Форсажная камера газотурбинного двигателя

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к конструкциям диффузоров форсажных камер турбореактивных двухконтурных двигателей. Форсажная камера сгорания газотурбинного двигателя содержит расположенный в ее корпусе диффузор, образованный частью поверхности затурбинного обтекателя и экраном охлаждения, каждый из которых представляет собой тело вращения и фронтовое устройство. Часть поверхности экрана охлаждения и, по меньшей мере, часть поверхности затурбинного обтекателя в меридиональном сечении имеют профили, заданные полиномами. Поверхность экрана охлаждения выполнена с перегибом, в точке которого угол α между касательной к поверхности экрана охлаждения и продольной осью форсажной камеры в меридиональном сечении составляет 20-35°. Угол β между касательной к заданной полиномом части поверхности обтекателя в точке ее пересечения с боковой поверхностью обтекателя и продольной осью форсажной камеры в меридиональном сечении составляет 10-25°. Отношение площади выходного сечения диффузора к площадь поперечного сечения диффузора в точке перегиба равно или больше 0,8. Изобретение позволяет минимизировать потери полного давления в проточной части форсажной камеры, в частности, путем оптимального профилирования диффузора. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к конструкциям диффузоров форсажных камер турбореактивных двухконтурных двигателей.

Известна форсажная камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая кольцевой прямолинейный диффузор, образованный обечайкой корпуса и затурбинным обтекателем (патент РФ №46306, МПК7: F02С 7/00, опубликован 2005.06.27) - аналог.

К недостаткам указанной конструкции можно отнести повышенные потери полного давления при больших приведенных углах расширения диффузора (более 20°С) из-за высокой вероятности отрыва потока от стенок канала, что снижает надежность работы форсажной камеры.

Известна форсажная камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая расположенный в ее корпусе диффузор, образованный частью поверхности затурбинного обтекателя и экраном охлаждения, каждый из которых представляет собой тело вращения (патент РФ №33617, МПК7: F02К 3/10, опубликован 2003.10.27) - прототип.

Известное решение также не позволяет уменьшить потери полного давления до значений, обеспечивающих надежную работу форсажной камеры газотурбинного двигателя, а следовательно, и самого газотурбинного двигателя, в частности, из-за профилирования диффузора форсажной камеры известным методом.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является минимизация потерь полного давления в проточной части форсажной камеры, в частности, путем оптимального профилирования диффузора.

Указанный технический результат достигается тем, что в форсажной камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей расположенный в ее корпусе диффузор, образованный частью поверхности затурбинного обтекателя и экраном охлаждения, каждый из которых представляет собой тело вращения и фронтовое устройство, часть поверхности экрана охлаждения и, по меньшей мере, часть поверхности затурбинного обтекателя в меридиональном сечении имеют профили, заданные полиномами, поверхность экрана охлаждения выполнена с перегибом, в точке которого угол α между касательной к поверхности экрана охлаждения и продольной осью форсажной камеры в меридиональном сечении составляет 20-35°, угол β между касательной к заданной полиномом части поверхности обтекателя в точке ее пересечения с боковой поверхностью обтекателя и продольной осью форсажной камеры в меридиональном сечении составляет 10-25°, причем для форсажной камеры выполняется условие F_перег/F_диф≥0,8, где F_диф - площадь выходного сечения диффузора, F_перег - площадь поперечного сечения диффузора в точке перегиба.

В форсажной камере образованная экраном часть поверхности диффузора, заданная в меридиональном сечении полиномом, относительно продольной оси слева от перегиба по ходу движения рабочего тела может быть выполнена вогнутой с профилем, приближающимся к линии контура диффузора с постоянным градиентом давления, а справа от перегиба - выпуклой с профилем, приближающимся к линии контура «предотрывного» диффузора.

В форсажной камере образованная экраном часть поверхности диффузора, заданная в меридиональном сечении полиномом, относительно продольной оси слева от перегиба по ходу движения рабочего тела может быть выполнена вогнутой с профилем, приближающимся к дуге окружности, а справа от перегиба - выпуклой, имеющей профиль, приближающийся к дуге окружности.

В форсажной камере заданная полиномом в меридиональном сечении, часть поверхности обтекателя может иметь профиль, представляющий собой линию, приближающуюся к дуге окружности.

В форсажной части поверхности экрана охлаждения и, по меньшей мере, часть поверхности затурбинного обтекателя в меридиональном сечении могут иметь профили, заданные полиномами не ниже второго порядка.

Как известно (Справочник по гидравлическим сопротивлениям», И.Е.Идельчик, М.: Машиностроение, 1975 г.) низкими потерями полного давления обладают криволинейные диффузоры (изоградиентные), спрофилированные, например, по законам dp/dx=Const, dw/dx=Const или дугами окружности и так называемый «предотрывный» диффузор, который является диффузором минимальной длины с безотрывным течением. Изоградиентные диффузоры имеют вогнутую поверхность, а «предотрывные» - выпуклую. Состыковав последовательно два диффузора, изоградиентный и «предотрывный», получим диффузоры, как известный из прототипа, так и заявляемый. Однако, как показали проведенные заявителем теоретические и экспериментальные исследования, для достижения заявляемого технического результата на такой известный профиль диффузора должны быть наложены определенные ограничения, которые состоят в следующем:

- задание части профиля поверхности экрана охлаждения и, по меньшей мере, части поверхности обтекателя в меридиональном сечении полиномами, например, не ниже второго порядка способствует созданию безотрывного потока в проточной части форсажной камеры и, как следствие, уменьшению потерь полного давления;

- угол наклона α касательной к профилю экрана охлаждения в точке перегиба должен иметь оптимальное значение. Проведенные заявителем исследования показали, что оптимальное значение этого угла - 20-35°, а конкретное значение оптимального угла зависит от нескольких параметров и выбирается в каждом конкретном случае, например, из условия отсутствия или минимизации отрыва потока и условия, что на выходе из диффузора поток должен быть практически осевым. В случае если значение угла выходит за рамки данного интервала, то либо очень значительно увеличиваются геометрические размеры диффузора и, следовательно, самого газотурбинного двигателя, либо появляется отрыв потока от его стенок, поток рабочего тела на выходе диффузора не является осевым, следовательно, потери полного давления возрастают и уже не являются минимальными.

- расположение перегиба (точки перегиба) определяется из условия F_перег/F_диф≥0,8. Физически это означает, что при приближении точки перегиба профиля к входу диффузора увеличивается скорость потока в этом сечении, а угол касательной относительно оси уменьшается, при удалении же точки перегиба профиля от сечения входа в диффузор скорость потока уменьшается в сечении перегиба, а угол раскрытия диффузора при этом увеличивается. Отсюда следует наличие экстремума по потерям в диффузоре с точкой перегиба профиля, это позволяет, профилируя диффузор заявляемым методом, сформировать поток, в частности, получить нужную скорость на входе в "предотрывную" часть диффузора, что в свою очередь позволит обеспечить минимизацию потерь полного давления.

- профиль обтекателя в основном определяется углом β между касательной к образованной полиномом части поверхности обтекателя в точке ее пересечения с боковой поверхностью обтекателя и продольной осью форсажной камеры в меридиональном сечении должен составлять 10-25°. Конкретное значение угла определяется в каждом отдельном случае из различных условий, например, из условия существования безотрывного течения в диффузоре.

Заявляемый технический результат для форсажной камеры достигается при совместном выполнении всех четырех приведенных выше условий - задания части поверхности экрана охлаждения и обтекателя полиномами, по углу расширения диффузора в точке перегиба, углу наклона обтекателя в точке его пересечения с боковой поверхностью обтекателя и значению отношения площади поперечного сечения диффузора в этой точке к площади выходного сечения диффузора, выбирается требуемый профиль контура диффузора. Окончательный профиль проточной части форсажной камеры определяется ее конструктивными особенностями, условиями ее работы и т.д.

Сущность изобретения представлена на фиг.1 и 2, где на фиг.1 показан продольный разрез части форсажной камеры газотурбинного двигателя (фронтовое устройство не показано), а на фиг.2 - пример конкретного выполнения форсажной камеры сгорания газотурбинного двигателя.

Форсажная камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус 1 диффузора 2, образованного частью поверхности затурбинного обтекателя 3 и экраном охлаждения 4. В форсажной камере сгорания часть поверхности экрана охлаждения 4, заданная в осевом сечении полиномом, слева от точки перегиба 5 по ходу движения рабочего тела (А) выполнена вогнутой, а справа от точки перегиба 5 - выпуклой. Образованная полиномом часть поверхности экрана охлаждения 4 может быть ориентирована к контуру поверхности корпуса 1 форсажной камеры как показано на фиг.1.

Пример конкретного выполнения.

Поставлена задача спрофилировать проточную часть форсажной камеры сгорания газотурбинного двигателя со следующими параметрами F_вход/F_диф=0,68, F_перег/F_диф=0,85, L_диф=0,485, L_обтек=0,75, D_{вых обтек}=0,16, где все линейные размеры отнесены к D_вх.

Угол между касательной к экрану охлаждения в точке перегиба и продольной осью α=20°, а угол наклона касательной к обтекателю β=18°.

На фиг.2 приведен контур диффузора форсажной камеры, спрофилированный по заданным исходным параметрам. Поверхность экрана охлаждения в меридиональном сечении задана полиномами четвертой степени, а поверхность обтекателя - полиномом третьей степени.

Для экрана охлаждения до точки перегиба:

d=-0,5509x4+1,2334x3+0,5038x2+0,0853x+0,999

Для экрана охлаждения после точки перегиба:

d=-51,085х4+62,48х3-27,535х2+5,85х=0.5495

Для обтекателя:

d=-0,4053х3+0,0549х2-0,2791х+0,5157,

где х - продольная координата, d - текущий диаметр профиля.

Значения координат х и d - отнесены к D_вх.

Как показали практические исследования, потери скоростного напора при использовании заявляемого изобретения на 8-12% ниже, чем при использовании прототипа, следовательно, ниже и потери полного давления.

1. Форсажная камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая расположенный в ее корпусе диффузор, образованный частью поверхности затурбинного обтекателя и экраном охлаждения, каждый из которых представляет собой тело вращения и фронтовое устройство, отличающаяся тем, что часть поверхности экрана охлаждения и, по меньшей мере, часть поверхности затурбинного обтекателя в меридиональном сечении имеют профили заданные полиномами, поверхность экрана охлаждения выполнена с перегибом, в точке которого угол α между касательной к поверхности экрана охлаждения и продольной осью форсажной камеры в меридиональном сечении составляет 20-35°, угол β между касательной к заданной полиномом части поверхности обтекателя в точке ее пересечения с боковой поверхностью обтекателя и продольной осью форсажной камеры в меридиональном сечении составляет 10-25°, причем для форсажной камеры выполняется условие F_перег/F_диф≥0,8, где F_диф - площадь выходного сечения диффузора, F_перег - площадь поперечного сечения диффузора в точке перегиба.

2. Форсажная камера по п.1, отличающаяся тем, что образованная экраном часть поверхности диффузора, заданная в меридиональном сечении полиномом, относительно продольной оси слева от перегиба по ходу движения рабочего тела выполнена вогнутой с профилем, приближающимся к линии контура диффузора с постоянным градиентом давления, а справа от перегиба - выпуклой с профилем, приближающимся к линии контура предотрывного диффузора.

3. Форсажная камера по п.1, отличающаяся тем, что образованная экраном часть поверхности диффузора, заданная в меридиональном сечении полиномом, относительно продольной оси слева от перегиба по ходу движения рабочего тела выполнена вогнутой с профилем, приближающимся к дуге окружности, а справа от перегиба - выпуклой, имеющей профиль, приближающийся к дуге окружности.

4. Форсажная камера по п.1, отличающаяся тем, что заданная полиномом в меридиональном сечении часть поверхности обтекателя имеет профиль, представляющий собой линию, приближающуюся к дуге окружности.

5. Форсажная камера по п.1, отличающаяся тем, что часть поверхности экрана охлаждения и, по меньшей мере, часть поверхности затурбинного обтекателя в меридиональном сечении имеют профили, заданные полиномами не ниже второго порядка.