружным и внутренним коаксиальными патрубками, в безотрывной диффузор. При этом, из-за короткого успокоительного участка с длиной в осевом направлении менее удвоенной ширины хорды лопатки рабочего колеса или спрямляющего аппарата с целью исключения отрыва потока от стенок безотрывного диффузора в следе за выходными кромками спрямляющих лопаток в условиях положительного градиента давления приходится уменьшать угол раскрытия безотрывного диффузора, что приводит к удлинению последнего для обеспечения заданной средней скорости потока на выходе и является недостатком известного входного устройства кольцевой камеры сгорания.

Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения длины входного устройства кольцевой камеры сгорания при сохранении эффективности работы безотрывного диффузора путем уменьшения влияния крупномасштабных вихрей на выходе из спрямляющих лопаток на пограничный слой.

Для достижения такого технического результата во входном устройстве кольцевой камеры сгорания, преимущественно газотурбинного двигателя, содержащем размещенные между коаксиальными патрубками спрямляющий аппарат, расположенный за ним по потоку успокоительный участок, безотрывной диффузор, вихревую камеру, сообщенную с полостью безотрывного диффузора, дополнительно на входе в успокоительный участок размещены чередующиеся в окружном направлении выпуклые выступы и вогнутые впадины относительно образующей поверхностей и ориентированные вдоль оси коаксиальных патрубков.

При этом, в поперечном сечении впадины размещены против выходных кромок лопаток спрямляющего аппарата, выступы и впадины выполнены в виде сегментов цилиндра, в окружном направлении впадины выполнены шире выступов, в поперечном сечении выступы и впадины имеют либо форму прямоугольника, либо трапеций. В осевом направлении выступы и впадины взаимно разнесены по длине.

Отличительными признаками предлагаемого входного устройства кольцевой камеры сгорания от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является размещение на входе в успокоительный участок чередующихся в окружном направлении выпуклые выступы и вогнутые впадины относительно образующей поверхностей и ориентированные вдоль оси коаксиальных патрубков.

При этом, в поперечном сечении впадины размещены против выходных кромок лопаток спрямляющего аппарата, выступы и впадины выполнены в виде сегментов цилиндра, в окружном направлении впадины выполнены шире выступов, в поперечном сечении выступы и впадины имеют либо форму прямоугольника, либо трапеций. В осевом направлении выступы и впадины взаимно разнесены по длине.

Благодаря наличию этих признаков удается рассеять вторичные течения в виде вихревых шнуров, образующихся в межлопаточных каналах решетки конечной высоты и распространяющихся по потоку на выходе из спрямляющего аппарата по винтовой линии тока, уменьшить толщину и предотвратить отрыв турбулентного пограничного слоя.

На фиг. 1 представлен продольный разрез, верхняя половина кольцевой камеры сгорания; на фиг. 2 - поперечный разрез А-А фиг. 1; на фиг. 3 - поперечный разрез В-В фиг. 1; на фиг. 4 - выноска С фиг. 1; на фиг. 5 - выноска D фиг. 3; на фиг. 6 - выноска Е фиг. 4 (вариант исполнения); на фиг. 7 - выноска Е фиг. 4 (вариант исполнения).

Кольцевая камера сгорания содержит корпус 1, входное устройство 2, жаровую трубу 3, сопловой аппарат 4. Входное устройство 2 содержит размещенные между коаксиальными патрубками 5 и 6 спрямляющий аппарат 7, расположенный за ним по потоку успокоительный участок 8, безотрывной диффузор 9. На входе в успокоительный участок 8 размещены чередующиеся в окружном направлении выпуклые выступы 10 и вогнутые впадины 11 относительно образующих 12 поверхностей и ориентированные вдоль оси коаксиальных патрубков 13 и 14. В поперечном сечении впадины 11 размещены против выходных кромок лопаток спрямляющего аппарата 7, выступы 10 и впадины 11 выполнены в виде сегментов цилиндра. В окружном направлении впадины 11 выполнены шире выступов 10. В поперечном сечении выступы 10 и впадины 11 имеют либо форму прямоугольников, либо трапеций 15. В осевом направлении выступы 10 и впадины 11 взаимно разнесены по длине.

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

Из последней ступени компрессора рабочее тело (воздух) поступает во входное устройство 2, где в процессе движения через спрямляющий аппарат 7 меняет свое направление на осевое. При повороте в межлопаточном канале, под действием поперечного градиента давления, рабочее тело в пограничном слое перетекает по омывающим потоком поверхностям коаксиальных патрубков 5 и 6 в направлении спинки лопаток спрямляющего аппарата 7. Таким образом, из-за того, что расстояние между коаксиальными патрубками 5 и 6 имеет конечную высоту, в межлопаточных каналах зарождаются и формируются вторичные течения (см. фиг. 2) в виде устойчивого вихревого шнура, перемещающегося в осевом направлении на выходе из соплового аппарата 7 по винтовой линии тока.

На выходе из соплового аппарата 7 имеются также неупорядоченные вихри, связанные с градиентом скоростей при сходе пограничного слоя с выходных кромок лопаток относительно ядра потока. Далее, выпрямленный поток по мере прохождения через выпуклые выступы 10 и вогнутые впадины 11 меняет свою структуру. В пристенной области коаксиальных патрубков 13 и 14 крупномасштабные вихри распадаются на мелкомасштабные завихрения, которые из-за пологой формы выступов 10 и впадин 11 на выходе по потоку упорядоченно малыми дозами взаимодействуют с активным ядром потока. Это способствует диссипации неоднородностей потока на короткой длине, переходу энергии распадающихся вихрей в турбулентный пограничный слой и, как следствие, уменьшение толщины последнего. Дополнительное выравнивание скоростей и углов потока, статических давлений перед поступлением в расходящийся участок коаксиальных патрубков 13 и 14 происходит на коротком участке с постоянной площадью проходного сечения за выступами 10 и впадинами 11. При этом, равномерной поток на входе с энергонасыщенным тонким пограничным слоем создает условия для увеличения угла раствора расходящегося участка коаксиальных патрубков 13 и 14. Из расходящегося участка коаксиальных патрубков 13 и 14 рабочее тело выходит в полость камеры сгорания с заданной скоростью, обеспечивающей минимальные потери полного давления.

Такая конструкция входного устройства кольцевой камеры сгорания обеспечивает равномерное расчетное охлаждение стенок жаровой трубы 3, уменьшающей местные перегревы и коробления, значительно снижает неравномерность температурного поля на входе в сопловые лопатки 4. Кроме этого, реализация совокупности признаков заявленного устройства позволяет сократить суммарную длину входного устройства кольцевой камеры сгорания, что положительно сказывается на массогабаритных характеристиках авиационного газотурбинного двигателя.

Изобретение относится к разделу машиностроения, конкретно к входным устройствам камеры сгорания непрерывного действия с управляемым воздушным потоком. Входное устройство кольцевой камеры сгорания, преимущественно газотурбинного двигателя, содержит размещённые между коаксиальными патрубками спрямляющий аппарат, расположенный за ним по потоку успокоительный участок, безотрывной диффузор, вихревую камеру, сообщённую с полостью безотрывного диффузора. На входе в успокоительный участок размещены чередующиеся в окружном направлении выпуклые выступы и вогнутые впадины относительно образующих поверхностей и ориентированные вдоль оси коаксиальных патрубков. В поперечном сечении впадины размещены против выходных кромок лопаток спрямляющего аппарата. Изобретение позволяет уменьшить длину входного устройства кольцевой камеры сгорания при сохранении эффективности работы безотрывного диффузора путём уменьшения влияния крупномасштабных вихрей на выходе из спрямляющих лопаток на пограничный слой. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Входное устройство кольцевой камеры сгорания, преимущественно газотурбинного двигателя, содержащее размещённые между коаксиальными патрубками спрямляющий аппарат, расположенный за ним по потоку успокоительный участок, безотрывной диффузор, вихревую камеру, сообщённую с полостью безотрывного диффузора, отличающееся тем, что на входе в успокоительный участок размещены чередующиеся в окружном направлении выпуклые выступы и вогнутые впадины относительно образующих поверхностей и ориентированные вдоль оси коаксиальных патрубков.

2. Входное устройство кольцевой камеры сгорания по п.1, отличающееся тем, что в поперечном сечении впадины размещены против выходных кромок лопаток спрямляющего аппарата.

3. Входное устройство кольцевой камеры сгорания по п.1, отличающееся тем, что выступы и впадины выполнены в виде сегментов цилиндра.

4. Входное устройство кольцевой камеры сгорания по п.1, отличающееся тем, что в окружном направлении впадины выполнены шире выступов.

5. Входное устройство кольцевой камеры сгорания по п.1, отличающееся тем, что в поперечном сечении выступы и впадины имеют либо форму прямоугольника, либо трапеций.

6. Входное устройство кольцевой камеры сгорания по п.1, отличающееся тем, что в осевом направлении выступы и впадины взаимно разнесены по длине.