Камера сгорания газотурбинного двигателя

 

Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус, кольцевую жаровую трубу, состоящую из секций с кольцевыми утолщениями на стенках, образующих внешний и внутренний кожухи, ограничивающие полость горения. Кожухи выполнены двухслойными и образованы перекрывающимися стенками соседних секций. Каждая секция выполнена с двумя стенками, скрепленными в кольцевом утолщении. Одна из стенок обращена к полости горения. Другая стенка обращена к корпусу. Стенки секций образуют сужающийся кольцевой проточный канал в направлении кольцевого утолщения, расположенного выше по потоку от стенок секции. Стенка секции, обращенная к полости горения, расположена выше по потоку от кольцевого утолщения. Другая стенка секции, обращенная к стенкам корпуса, расположена ниже по потоку от кольцевого утолщения. Стенки соседних секций дополнительно соединены телескопически в радиальном направлении. Такое выполнение камеры сгорания позволит повысить ресурс ее работы за счет улучшения эффективности охлаждения жаровой трубы с использованием параллельно-противоточной схемы охлаждения. 3 ил.

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей для авиации и энергетических установок, а именно - с кольцевыми камерами сгорания.

Известна конструкция камеры сгорания для газовой турбины с кольцевой жаровой трубой, ограничивающей полость горения, содержащая корпус, кольцевую жаровую трубу, состоящую из соединенных в окружном направлении внахлест стенных элементов - сегментов, изогнутых в осевом направлении турбины и снабженных средствами для подвода воздуха из распределительной камеры, расположенной на входной стороне сегмента, охлаждаемой воздухом в направлении по касательной к краю сегмента на выходной стороне [1].

Недостатком известной конструкции является большой вес и высокая стоимость изготовления сегментной конструкции.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция камеры сгорания с подвижным компенсационным стыком между лобовым обтекателем и кольцевыми секциями внутреннего и наружного кожухов, имеющим подвижное зацепление и кольцевые перегородки, расположенные радиально [2].

Недостатком известной конструкции является повышенная деформация жаровой трубы, приводящая к нарушениям течения охлаждающего воздуха и продуктов сгорания, к искажению поля температур на выходе из камеры сгорания, как результат низкой эффективности системы охлаждения стенок жаровых труб и кольцевых поясов. Кроме того, в результате высоких аэродинамических потерь и повышенного расхода охлаждающего воздуха данная конструкция камеры сгорания не обеспечивает достаточно высокий уровень полноты сгорания топлива.

Наиболее близкой к заявляемой является конструкция камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, кольцевую жаровую трубу, состоящую из секций с кольцевыми утолщениями на стенках, образующих внешний и внутренний кожухи, ограничивающие полость горения, выполненные двухслойными и образованные перекрывающимися стенками соседних секций, внутренний и внешний кожухи установлены на дополнительных, не имеющих компенсационных стыков жестких обечайках [3].

Недостатком известной конструкции является повышенная деформация жаровой трубы, приводящая к дефектам жестких обечаек и нарушениям течения охлаждающего воздуха и продуктов сгорания, к искажению поля температур на выходе из камеры сгорания, как результат низкой эффективности системы охлаждения стенок жаровых труб и кольцевых поясов, установленных на жестких обечайках. В результате высоких аэродинамических потерь и повышенного расхода охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение обечаек, данная конструкция не обеспечивает достаточно высокий уровень охлаждения стенок секций, обращенных к полости горения.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении ресурса работы камеры сгорания путем улучшения эффективности охлаждения жаровой трубы с использованием параллельно-противоточной схемы охлаждения и снижения аэродинамических потерь, а также в повышении полноты сгорания топлива за счет увеличения расхода воздуха, идущего на организацию процесса горения.

Данная техническая задача решается за счет того, что в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей корпус, кольцевую жаровую трубу, состоящую из секций с кольцевыми утолщениями на стенках, образующих внешний и внутренний кожухи, согласно изобретению кожухи выполнены двухслойными и образованы перекрывающимися стенками соседних секций, причем каждая секция выполнена с двумя стенками, скрепленными в кольцевом утолщении, одна из стенок обращена к полости горения и расположена выше по потоку от кольцевого утолщения, а другая обращена к стенкам корпуса и расположена ниже по потоку от кольцевого утолщения, при этом стенки соседних секций дополнительно соединены телескопически в радиальном направлении и образуют сужающийся кольцевой проточный канал в направлении кольцевого утолщения, расположенного выше по потоку от стенок секций.

Выполнение кожухов жаровой трубы двухслойными путем перекрытия стенок соседних секций позволяет организовать параллельно-противоточное охлаждение "горячих" и "холодных" стенок жаровой трубы.

Каждая секция выполнена с двумя стенками, скрепленными в кольцевом утолщении, одна из стенок обращена к полости горения и расположена выше по потоку от кольцевого утолщения, что позволяет образовать кольцевой проточный канал в направлении кольцевого утолщения, расположенного выше по потоку от стенок секций. Такая конструктивная особенность позволяет воздуху, проходящему через отверстия в "холодных" стенках, обтекать поверхность "горячих" стенок со стороны нагретого газа, обеспечивая параллельно-противоточную схему охлаждения стенок.

Обращенные к воздушному потоку, т.е. к стенкам корпуса, стороны стенок секций не имеют выступающих кольцевых утолщений, что снижает аэродинамические потери и позволяет направить больший объем воздуха в зону горения, что существенно повышает полноту сгорания топлива.

Сужающееся сечение кольцевого проточного канала дополнительно увеличивает скорость течения охлаждающего воздуха и позволяет направить его непосредственно в кольцевое утолщение, соединяющее "горячую" и "холодную" стенки. Равномерность охлаждения кольцевого утолщения со стороны выше и ниже по потоку необходима для уменьшения термических напряжений, а предложенная схема охлаждения утолщения и стенок секции ведет к снижению расхода охлаждающего воздуха.

Дополнительное телескопическое соединение кольцевых стенок соседних секций в радиальном направлении обеспечивает возможность демпфирования термических напряжений, возникающих в кольцевых стенках секций, что снижает температурные градиенты и не допускает появления деформаций, обеспечивая стабильность геометрических размеров жаровой трубы и снижение неравномерности поля температур на выходе из камеры сгорания.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена верхняя часть продольного осевого сечения камеры сгорания по топливной форсунке и свече зажигания.

На фиг. 2 показан элемент I на фиг. 1 внешнего кожуха в увеличенном масштабе.

На фиг. 3 показан элемент II на фиг. 1 внутреннего кожуха в увеличенном масштабе.

Камера сгорания содержит корпус 1, кольцевую жаровую трубу 2, состоящую из телескопически соединенных секций 3, 4, 5 с кольцевыми утолщениями 6, образующих внутренний кольцевой кожух 7, и секций 8, 9, 10 с кольцевыми утолщениями 11, образующих внутренний кольцевой кожух 12. Между кожухами 7 и 12 расположена кольцевая полость горения 13. Секция 3 выполнена с двумя стенками - стенкой 14, обращенной к полости горения 13 и расположенной выше по потоку, и стенкой 15, обращенной поверхностью 16 к стенкам корпуса 1. Обе стенки 14 и 15 скреплены с кольцевым утолщением 6 или могут быть выполнены зацело (на фиг. 2). Например, секция 8 (фиг. 3) выполнена "зеркально" секции 3 и состоит из кольцевой стенки 18, обращенной к полости горения 13, и стенки 19, обращенной к стенкам камеры 1, и обе стенки 18 и 19 скреплены с кольцевым утолщением 11.

Кожухи 7 и 12 имеют два слоя. Внешний кожух 7 сформирован стенками 14 и 15 соседних секций, например 3 и 4, которые дополнительно соединены между собой телескопически, например, с помощью втулок 20, приваренных буртиком 21 к стенке 15 секции 3. Они имеют возможность перемещения по наружному диаметру втулки 20 относительно стенки 14 соседней секции 4 в радиальном направлении. Возможно и другое выполнение радиального подвижного соединения секций.

"Горячие" стенки 18 и "холодные" стенки 19 секций 8, 9 телескопически соединены с помощью втулок 20, приваренных буртиком 21 к "холодным" стенкам 19 с возможностью перемещения по пояску Д1 в радиальном направлении с упором в штифты 22.

Показана форсунка 23 с пневматическим распылом топлива, а также ряд отверстий 24 для подвода потока охлаждающего воздуха 17 в кольцевую полость К, образованную стенками 14 и 15, сужающимися под углом α1 в направлении кольцевого утолщения 6, расположенного выше по потоку от стенок 14 и 15. Отверстия 25 предназначены для подвода потока охлаждающего воздуха 17 в полость K1, образованную стенками подвода потока охлаждающего воздуха 17 в полость К, образованную стенками 18 и 19. Проточный канал К1 сужается под углом α2 в направлении кольцевого утолщения 11, расположенного выше по потоку от стенок 18 и 19.

Камера сгорания работает следующим образом.

При запуске двигателя в камере сгорания топливо подается через ряды форсунок 23, закручиваясь и смешиваясь в них с потоком сжатого воздуха 17, поступающего от компрессора, осуществляя воспламенение топливовоздушной смеси в кольцевой полости горения 13 от свечи зажигания. Далее часть потока топливовоздушной смеси сгорает за рядами форсунок 23, а другая - пронизывается струями воздушного потока, вытекающими из рядов втулок 20, образуя зоны лавинной активации горения (с образованием цепных реакций), и аэродинамически тормозится, обеспечивая интенсивное перемешивание газа струями воздуха, вытекающими из рядов втулок 20 ниже по потоку, увеличивая время нахождения продуктов кинетического горения в полости горения 13.

Потоки охлаждающего воздуха 17 проходят сквозь ряды отверстий 24, 25, охлаждая сначала поверхности стенок в полостях К, К и т.п., охлаждая кольцевые утолщения 6, 11 и т.п., расположенные как выше, так и ниже по потоку. Потоки охлаждающего воздуха 17 обтекают поверхности "горячих" стенок 18 и 14 со стороны "горячего" газа, охлаждая стенки и ограничивая повышение их температуры. Равномерное охлаждение кольцевых утолщений 11 и 6 осуществляется за счет более эффективного охлаждения ребра, расположенного выше по потоку от стенок 14, 15 или 18, 19, увеличивая скорость истечения более нагретого воздуха через сужающийся канал.

"Горячие" стенки 14 и 18, обращенные к полости горения 13, телескопически перемещаются по пояскам Д1 в радиальном направлении при температурных деформациях, обеспечивая концентричность внутреннего и наружного кожухов 7 и 12 и их пространственное расположение относительно оси камеры сгорания, снижающее расход охлаждающего воздуха, тем самым повышая расход воздуха, идущего на организацию процесса горения, и повышая полноту сгорания топлива.

Формула изобретения

Камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая корпус, кольцевую жаровую трубу, состоящую из секций с кольцевыми утолщениями на стенках, образующих внешний и внутренний кожухи, ограничивающие полость горения, выполненные двухслойными и образованные перекрывающимися стенками соседних секций, причем каждая секция выполнена с двумя стенками, скрепленными в кольцевом утолщении, одна из стенок обращена к полости горения, а другая - к корпусу, стенки секций образуют сужающийся кольцевой проточный канал в направлении кольцевого утолщения, расположенного выше по потоку от стенок секции, отличающаяся тем, что стенка секции, обращенная к полости горения, расположена выше по потоку от кольцевого утолщения, а другая, обращенная к стенкам корпуса, расположена ниже по потоку от кольцевого утолщения, при этом стенки соседних секций дополнительно соединены телескопически в радиальном направлении.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3