Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя
Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит, по меньшей мере, две обечайки, концы которых расположены относительно друг друга коаксиально с образованием сужающегося кольцевого канала. Конец обечайки, ограничивающей канал с наружной стороны, снабжен равномерно расположенными по окружности с образованием окон выштамповками, контактирующими с концом другой обечайки и имеющими каждая наклонную торцевую стенку с отверстием преимущественно овальной формы. Суммарная площадь окон и отверстий не менее чем в 1,2 раза превышает площадь выходного сечения канала. Отношение высоты канала к его длине равно 1/3-1/6. Изобретение интенсифицирует процесс охлаждения обечаек жаровой трубы, исключая их коробление на всех режимах работы камеры сгорания. 3 ил.
Предложение относится к машиностроению, в частности к авиационному двигателестроению, и может быть использовано в камерах сгорания газотурбинных двигателей.
Камера сгорания является ответственным элементом газотурбинного двигателя (далее ГТД). Устойчивость ее работы определяет надежность работы двигателя, а эффективность - экономичность ГТД. Конструкция камеры сгорания работает в очень тяжелых условиях высокотемпературной среды химически активных газов. На нее воздействует высокое пульсирующее давление, а материал конструкции подвергается эрозии в результате взаимодействия с газовым потоком.
Работа камеры сгорания обязана удовлетворять ряду требований. Камера сгорания должна устойчиво и эффективно работать в широком диапазоне эксплуатационных режимов ГТД. Она должна быстро, надежно и безопасно выходить на рабочий режим (запускаться) в любых условиях эксплуатации, на земле и в воздухе, в том числе на больших высотах. Поэтому для увеличения срока службы камеры сгорания ряд элементов делают из жаропрочных материалов и принимают меры к охлаждении стенок камеры и ее деталей.
Жаровая труба - это один из основных элементов камеры сгорания газотурбинного авиационного двигателя, в которой происходит горение топлива.
В камерах сгорания стенки жаровых труб, как правило, защищают от нагрева слоем менее нагретого газа или защитной пристеночной пеленой охлаждающего воздуха. Выравнивание температуры стенок жаровой трубы, которые имеют неравномерный нагрев, даже на установившихся режимах работы, не говоря уже о переменных, является актуальной задачей при конструировании камер сгорания, так как неравномерное охлаждение стенки может быть причиной ее коробления, прогара и появления трещин.
Высокие значения температуры воздуха и его скорости на входе в камеру сгорания предъявляют очень жесткие требования к конструкции при разработке новых камер сгорания газотурбинных двигателей и энергетических установок и требуют новых подходов к их проектированию.
Известна жаровая труба кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя (Скубачевский Г.С. Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей. М.: Машиностроение, 1981, стр.394, рис.9.13а).
В данном устройстве стенки жаровой трубы охлаждаются с наружной стороны воздухом, движущимся по кольцевому пространству между жаровой трубой и наружным кожухом. Для лучшего охлаждения жаровой трубы снаружи путем увеличения внешней поверхности охлаждения на внешней поверхности жаровой трубы выполнены ребра.
Недостатком известного устройства является то, что внешнего охлаждения бывает недостаточно, вследствие чего могут возникнуть местные перегревы, что вызовет прогары стенок или резкое возрастание температурных напряжений, приводящих к образованию короблений и трещин.
Известна также жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая соединенные внахлест обечайки (Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1984, стр.78, рис.306).
В данном устройстве обечайки жаровой трубы охлаждаются омывающим их снаружи воздухом и воздухом, поступающим внутрь жаровой трубы через ряды мелких отверстий и кольцевые щели, расположенные несколькими поясами по длине жаровой трубы.
Сплошные кольцевые щели между обечайками достаточно эффективно защищают заградительной пеленой воздуха их внутреннюю поверхность, однако расход воздуха через них очень большой, что снижает экономичность ГТД.
Известна также жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая соединенные внахлест обечайки, образующие кольцевой канал с возможностью подачи воздуха через радиальные и осевые отверстия в наружной обечайке (Патент GB №1060097, F23R 3/08, F23R 3/04, 1967).
Недостатком такой конструкции является низкая скорость воздуха в выходном сечении канала, при этом энергии воздуха не достаточно для отбрасывания неиспарившегося топлива от обечаек и оно сгорает непосредственно у стенки, вызывая ее перегрев и коробление. Повышение скорости воздуха в выходном сечении, например за счет увеличения количества отверстий, подводящих воздух, или путем уменьшения высоты выходного сечения, влечет увеличение длины козырька, его коробление и перекрытие канала.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая, по меньшей мере, две обечайки, концы которых расположены относительно друг друга коаксиально с образованием сужающего кольцевого канала и соединены между собой с помощью гофрированной проставки (Патент GB №1060096, F23R 3/08, F23R 3/04, 1967).
Недостатком известного устройства является наличие гофрированной проставки, что приводит к образованию в канале застойных зон и снижает эффективность охлаждения обечаек.
Технический результат заявляемого решения заключается в интенсификации охлаждения стенок жаровой трубы за счет создания условий для истечения высокоскоростной пелены охлаждающего воздуха, однородной в окружном направлении.
Для достижения указанного технического результата в жаровой трубе камеры сгорания газотурбинного двигателя, включающей, по меньшей мере, две обечайки, концы которых расположены относительно друг друга коаксиально с образованием сужающегося кольцевого канала, согласно предложению конец обечайки, ограничивающей канал с наружной стороны, снабжен равномерно расположенными по окружности с образованием окон выштамповками, контактирующими с концом другой обечайки и имеющими каждая наклонную торцевую стенку с отверстием преимущественно овальной формы.
Также согласно предложению окна и отверстия имеют суммарную площадь, не менее чем в 1,2 раза превышающую площадь выходного сечения канала, а отношение высоты последнего к его длине равно 1/3-1/6.
Наличие отличительных признаков, а именно выполнение конца обечайки, ограничивающей канал с наружной стороны с равномерно расположенными по окружности с образованием окон выштамповками, контактирующими с концом другой обечайки, выполнение каждой выштамповки с наклонной торцевой стенкой с отверстием преимущественно овальной формы, причем суммарная площадь окон и отверстий составляет величину, не менее чем в 1,2 раза превышающую площадь выходного сечения канала, а отношение высоты последнего к его длине равно 1/3-1/6 свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «новизна».
Из патентной и научно-технической литературы известно, что в камерах сгорания для высокотемпературных двигателей, в связи с обогащением топливом топливно-воздушной смеси, ростом температуры воздуха и газа, основной проблемой охлаждения оказалось горение у стенок жаровой трубы.
Из анализа вышеуказанных источников информации видно, что из-за технологических, геометрических, прочностных ограничений не удается достичь максимальную скорость пелены воздуха именно в выходном сечении охлаждающей щели, добиваясь при этом, чтобы выходящая пелена была однородной в окружном направлении. Площадь выходного сечения щели в известных конструкциях в несколько раз больше площади подводящих воздух отверстий, а скорость воздуха в ней в несколько раз меньше максимально возможной, что не позволяет создать высокоскоростную равномерную пелену. Кроме того, выполнение обечаек из тонких листовых материалов, что имеет место в подавляющем большинстве выполняемых конструкций, заставляет увеличить шаг между отверстиями из соображений прочности, что также снижает скорость воздуха в выходном сечении.
Следует отметить, что низкоскоростная, даже равномерная пелена или высокоскоростная, но неравномерная пелена воздуха не может отбросить топливо от щели и исключить его горение у стенок жаровой трубы и за щелью.
Заявляемое предложение позволяет получить эффективную площадь подводящих к щели воздух каналов больше ее выходного сечения, вследствие чего возможно создание в выходном сечении щели равномерной воздушной пелены, имеющей максимальную, для данного перепада давлений на жаровой трубе, скорость.
Также при таком техническом решении достигается минимальные затенение потока и аэродинамическое сопротивление внутри щели, так как при выполнении отверстий в выштамповках их задняя часть может быть почти полностью срезана, без ухудшения прочностных свойств. При этом исключено коробление козырька охлаждающей щели, так как его можно сделать очень коротким без ухудшения равномерности пелены охлаждающего воздуха.
Заявляемое предложение позволяет получить высокую прочность охлаждающей щели, так как силовая связь обечаек проходит через боковые стенки выштамповок в наружной обечайке, которые могут быть сделаны достаточно длинными.
Из вышесказанного следует, что технический результат предложения достигается новой совокупностью существенных признаков, как вновь введенных, так и известных, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображена камера сгорания с жаровой трубой; на фиг.2 представлен узел I соединения концов обечаек; на фиг.3 показан вид по стрелке А на фиг.2.
Следует учесть, что на чертежах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа технического решения, а сопутствующие элементы, хорошо известные специалистам в данной области, на чертежах не представлены.
Заявляемое устройство содержит, по меньшей мере, две обечайки 1 и 2, концы которых расположены коаксиально и образуют сужающийся кольцевой канал 3. Конец обечайки 2, ограничивающей канал 3 снаружи, снабжен равномерно расположенными по окружности с образованием окон 4 выштамповками 5, контактирующими с концом обечайки I и имеющими наклонную торцовую стенку с отверстием 6 овальной формы. На конце обечайки 1 могут быть выполнены прорези 7 для компенсации температурных расширений. Суммарная площадь окон 4 и отверстий 6 не менее чем в 1,2 раза превышает площадь выходного сечения канала 3, а отношение высоты h канала 3 к его длине L равно 1/3-1/6.
Устройство работает следующим образом.
При работе камеры сгорания воздух через окна 4 и отверстия 6 поступает в канал 3, в котором происходит повышение скорости воздуха. Выходя из канала 3, воздух образует сплошную равномерную по скорости пелену, охлаждающую обечайку 2 и конец обечайки 1.
Неиспарившиеся частицы топлива, попадая на внутреннюю поверхность обечайки 1, стекают с нее и отбрасываются пеленой воздуха. Выбранные соотношения проходных площадей окон 4, отверстий 6 и канала 3, а также отношение высоты h выходного сечения канала 3 к его длине L обеспечивают высокую скорость истечения охлаждающего воздуха и эффективное охлаждение элементов конструкции.
Предлагаемое изобретение позволит исключить коробление обечаек жаровой трубы на всех режимах работы камеры сгорания.
Устройство было разработано и изготовлено на заводе имени В.Я.Климова и успешно использовано на предприятии заказчика.
Из вышесказанного следует, что изготовление данного устройства промышленным способом не вызывает затруднений, предполагает использование освоенных материалов и стандартного оборудования, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, включающая, по меньшей мере, две обечайки, концы которых расположены относительно друг друга коаксиально с образованием сужающегося кольцевого канала, отличающаяся тем, что конец обечайки, ограничивающей канал с наружной стороны, снабжен равномерно расположенными по окружности с образованием окон выштамповками, контактирующими с концом другой обечайки и имеющими каждая наклонную торцевую стенку с отверстием преимущественно овальной формы, при этом окна и отверстия имеют суммарную площадь не менее чем 1,2 раза превышающую площадь выходного сечения канала, а отношение высоты последнего к его длине равно 1/3-1/6.
