Форсажная камера сгорания

 

Использование: в авиадвигателестроении. Сущность изобретения: с целью снижения уровня инфракрасного излучения в форсажной камере соосно затурбинному обтекателю (ЗО) установлен кольцевой охлаждающий профилированный экран, передняя часть которого расположена внутри клапана горячего газа перед максимальным утолщением на ЗО, и он выполнен пересекающим сектор, образованный двумя линиями, проведенными из точки на образующей сопла в его минимальное сечение, первая из которых касательна к образующей ЗО в месте его утолщения, а вторая пересекает образующую разделителя контуров в сечении начала ЗО. 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к форсажным камерам сгорания.

Известна форсажная камера сгорания двухконтурного газотурбинного двигателя, содержащая каналы холодного воздуха наружного контура и горячего газа внутреннего контура, камеру смешения, выходное сопло и охлаждаемое центральное тело, соединенное посредством полых стоек с каналом холодного воздуха, причем центральным телом обеспечено отсутствие прямой видимости горячих частей двигателя со стороны сопла [1].

Наиболее близкой по техническому решению к изобретению является форсажная камера сгорания многоконтурного газотурбинного двигателя, содержащая корпус, полый затурбинный обтекатель с утолщением в его средней части, разделитель контуров, образующий с корпусом канал холодного воздуха, стойки и сопло [2].

Однако, такая камера при оптимальной геометрии с точки зрения минимума потерь полного давления в ней имеет относительно небольшое утолщение в средней части затурбинного обтекателя, что обуславливает высокий уровень инфракрасного излучения двигателя в задней полусфере. Для снижения инфракрасного излучения необходимо обеспечить отсутствие прямой видимости горячих частей двигателя со стороны сопла, что в рассматриваемой камере можно реализовать только при помощи существенного утолщения в средней части затурбинного обтекателя. При этом радиальные и осевые размеры обтекателя больше оптимальных из значений. Таким образом, такая форсажная камера имеет большие габариты. Кроме этого, имеют место существенные потери полного давления в камере из-за обтекания затурбинного обтекателя больших размеров, что приводит к увеличению удельного расхода топлива двигателя. Отрыв потока от элементов форсажной камеры вызывает виброгорение, что снижает надежность работы камеры.

Цель изобретения - снижение уровня инфракрасного излучения, удельного расхода топлива, уменьшение габаритов и повышение надежности работы форсажной камеры.

Это достигается тем, что форсажная камера сгорания многоконтурного газотурбинного двигателя, содержащая корпус, полый затурбинный обтекатель с утолщением в его средней части, разделитель контуров, образующий с корпусом канал холодного воздуха, стойки и сопло, снабжена соосно установленным с затурбинным обтекателем кольцевым охлаждаемым профилированным экраном, передняя часть которого расположена перед максимальным утолщением на затурбинном обтекателе, стойки выполнены полыми и подключены на входе к каналу холодного воздуха, а на выходе - к полости обтекателя, причем кольцевой экран в продольном размере камеры выполнен перекрывающим сектор, образованный двумя линиями, проведенными из точки на образующей сопла в его минимальном сечении, первая из которых касательна к образующей обтекателя в месте его утолщения, а вторая пересекает образующую разделителя контуров в сечении начала обтекателя.

В форсажной камере кольцевой экран выполнен составным, состоящим из отдельных кольцевых элементов.

В форсажной камере стойки снабжены имеющим окна поворотным кольцом, установленным на их входе со стороны канала холодного воздуха.

В форсажной камере на задней кромке стоек выполнены щели.

В форсажной камере стойки снабжены установленными по задней кромке поворотными створками, имеющими уплотнения, установленными по поверхностям контактирующих с соответствующими поверхностями экрана и разделителя контуров.

На фиг. 1 показан продольный разрез форсажной камеры; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - пример выполнения экрана из трех кольцевых элементов; на фиг. 5 - пример выполнения поворотного кольца; на фиг. 6 - вид по стрелке В на фиг. 5; на фиг. 7 - пример выполнения щелей на задней кромке стоек; на фиг. 8 - разрез Г-Г на фиг. 7; на фиг. 9 - пример выполнения стоек с установленными по задней кромке поворотными створками; на фиг. 10 - разрез Д-Д на фиг. 9. На фигурах стрелками показано направление движения холодного воздуха наружного контура двигателя.

Форсажная камера сгорания многоконтурного газотурбинного двигателя содержит корпус 1, полый затурбинный обтекатель 2 с утолщением 3 в его средней части; разделитель 4 контуров, образующий с корпусом 1 канал 5 холодного воздуха, а с обтекателем 2 - канал 6 горячего газа. Разделитель 4 контуров может быть выполнен в виде кольцевого или лепесткового смесителя. Затурбинный обтекатель 2 совместно с корпусом 1 образует камеру 7 смешения, внутри которой расположено фронтовое устройство 8. К корпусу 1 прикреплено сопло 9. Форсажная камера снабжена соосно установленным с затурбинным обтекателем 2 кольцевым охлаждаемым профилированным экраном 10, передняя часть а которого расположена перед максимальным утолщением b на обтекателе 2. Стойки 11 и 12 выполнены полыми и подключены на входе к каналу 5, а на выходе - к полости 13 обтекателя 2. Внутренняя полость 14 экрана 10 и полость 13 обтекателя 2 сообщены с проточной частью форсажной камеры через отверстия, выполненные в стенках экрана и затурбинного обтекателя в местах, обращенных к соплу. Кольцевой профилированный экран 10 может быть спрофилирован, например, в виде крыльевого профиля. Кольцевой экран 10 в продольном разрезе камеры выполнен перекрывающим сектор, образованный двумя линиями, проведенными из точки с на образующей сопла 9 в его минимальном сечении, первая из которых l₁ касательна к образующей обтекателя 2 в месте его утолщения 3, а вторая l₂ пересекает образующую разделителя 4 в сечении d начала обтекателя. Кольцевой экран 10 может быть выполнен составным, состоящим из отдельных кольцевых элементов 15 (см. фиг. 4). Полые стойки 11 снабжены имеющим окна 16 поворотным кольцом 17, установленным на их входе со стороны канала 5, причем кольцо 17 соединено с приводом 18 (см. фиг. 5 и 6). На задней кромке 19 полых стоек 11 выполнены щели (см. фиг. 7 и 8). Аналогично могут быть выполнены также и полые стойки 12. Стойки 11 снабжены установленными по задней кромке 19 поворотными створками 20, имеющими уплотнения, установленными по поверхностям контактирующих с соответствующими поверхностями экрана 10 и разделителя 4 контуров. При этом створки 20 имеют приводы 21 (см. фиг. 9 и 10).

При работе газотурбинного двигателя холодный воздух наружного контура и горячий газ внутреннего контура, проходя каналы 5 и 6, поступают в камеру 7 смешения и далее в сопло 9 (см. фиг. 1). Часть холодного воздуха наружного контура двигателя подается через полые стойки 11 в полость 14 и через полые стойки 12 в полость 13. Далее воздух через отверстия, выполненные в стенках экрана и затурбинного обтекателя, вытекает в проточную часть форсажной камеры. Указанное движение холодного воздуха понижает температуру разделителя 4 контуров, стоек 11 и 12, а также те места экрана 10 и затурбинного обтекателя 2, которые обращены к соплу 9. Взаимное расположение кольцевого экрана 10, утолщения 3 затурбинного обтекателя 2 и сопла 9 обеспечивает отсутствие прямой видимости горячих частей двигателя со стороны сопла. Установка кольцевого экрана 10, имеющего небольшие размеры и массу, позволяет существенно уменьшить радиальный и осевой размеры затурбинного обтекателя 2, а также габаритов форсажной камеры в целом. Относительно небольшие потребные размеры затурбинного обтекателя 2 (при наличии экрана) уменьшают потери полного давления потока при его обтекании. Кроме этого, кольцевой экран 10 прижимает поток к обтекателю 2 на участке за утолщением 3, что устранят отрыв потока в этом месте и также уменьшает потери полного давления в камере. Канал 6 весьма часто имеет относительно большую диффузорность. Кольцевой профилированный экран 10, установленный соосно с обтекателем 2, выполняет роль рассекателя потоков. Это приводит к устранению отрыва потока в диффузорном канале и соответственно к уменьшению потерь полного давления в камере. Таким образом, потери полного давления в предлагаемой камере существенно меньше. Ликвидация отрыва потока в канале 6 и от обтекателя 2 устраняет виброгорение в форсажной камере.

Выполнение кольцевого экрана составным, состоящим из отдельных кольцевых элементов 15 (см. фиг. 4), устраняет отрыв потока от него с наружной стороны и связанные с ним потери полного давления и виброгорения в камере.

На режиме снижения инфракрасного излучения двигателя окна 16 поворотного кольца 17 смещены с входами в полые стойки 11 (см. фиг. 5 и 6) и холодный воздух из канала 5 подается в полости экрана и затурбинного обтекателя для уменьшения их температуры. В тех случаях, когда снижение излучения не требуется, привод 18 поворачивает поворотное кольцо 17 таким образом, что входы в полые стойки 11 перекрываются и подача холодного воздуха в них прекращается. Это уменьшает потери в форсажной камере.

При выполнении щели на задней кромке 19 стоек 11 (см. фиг. 7 и 8) часть холодного воздуха наружного контура из канала 5 внедряется в горячий газ внутреннего контура, который поступает по каналу 6. Это интенсифицирует процесс взаимодействия обоих потоков в камере 7, что увеличивает полноту смешения на срезе сопла.

При помощи приводов 21 поворотные створки 20 поворачиваются в противоположные стороны (см. фиг. 9 и 10), изменяя соотношения площадей контуров двигателя на входе в камеру 7 смешения. Наличие при этом уплотнений, установленных на поворотные створки по поверхностям контактирующих с соответствующими поверхностями экрана 10 и разделителя 4 контуров, препятствует перераспределению частей потоков в пределах каждого из каналов 5 и 6, что обеспечивает эффективное регулирование двигателя. Стабильность радиальных и окружных полей параметров перед фронтовым устройством при изменении степени двухконтурности двигателя при таком выполнении системы регулирования площадей на входе в камеру смешения обеспечивает широкий диапазон устойчивой работы форсажной камеры по срыву пламени, а также высокую полноту сгорания топливо-воздушной смеси в ней.

Такое выполнение конструкции обеспечивает снижение уровня инфракрасного излучения, удельного расхода топлива, уменьшение габаритов и повышение надежности работы форсажной камеры.

Формула изобретения

1. ФОРСАЖНАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ многоконтурного газотурбинного двигателя, содержащая корпус, полый затурбинный обтекатель с утолщением в его средней части, разделитель контуров, образующий с корпусом канал холодного воздуха, а с обтекателем - канал горячего газа, стойки и сопло, отличающаяся тем, что, с целью снижения уровня инфракрасного излучения, удельного расхода топлива, уменьшения габаритов и повышения надежности в работе форсажной камеры, она снабжена соосно установленным с затурбинным обтекателем кольцевым охлаждающим профилированным экраном, передняя часть которого расположена внутри канала горячего газа перед максимальным утолщением на затурбинном обтекателе, стойки выполнены полыми и подключены на входе к каналу холодного воздуха, а на выходе - к полости обтекателя, причем кольцевой экран в продольном разрезе камеры выполнен перекрывающим сектор, образованный двумя линиями, проведенными из точки на образующий сопла в его минимальное сечение, первая из которых касательна к образующей обтекателя в месте его утолщения, а вторая пересекает образующую разделителя контуров в сечении начала обтекателя.

2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что кольцевой экран выполнен составным, из отдельных кольцевых элементов.

3. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что стойки снабжены имеющим окно поворотным кольцом, установленным на их входе со стороны канала холодного воздуха.

4. Камера по п.1, отличающаяся тем, что на задней кромке стоек выполнены щели.

5. Камера по пп. 1 и 4, отличающаяся тем, что стойки снабжены установленными по задней кромке поворотными створками, имеющими уплотнения, установленными по поверхностям контактирующих с соотсутствующими поверхностями экрана и разделителя контуров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10