Обтекатель камеры сгорания газотурбинного двигателя, камера сгорания, включающая такой обтекатель, газотурбинный двигатель с такой камерой сгорания (варианты)
Обтекатель камеры сгорания газотурбинного двигателя, закрывающий кольцевой ряд топливных форсунок, содержит открытый центральный участок и две боковины, соединяющие центральную часть с двумя концентричными бортами крепления обтекателя к кольцевой плите днища камеры сгорания, соединяясь с кольцом, ограничивающим жаровую трубу камеры сгорания. По меньшей мере, одна из боковин содержит, по меньшей мере, один ряд сквозных отверстий между участком большей кривизны и кромкой указанной боковины, но вне кромки, которая может быть снабжена другими просверленными отверстиями, предназначенными для приема болтов крепления. Камера сгорания и газотурбинный двигатель включают такой обтекатель. Изобретение направлено на снижение шума, а также на устранение перепадов давления между внутренним и внешним пространством обтекателя и на регулирование потока воздуха во всех режимах работы двигателя. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 7 ил.
Настоящее изобретение относится к обтекателю камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Обтекатели такого типа закрывают сзади топливные форсунки и защищают их от ударов при столкновениях с чужеродными предметами, такими как куски льда или птицы, попадающие в двигатель. Они имеют по существу полутороидальную форму и расположены между двумя концентричными бортами крепления к краям кольцевой плиты днища камеры, охватывающей рабочую часть камеры сгорания. Форсунки установлены в этой плите. Центральную часть обтекателя выполняют открытой для прохождения трубопроводов впрыска топлива, сообщающихся с форсунками. Отверстия могут быть выполнены в виде единой кольцевой щели (в этом случае обтекатель состоит из двух концентричных отдельных боковин, называемых «картузами») или в виде последовательного ряда окон, каждое из которых обеспечивает доступ к определенной группе форсунок.
Камера сгорания, в которой находится обтекатель, часто производит чрезмерный шум, связанный с неустойчивостью горения и с вибрациями. Снижение акустических явлений можно достичь, добавляя усилительные или амортизирующие элементы к производящей шум конструкции, из-за чего усложняется процесс изготовления, теряется легкость конструкции и снижается качество потока. Другие методы состоят в динамическом управлении горением, но на практике они еще не нашли своего применения. Поскольку при помощи вышеперечисленных известных методов пока трудно получить хорошие результаты, то проблемами неустойчивости приходится пренебрегать, что зачастую становится неприемлемым в силу возрастающих требований к двигателям в плане снижения шума при их работе.
Наиболее близкими аналогами являются обтекатель камеры сгорания газотурбинного двигателя DE 19900025, 2000 г. и газотурбинный двигатель, содержащий обтекатель, раскрытый в документе GB 1297244, 1972 г.
Таким образом, обтекатели должны обеспечивать удовлетворительный поток воздуха, участвующего в процессе горения. Их закругленная форма обеспечивает гладкое обтекание с минимальными завихрениями вокруг них; но такое нормальное обтекание гарантировано только при номинальном режиме работы, за пределами которого, как было отмечено, форма обтекателя перестает удовлетворять установленным требованиям ввиду того, что на некоторых участках боковин обтекателя возникают срывы потока, а также перепады давления.
Настоящее изобретение призвано устранить эти недостатки. Оно основано на усовершенствовании конструкции обтекателя без использования дополнительного материала. Его основным отличительным признаком является то, что, по меньшей мере, одна из боковин обтекателя содержит ряд сквозных отверстий. Наличие этих сквозных отверстий препятствует образованию резонирующей полости в объеме обтекателя и снижает, таким образом, исходящий от него шум. Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения указанные отверстия способствуют также, устраняя перепады давления между внутренним и внешним пространством обтекателя, регулированию потока воздуха во всех режимах работы двигателя.
Объектом настоящего изобретения является обтекатель камеры сгорания газотурбинного двигателя, закрывающий кольцевой ряд топливных форсунок и содержащий открытую центральную часть и две боковины, соединяющие центральную часть с двумя концентричными бортами крепления обтекателя к кольцевой плите днища камеры сгорания, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из боковин содержит, по меньшей мере, один ряд сквозных отверстий.
Другим объектом настоящего изобретения является камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая ограничивающий диффузионную камеру картер, жаровую трубу, установленную в картере, диффузор компрессора, выходящий в камеру сгорания и являющийся источником первого газового потока в диффузионной камере, при этом жаровая труба содержит кольцо и обтекатель, соединенный с кольцом и находящийся напротив диффузора компрессора, при этом обтекатель закрывает кольцевой ряд топливных форсунок и содержит открытый центральный участок и две концентричные боковины, соединяющие центральную часть с кольцом, при этом первый поток направляется от диффузора к открытому центральном участку, затем огибает обтекатель вдоль боковин, и, наконец, обтекает кольцо, и отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна из боковин, содержит, по меньшей мере, один ряд сквозных отверстий.
Еще одним объектом настоящего изобретения является газотурбинный двигатель, оборудованный вышеупомянутым обтекателем или вышеупомянутой камерой сгорания.
Далее приводится описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, в числе которых:
Фиг.1 - общий вид камеры сгорания, содержащей обтекатель.
Фиг.2 и 3 - два вида потока.
Фиг.4 - вид варианта выполнения настоящего изобретения.
Фиг.5 и 6 - вид некоторых конфигураций вариантов выполнения изобретения.
Фиг.7 - вид, иллюстрирующий эффект, обеспечиваемый изобретением.
Фиг.1 является видом в разрезе по осевой плоскости двигателя, показанного только со стороны оси вращения Х ротора 1 двигателя. Этот газотурбинный двигатель показан только частично в части, содержащей заявленное изобретение, при этом остальная часть соответствует предшествующему уровню техники и не претерпела изменений.
На выходе компрессора 2 высокого давления статор 3 двигателя содержит диффузор 4, выходящий в диффузионную камеру 5, ограниченную наружным картером 6, концентричным по отношению к наружному картеру внутренним картером 7, содержащим жаровую трубу 8, закрепленную на картерах 6 и 7; и состоящую из кольца 9, выполненного из двух по существу цилиндрических и концентричных в передней части кожухов закругленного сзади обтекателя 10 и плиты 11 днища камеры, отделяющей жаровую трубу 8 от внутреннего объема обтекателя 10. В плите 11 днища камеры установлены топливные форсунки 12, соединенные с системой 13 питания, подающей на них топливо через трубки 14, проходящие через диффузионную камеру 5 и обтекатель 10. На фигуре показано, что края плиты 11 днища камеры, кольца 9 и обтекателя 10 соединены при помощи болтов 15 и установлены друг на друге в этом порядке, начиная от внутреннего пространства к наружному. Болты 15 образуют два концентричных круга и соединены с двумя краями каждой из этих деталей.
Обтекатель 10 содержит две круглые и концентричные боковины 16 и 17 по обе стороны от отверстий, через которые проходят топливные трубки 14. В традиционных вариантах выполнения обтекателя 10 боковины 16 и 17 полностью отделены друг от друга кольцевым отверстием и независимо друг от друга соединены с остальной частью статора.
Настоящее изобретение может применяться также и в виде моноблочного обтекателя, в котором кольцевую центральную щель заменяют последовательным рядом более коротких щелей, отделенных друг от друга радиальными мостиками, соединяющими между собой боковины 16 и 17.
Поток воздуха на выходе диффузора 4 предпочтительно следует по пути, показанному стрелками и линиями потока на Фиг.2, в основном огибая обтекатель 10 и образуя поток, который должен быть гладким вдоль его боковин 16 и 17, то есть касательным к ним по всей их длине. Выходящий из диффузора 4 воздушный поток направляется сначала к центру обтекателя 10. Перед обтекателем 10 он разделяется в направлении выхода газотурбинного двигателя, затем проходит перед наружным кожухом и внутренним кожухом кольца 9, которое в результате этого охлаждается. Этот основной поток или первый поток дополняется вторым потоком, также выходящим из диффузора 4 и входящим в обтекатель 10, затем в жаровую трубу 8 через центральные отверстия обтекателя 10. Однако в некоторых режимах работы двигателя необходимо наличие потока, такого как поток, показанный на Фиг.3, где срыв 20, связанный с наличием по существу застойного воздушного кармана происходит перед участком с внешней стороны наружной боковины 16 обтекателя 10. В основном срыв первого потока проявляется непосредственно за участком наибольшей кривизны боковин 16 и 17 и особенно наружной боковины 16 недалеко от соединения с кольцом 9.
В соответствии с настоящим изобретением в обтекателе 10 просверливают отверстия, как показано на Фиг.4. Сквозные отверстия 21 могут быть круглыми или вытянутыми, овальными или прямоугольными, однако круглые отверстия являются более простыми в выполнении. Их выполняют в виде кольцевых рядов на боковинах 16 и 17 обтекателя 10 или только на одной из боковин 16 или 17 равномерно или неравномерно распределенными в рядах. Ряд близко расположенных друг к другу круглых сквозных отверстий дает тот же эффект, что и вытянутое прямоугольное отверстие.
Предпочтительно, чтобы указанные сквозные отверстия совпадали с местами, где может происходить срыв потока. Они в основном предназначены для снижения шума, появляющегося во внутреннем объеме обтекателя 10. Причиной этого появления шума может быть горение, и он производится акустическим соединением между кольцом 9 и обтекателем 10, при этом сквозные отверстия 21, выполненные недалеко от места соединения с кольцом 9 или от плиты 11 днища камеры, ослабляют этот шум путем эффективного вскрытия акустической полости в обтекателе 10. Следует отметить, что центральные отверстия, являющиеся каналами для топливных форсунок, не имеют большого значения для снижения шума, несмотря на их большую площадь, что и приводит к заключению, что сквозные отверстия 21, выполненные в боковинах 16 и 17, будучи меньшими, но лучше размещенными, обеспечивают совершенно неожиданный эффект.
Места, в которых эффективность сквозных отверстий 21 особенно заметна, часто совпадают с местами срывов 20, поэтому при условии правильного расположения отверстия 21 способствуют также восстановлению равномерного потока. Технический эффект показан на Фиг.7: через отверстия 21, выполненные перед местами срывов 20, соответствующими разрежению, проходит часть 22 второго потока, упомянутого выше, который входит в обтекатель 10 и обтекает боковины 16 и 17 с внутренней стороны. Эта часть 22 второго потока проходит со стороны высокого давления 23 в сторону низкого давления 24, что способствует их уравниванию, обеспечивая линии потока, имеющие лучшую параллельность, и регулирует форму потока, делая его более равномерным. Поэтому сквозные отверстия 21 можно выполнять практически на выходе участков большей кривизны боковин 16 и 17, особенно наружной боковины 16, где происходит значительное изменение направления воздушного потока.
На Фиг.4 показан возможный вариант выполнения настоящего изобретения только с одним рядом сквозных отверстий 21. Выполнение более сложного рисунка с группами отверстий может привести к лучшим результатам. Пример таких рисунков представлен на Фиг.5 рядом с элементарным рисунком (а), представляющим собой единичное отверстие 21, показанное на Фиг.4, в виде групп из двух или трех отверстий, выполненных в осевом направлении (b или е), тангенциально (с), в виде треугольника (d), квадрата (f) или ромба (g). Ряды сквозных отверстий могут содержать более или менее повторяющиеся комбинации рисунков такого типа. В примере, показанном на Фиг.6, рисунки, например, из восьми отверстий, выполненных близко друг к другу и выровненных в линию в тангенциальном направлении, чередуются с треугольниками. Оптимизация зависит от конкретных условий потока и от степени требуемого усовершенствования; в основном ее находят эмпирическим путем, поэтому настоящая заявка не ставит своей целью установление каких-либо правил за рамками этих примеров.
Хотя для регулирования потока можно выполнять несколько рядов сквозных отверстий 21, часто снижение шума лучше достигается при помощи только одного ряда отверстий 21 при условии его оптимального расположения.
Очевидно, что необходимо различать сквозные отверстия в соответствии с настоящим изобретением и отверстия, выполняемые по краям обтекателя 10 для установки в них болтов 15 крепления к плите 11 днища камеры, так как они оказываются закрытыми и не обладают свойствами отверстий в соответствии с настоящим изобретением; это же относится и к отверстиям в кольце 9 жаровой трубы 8, которые выполняют в большом количестве и которые имеют небольшой диаметр и предназначены для обеспечения воздушного потока при любых обстоятельствах в направлении жаровой трубы 8, который поддерживает ее умеренную температуру, участвуя при этом в процессе горения после попадания в рабочую зону.
1. Обтекатель (10) камеры сгорания газотурбинного двигателя, закрывающий кольцевой ряд топливных форсунок (12) и содержащий открытый центральный участок и две боковины (16, 17), соединяющие центральную часть с двумя концентричными бортами крепления обтекателя к кольцевой плите днища камеры сгорания, соединяясь с кольцом (9), ограничивающим жаровую трубу (8) камеры сгорания, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из боковин содержит, по меньшей мере, один ряд сквозных отверстий (21) между участком большей кривизны и кромкой указанной боковины, но вне кромки, которая может быть снабжена другими просверленными отверстиями, предназначенными для приема болтов (15) крепления.
2. Обтекатель по п.1, отличающийся тем, что указанный ряд сквозных отверстий содержит круглые отверстия, равномерно выполненные по окружности обтекателя.
3. Камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая картер (6, 7), ограничивающий диффузионную камеру (5), жаровую трубу (8), установленную в картере, диффузор (4) компрессора, выходящий в камеру сгорания и являющийся источником первого газового потока в диффузионной камере, при этом жаровая труба содержит кольцо (9), отличающаяся тем, что содержит обтекатель (10) по одному из пп.1, 2, находящийся напротив диффузора компрессора, при этом первый поток направляется от диффузора к открытому центральному участку, затем огибает обтекатель вдоль боковин и, наконец, обтекает кольцо.
4. Камера сгорания по п.3, отличающаяся тем, что сквозные отверстия (21) выполняют точно на выходе из указанных участков большей кривизны.
5. Камера сгорания по любому из пп.3 или 4, отличающаяся тем, что диффузор (4) направлен к центральному участку обтекателя, который открыт таким образом, чтобы позволить трубкам (14) питания инжекторов топливом (12), так же как и второму газовому потоку, выходящему из диффузора (4), пересечь обтекатель (10).
6. Газотурбинный двигатель, содержащий обтекатель по любому из пп.1 или 2.
7. Газотурбинный двигатель, содержащий камеру сгорания по любому из пп.3-5.
