Камера сгорания газотурбинного двигателя с ударно-струйным охлаждением жаровой трубы Российский патент 2025 года по МПК F23R3/06 F23R3/02 

Предлагаемая конструкция относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) и может найти применение в области турбомашиностроения.

В камерах сгорания (КС) современных ГТД максимальная температура газа может достигать 2000К. Для устранения перегревов, коробления и прогаров стенок жаровых труб (ЖТ) КС необходимо снижать максимальную температуру материала стенок ЖТ и обеспечивать равномерность температур стенок по тракту ЖТ.

Известна КС ГТД, в которой реализовано конвективно-плёночное охлаждение, при котором холодный воздух омывает стенки ЖТ снаружи, а попадая внутрь ЖТ, создаёт на внутренней (горячей) поверхности защитную пелену («Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей» под общей редакцией д-ра техн. наук Д.В. Хронина, М.: Машиностроение, 1989г., стр. 428). Здесь стенки ЖТ состоят из точёных секций. Охлаждающая плёнка образуется за счёт воздуха, подступающего из кольцевых каналов камеры сгорания на «козырьки» секций. При больших значениях температуры газа для охлаждения материала стенок ЖТ до рабочих температур (900…1100)°С потребуется более интенсивное плёночное охлаждение со значительным увеличением расхода идущего на охлаждение стенок воздуха. Также потребуется уменьшение длины секций с увеличением их количества. Кроме того, увеличение общей доли охлаждающего воздуха может оказаться неприемлемым из-за того, что часть воздуха, предназначавшегося для зоны разбавления, пойдёт на пристеночную завесу. Эти факторы делают данный способ охлаждения в зоне максимальных температур газа неэффективным.

Известна камера сгорания с двустенной ЖТ: внутренней «горячей» стенкой - со стороны пламени, и охватывающей её снаружи «холодной» стенкой - со стороны подвода охлаждающего воздуха с образованием между ними отводного канала («Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей» под общей редакцией д-ра техн. наук Д.В. Хронина, М.: Машиностроение, 1989г., стр. 409). Здесь реализовано более эффективное охлаждение «горячей» стенки ударным охлаждением струями воздуха. Подвод воздуха осуществляется через ряды отверстий в «холодной» стенке ЖТ. Далее этот воздух по отводному каналу может направляться в горелки ЖТ, и (или) на козырьки секций для формирования защитной пелены и (или) в зоны горения и разбавления.

В данной конструкции не учитывается следующий фактор. Омывающий «холодные» стенки поток холодного воздуха вверху по потоку в кольцевых каналах КС имеет наибольшие скорости и давление. Соответственно втекающие в отводной канал струи воздуха эффективно охлаждают «горячую» стенку. Далее, вниз по потоку, скорость и давление воздуха в кольцевых каналах КС падает, уменьшается перепад давления на «холодной» стенке и уменьшается скорость ударных струй, одновременно увеличивается размывание ударных струй в отводном канале из-за увеличения количества и скорости сносящего потока в отводном канале, что снижает эффективность охлаждения ударными струями «горячей» стенки. Т. е., по тракту отводного канала ЖТ имеют место различные условия охлаждения «горячей» стенки- более эффективное в начале - вверху по потоку, и всё менее эффективное - вниз по потоку.

Т.е., существующие системы «конвективно-пленочного», а также эффузионного охлаждения ЖТ КС, в которых охлаждающий стенку ЖТ воздух выпускается в ЖТ непосредственно рядом с местом охлаждения, имеют следующий недостаток: с повышением рабочих температур в камере сгорания, с одной стороны, требуется увеличение расхода охлаждающего воздуха, а с другой - для уменьшения выбросов вредных веществ требуется его уменьшение (ввиду «замораживания» топливо-воздушной смеси вблизи стенок ЖТ, приводящее к увеличению выбросов СО₂). Кроме того, увеличение расхода охлаждающего воздуха возможно лишь за счет уменьшения количества воздуха, идущего в зоны горения и смешения, что ухудшает процессы горения и усложняет задачу формирования заданной радиальной эпюры и окружной неравномерности температурного поля на выходе из КС.

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции является конструкция КС (патент РФ №2173818, опубл. 20.09.2001, МПК F23R3/02), содержащая ЖТ с двойными стенками: «холодной» - со стороны потока воздуха в кольцевых каналах КС и «горячей» - со стороны пламени, с образованием между ними отводного канала, «холодная» стенка снабжена патрубками, подводящими к «горячей» стенке струи охлаждающего воздуха, который через отводной канал направляется во фронтовое устройство жаровой трубы и на пленочное или эффузионное охлаждение «горячей» стенки.

Воздух к «холодной» стенке ЖТ поступает через ряды патрубков, а охлаждаемая поверхность «горячей» стенки имеет ребра, образующие квадраты по числу патрубков, увеличивающие площадь охлаждения. Данная система повышает эффективность использования воздуха на охлаждение «горячих» стенок, однако имеет следующий недостаток: расстояние между «холодной» и «горячей» стенками ЖТ одинаково на всей длине отводного канала, а поскольку после каждого ряда патрубков расход охлаждающего воздуха в отводном канале увеличивается, то увеличивается и скорость его обтекания трубок, что вызывает увеличение потерь полного давления охлаждающего воздуха по мере его движения вниз по потоку в полости отводного канала.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное техническое решение, является уменьшение удельного расхода топлива в ГТД путем снижения потерь полного давления воздуха в КС при ударно-струйном охлаждении ЖТ с двойными стенками за счет повышения эффективности охлаждения её внутренних («горячих») стенок, что также позволяет снизить количество воздуха на их охлаждение. Это достигается оптимизацией конструкции «холодной» стенки ЖТ и формы патрубков.

Технический результат достигается тем, что в конструкции КС ГТД с ударно-струйным охлаждением ЖТ, выполненной с двойными стенками: «холодной» - со стороны потока воздуха из-за компрессора и «горячей» - со стороны пламени, с образованием между ними отводного канала, «холодная» стенка снабжены патрубками («соплами»), подводящими к «горячей» стенке струи охлаждающего воздуха, который через отводной канал направляется во фронтовое устройство жаровой трубы и, при необходимости, на пленочное или эффузионное охлаждение «горячей» стенки, в отличие от известной, отводной канал может дополнительно направлять воздух в «зону горения» и «зону разбавления», при этом, вниз по потоку в этих направлениях выполнен с увеличением площади поперечного сечения после каждого ряда патрубков на величину не меньшую суммарной выходной площади патрубков этого ряда, увеличение площади может быть от ступенчатого до плавно изменяемого и, по меньшей мере, первый ряд отверстий в «холодной» стенке вверху по потоку выполнен без патрубков. Изменение площади поперечного сечения отводного канала может быть выполнено ступенчатым либо плавным за счет выполнения таковыми «холодной» или «горячей» стенки, или обеих вместе. Патрубки на входе могут иметь снаружи обтекаемую форму, переходящую к выходу в цилиндрическую с наклоном оси выходного отверстия к «горячей» стенке под углом 75…90°. Площадь входа в сопло превышает площадь выхода в 1,0…1,5 раза. «Холодная» стенка может быть выполнена из двух половин с продольным стыком. Канал, образованный корпусом КС и «холодной» стенкой ЖТ может быть выполнен конфузорным в направлении течения воздуха из компрессора. «Горячая» стенка может иметь рёбра охлаждения, направленные в сторону «холодной» стенки и быть выполненными в форме четырёх- или шестигранников, причём шестигранники должны располагаться двумя сторонами параллельно направлению потока. «Горячая» стенка с четырёхгранниками может иметь в соседних рядах разное число четырёхгранников

Заявляемое решение поясняется чертежами, на которых изображены: фиг.1 - продольный разрез камеры сгорания (противоточной); фиг.2 - вид А; фиг.3 - вариант патрубка с конфузорным соплом; фиг.4 - вид Б; фиг.5 - вид Г, фиг.6 - продольный разрез прямоточной камеры сгорания, фиг.7 - вариант конструкции прямоточной КС с наличием подвода воздуха из полости между «холодной» и «горячей» (подогретого) - в зоны горения и разбавления; фиг.8 - вариант конструкции прямоточной КС с наличием подвода воздуха из полости между «холодной» и «горячей» стенками в зону горения через фронтовое устройство.

Предлагаемая конструкция противоточной трубчато-кольцевой камеры сгорания (фиг.1) содержит корпус 1 с закреплённым на нём горелочным устройством 2, жаровую трубу 3, состоящую из «горячей» стенки 4 и «холодной» стенки 5. «Холодной» стенка 5 представляет собой наружный кожух, выполненный в виде кольцевой тонкостенной оболочки, которая крепится к «горячей» стенке 4. «Холодная» стенка 5 может быть выполнена из двух половин с продольным стыком.

На первоначальном участке L1 кожуха 5 выполнены отверстия 6 в количестве и размерами, необходимыми для охлаждения данного участка стенок. На участке L2 кожух 5 содержит воздухоподводящие сопла, выполненные в виде трубок 7. Соотношение длин L1/L2 = 0,5…1,5.

Жаровая труба 3 соединена с газосборником 8. Завихритель 9 горелочного устройства 2 размещен относительно жаровой трубы выше по потоку.

Воздух из компрессора омывает наружный кожух 5 жаровой трубы со стороны газосборника 8, частично втекая в отверстия 6 и патрубки 7, выполняя «душирование» стенок ЖТ, при этом, по меньшей мере, первый ряд отверстий 6 в наружном кожухе 5 вверху по потоку выполнен без патрубков. Далее этот воздух по отводному каналу втекает в завихритель 9 горелочного устройства 2, после чего участвует в образовании топливо-воздушной смеси, обеспечивая её горение.

Отводной канал выполнен с расширением вниз по потоку. Площадь поперечного сечения отводного канала вниз по потоку после каждого ряда патрубков увеличивается на величину не меньше суммарной выходной площади сопел этого ряда. При этом площадь входа в патрубок может превышать площадь выхода из сопла в 1,0…1,5 раза, а изменение площади поперечного сечения отводного канала может быть выполнено ступенчатым, либо плавным за счет выполнения таковыми «холодной» 5 или «горячей» 4 стенки, или обеих вместе. Таким образом, величина площади поперечного сечения отводного канала может изменяться по его длине от ступенчатого до плавного значения.

Струи втекающего под кожух 5 воздуха из отверстий 6 (участок L1), смешиваясь, движутся по отводному каналу в направление фронтового устройства ЖТ. При этом на выходе из участка L1, по мере увеличения расхода втекаемого под кожух 5 воздуха, эффективность ударного охлаждения снижается ввиду размывания струй из-за роста скорости движущегося под кожухом сносящего потока.

Участок L2 содержит патрубки, выполненные в виде трубок, 7 воздух по которым подводится непосредственно к стенке 4, минуя взаимодействие со сносящим потоком.

Форма поверхности наружного кожуха 5 относительно стенок ЖТ и длина патрубков 7 выбирается таким образом, чтобы обеспечить допустимую температуру стенок ЖТ за счет формирования струй охлаждающего воздуха, оптимального расхода и скорости. При этом «горячая» стенка 4 может иметь рёбра охлаждения (фиг.4, фиг.5), направленные в сторону «холодной» стенки 5 и быть выполненными в форме шестигранников, а канал, образованный корпусом 1 камеры сгорания и наружной стенкой 5 жаровой трубы 3 может быть выполнен конфузорным в направлении течения воздуха из компрессора.

«Горячие» стенки со стороны патрубков имеют ребра, квадратной или шестиугольной формы по числу патрубков, увеличивающие площадь охлаждения «горячей» стенки.

Патрубку 7 предпочтительно иметь форму переменного сечения, так как это обеспечит оптимальное втекание в него воздуха из кольцевого канала камеры сгорания и обтекаемую форму со стороны сносящего потока. В результате патрубки 7 на входе имеют снаружи обтекаемую форму, переходящую к выходу в цилиндрическую с наклоном оси выходного отверстия к «горячей» стенке под углом 75…90°.

Таким образом, благодаря тому, что наружный кожух 5 участка жаровой трубы 3, ближайший к месту подвода воздуха в полость камеры сгорания (диффузору КС) имеет ряды отверстий 6 для осуществления ударного охлаждения, а на втором участке ЖТ, примерно от половины её длины наружный кожух 5 содержит патрубки, выполненные в виде тонкостенных трубок, 7 для подвода охлаждающего воздуха из кольцевого канала камеры сгорания к наружной поверхности «горячей» стенки 4 жаровой трубы, данное техническое решение позволяет повысить эффективность охлаждения «горячей» стенки 4 жаровой трубы, и тем самым снизить потери полного давление воздуха и уменьшить удельный расход топлива в ГТД.

Предлагаемая конструкция относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД) и может найти применение в области турбомашиностроения. В конструкции КС ГТД с ударно-струйным охлаждением ЖТ, выполненной с двойными стенками: «холодной» - со стороны потока воздуха из-за компрессора и «горячей» - со стороны пламени, с образованием между ними отводного канала, «холодная» стенка снабжены патрубками («соплами»), подводящими к «горячей» стенке струи охлаждающего воздуха, который через отводной канал направляется во фронтовое устройство жаровой трубы и, при необходимости, на пленочное или эффузионное охлаждение «горячей» стенки, в отличие от известной, отводной канал может дополнительно направлять воздух в «зону горения» и «зону разбавления», при этом вниз по потоку в этих направлениях выполнен с увеличением площади поперечного сечения после каждого ряда патрубков на величину, не меньшую суммарной выходной площади патрубков этого ряда, увеличение площади может быть от ступенчатого до плавно изменяемого и, по меньшей мере, первый ряд отверстий в «холодной» стенке вверху по потоку выполнен без патрубков. Техническим результатом, на достижение которого направлено данное техническое решение, является уменьшение удельного расхода топлива в ГТД путем снижения потерь полного давления воздуха в КС при ударно-струйном охлаждении ЖТ с двойными стенками за счет повышения эффективности охлаждения её внутренних («горячих») стенок, что также позволяет снизить количество воздуха на их охлаждение. Это достигается оптимизацией конструкции «холодной» стенки ЖТ и формы патрубков. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Камера сгорания газотурбинного двигателя с ударно-струйным охлаждением жаровой трубы, выполненной с двойными стенками: «холодной» - со стороны потока воздуха из-за компрессора и «горячей» - со стороны пламени, с образованием между ними отводного канала, «холодная» стенка снабжена патрубками, подводящими к «горячей» стенке струи охлаждающего воздуха, который через отводной канал направляется во фронтовое устройство жаровой трубы и, при необходимости, на пленочное или эффузионное охлаждение «горячей» стенки, отличающаяся тем, что отводной канал может дополнительно направлять воздух в «зону горения» и «зону разбавления», при этом вниз по потоку в этих направлениях выполнен с увеличением площади поперечного сечения после каждого ряда патрубков на величину, не меньшую суммарной выходной площади патрубков этого ряда, увеличение площади может быть от ступенчатого до плавно изменяемого и, по меньшей мере, первый ряд отверстий в «холодной» стенке вверху по потоку выполнен без патрубков.

2. Камера сгорания газотурбинного двигателя с ударно-струйным охлаждением жаровой трубы по п. 1, отличающаяся тем, что изменение площади поперечного сечения отводного канала может быть выполнено ступенчатым либо плавным за счет выполнения таковыми «холодной» или «горячей» стенки, или обеих вместе.

3. Камера сгорания газотурбинного двигателя с ударно-струйным охлаждением жаровой трубы по пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что патрубки на входе имеют снаружи обтекаемую форму, переходящую к выходу в цилиндрическую с наклоном оси выходного отверстия к «горячей» стенке под углом 75…90°.

4. Камера сгорания газотурбинного двигателя с ударно-струйным охлаждением жаровой трубы по пп. 1-3, отличающаяся тем, что площадь входа в патрубок превышает площадь выхода в 1,0…1,5 раза.

5. Камера сгорания газотурбинного двигателя с ударно-струйным охлаждением жаровой трубы по пп. 1-4, отличающаяся тем, что «холодная» стенка может быть выполнена из двух половин с продольным стыком.

6. Камера сгорания газотурбинного двигателя с ударно-струйным охлаждением жаровой трубы по пп. 1-5, отличающаяся тем, что канал, образованный корпусом камеры сгорания и «холодной» стенкой жаровой трубы, может быть выполнен конфузорным в направлении течения воздуха из компрессора.

7. Камера сгорания газотурбинного двигателя с ударно-струйным охлаждением жаровой трубы по пп. 1-6, отличающаяся тем, что «горячая» стенка может иметь рёбра охлаждения, направленные в сторону «холодной» стенки и выполненные в форме четырёх- или шестигранников, причём шестигранники должны располагаться двумя сторонами параллельно направлению потока.

8. Камера сгорания газотурбинного двигателя с ударно-струйным охлаждением жаровой трубы по пп. 1-7, отличающаяся тем, что «горячая» стенка с четырёхгранниками может иметь в соседних рядах разное число четырёхгранников.