Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя
Владельцы патента RU 2285203:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Московское машиностроительное производственное предприятие "САЛЮТ" (ФГУП "ММПП "САЛЮТ") (RU)
Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей, в частности к жаровым трубам камер сгорания, и может быть использовано в авиационной промышленности, энергетике, судостроении и других областях техники. Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит обечайку с, по меньшей мере, одним узлом подвода охладителя в виде расположенных на обечайке в окружном направлении отверстий. Узел подвода охладителя дополнительно содержит сообщенные с отверстиями пазы, выполненные на внутренней поверхности обечайки в окружном направлении на расстоянии d друг от друга, составляющем от 0,5h до 3h, и открытые в сторону выходного сечения жаровой трубы, причем глубина L каждого паза составляет от 3h до 15h, а ширина S каждого паза составляет от 2h до 15h, где h - высота паза. Изобретение позволяет повысить надежность и ресурс камеры сгорания путем улучшения охлаждения жаровой трубы. 3 ил.
Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей, в частности к жаровым трубам камер сгорания, и может быть использовано в авиационной промышленности, энергетике, судостроении и других областях техники.
Известна жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая обечайку с, по меньшей мере, одним узлом подвода охладителя в виде расположенных на обечайке в окружном направлении отверстий и с козырьками, расположенными на ее внутренней поверхности (см. под редакцией Д.В.Хронина «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей», Москва, Машиностроение, 1989, стр.409, рис.8.16).
Недостаток известной жаровой трубы заключается в ее низкой надежности из-за таких дефектов, как подгары, коробления и трещины на обечайке и особенно на козырьках, которые являются наиболее нагретыми элементами жаровой трубы. Появление указанных дефектов связано с недостаточной эффективностью конвективно-пленочной системы охлаждения на фоне циклически повторяющихся быстрых переходных процессов (приемистости и сброса газа), происходящих в камере сгорания. Возникающая при этом значительная температурная неравномерность элементов конструкции жаровой трубы приводит к существенному росту температурных напряжений и, как следствие, снижает надежность и ресурс камеры сгорания.
Технический результат изобретения - повышение надежности и ресурса камеры сгорания путем улучшения охлаждения жаровой трубы.
Указанный технический результат достигается тем, что в жаровой трубе камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей обечайку с, по меньшей мере, одним узлом подвода охладителя в виде расположенных на обечайке в окружном направлении отверстий, согласно изобретению, узел подвода охладителя дополнительно содержит сообщенные с отверстиями пазы, выполненные на внутренней поверхности обечайки в окружном направлении на расстоянии d друг от друга, составляющем от 0,5h до 3h, и открытые в сторону выходного сечения жаровой трубы, причем глубина L каждого паза составляет от 3h до 15h, а ширина S каждого паза составляет от 2h до 15h, где h - высота паза.
Расстояние d между пазами в окружном направлении должно составлять от 0,5h до 3h, так как при расстоянии d меньше 0,5h происходит ухудшение охлаждения из-за снижения теплового потока через металл стенки между пазами и, кроме того, появляются технологические затруднения при изготовлении; при расстоянии больше 3h происходит ухудшение охлаждения из-за неоднородности структуры потока охладителя в пристеночной завесе в окружном направлении одновременно с увеличением веса конструкции.
Ширина S каждого паза должна составлять от 2h до 15h, так как при ширине паза меньше 2h конструкция имеет повышенный вес, а при ширине паза больше 15h происходит увеличение термонапряжений вследствие значительной неравномерности температуры обечайки в окружном направлении.
Глубина L каждого паза должна составлять от 3h до 15h, так как при глубине паза меньше 3h поток охладителя, проходящий через пазы, не успевает стабилизироваться, что приводит к ухудшению охлаждения, а при глубине паза больше 15h неэффективно используется пристеночная завеса охладителя, при этом также увеличивается вес конструкции, а кроме того, возникают технологические затруднения при изготовлении.
Все указанные относительные геометрические параметры определяются на стадии проектирования камеры сгорания в зависимости от условий ее эксплуатации.
Таким образом, указанные выше диапазоны являются существенными для достижения указанного технического результата.
На фиг.1 схематично изображен фрагмент камеры сгорания с одним узлом подвода охладителя (продольный разрез);
на фиг.2 - сечение А-А фиг.1;
на фиг.3 - фрагмент камеры сгорания с несколькими узлами подвода охладителя - вариант выполнения (продольный разрез).
Камера сгорания содержит корпус 1 и жаровую трубу 2, расположенную внутри корпуса 1 с образованием кольцевого канала 3. Жаровая труба 2 имеет, по меньшей мере, один узел (пояс) подвода охладителя, содержащий выполненные в обечайке 4 дозирующие отверстия 5 и пазы 6, сообщенные через отверстия 5 с кольцевым каналом 3. Отверстия 5 и пазы 6 расположены на обечайке 4 в окружном направлении, причем пазы 6 расположены таким образом, что при образовании пазов 6 известным методом электроэрозии - вытравливанием металла электродом - между соседними пазами 6 образуются ребра 7, толщина которых равна расстоянию d между пазами 6 в окружном направлении (см. фиг.2).
В зависимости от ширины пазов 6 количество отверстий 5, приходящихся на каждый паз 6 в окружном направлении, может варьироваться, однако должно составлять, по меньшей мере, одно отверстие 5 на один паз 6.
Для достижения оптимального охлаждения отверстия 5 располагают таким образом, чтобы продольные оси отверстий 5 и пазов 6 находились во взаимно перпендикулярных или близко к этому плоскостях. При этом продольная ось отверстий расположена на расстоянии не более одного диаметра отверстия от глухого торца пазов. Отверстия 5 являются дозирующими элементами, т.е. определяющими расход охладителя через узел (пояс) подвода охладителя, поэтому суммарная площадь проходных сечений отверстий должна быть в 3...5 раз меньше, чем суммарная площадь проходных сечений пазов.
По длине жаровой трубы может быть расположено друг за другом несколько узлов (поясов) подвода охладителя, например два и более. При этом для достижения оптимального результата узлы (пояса) могут быть расположены на расстоянии Н друг от друга, составляющем от 10h до 40h (где h - высота паза). Н - расстояние между соседними узлами (поясами) подвода охладителя, а именно: между их выходными сечениями, через которые происходит выдув охладителя в полость жаровой трубы. При расстоянии Н меньше 10h неэффективно используется пристеночная завеса охладителя, при этом также увеличивается вес конструкции, а при расстоянии больше 40h происходит ухудшение охлаждения из-за снижения эффективности пристеночной завесы охладителя.
Высота h пазов для различных узлов (поясов) подвода охладителя может быть как одинаковой, так и изменяющейся от узла (пояса) к узлу (поясу) в зависимости от конструктивных особенностей и условий эксплуатации камеры сгорания, однако в пределах одного узла подвода охладителя все пазы имеют одинаковую высоту h. В случае выполнения пазов сложной формы, т.е. с участками разной высоты, под h понимается hсредняя, которая в пределах одного узла (пояса) подвода охладителя также остается неизменной.
В конкретном примере реализации (см. фиг.2, 3) расстояние d между соседними пазами 6 равно 1,0 мм (т.е. составляет от 0,5h до 3h), глубина L каждого паза равна 5,0 мм (т.е. составляет от 3h до 15h), ширина S паза равна 5,5 мм (т.е. составляет от 2h до 15h), расстояние Н равно 17,0 мм при высоте h паза, равной, например, 1,5 мм.
В качестве охладителя выбран воздух. Направление потока охлаждающего воздуха показано - - →. Направление потока горячего газа показано ⇒. Продольная ось двигателя О-О.
Камера сгорания газотурбинного двигателя с предложенной жаровой трубой работает следующим образом.
Охлаждающий воздух из кольцевого канала 3 проходит через дозирующие отверстия 5 и попадает в пазы 6, где происходит ударное натекание струй охлаждающего воздуха (охладителя) на противоположные отверстиям 5 поверхности пазов 6, вследствие чего осуществляется эффективное охлаждение в пазах 6. Дополнительно к охлаждению, в пазах 6 происходит выравнивание потока охлаждающего воздуха, который затем выходит вдоль обечайки 4 со стороны потока горячего газа в виде пристеночной завесы (защитной пелены охлаждающего воздуха). Через металл ребер 7 (перемычек) обеспечивается эффективный съем тепла посредством теплопроводности с внутренней поверхности жаровой трубы 2, обращенной к потоку горячего газа на участке протяженностью, равной глубине L паза, непосредственно под пазами (см. фиг.1).
По длине жаровой трубы 2 может быть расположено друг за другом несколько узлов (поясов) подвода охладителя, например два и более. В этом случае работа камеры сгорания аналогична работе камеры с одним узлом подвода охладителя. Образованная таким образом пристеночная завеса обеспечивает конвективную тепловую защиту внутренней поверхности обечайки со стороны потока горячего газа на расстоянии (H-L) от выходного сечения предыдущего узла подвода охладителя в сторону последующего за ним узла подвода охладителя по направлению к выходному сечению жаровой трубы (см. фиг.3).
Таким образом, в системе охлаждения используется совместное действие интенсивного теплоообмена в пазах 6, конвективной тепловой защиты жаровой трубы 2 пристеночной завесой (защитной пеленой охлаждающего воздуха) со стороны горячего газа и теплопроводности через металл ребер 7. При такой системе охлаждения происходит существенное снижение температуры и температурной неравномерности элементов конструкции жаровой трубы, в том числе в условиях циклически повторяющихся быстрых переходных процессов (приемистости и сброса газа), происходящих в камере сгорания, что приводит к снижению уровня термонапряжений и, следовательно, к повышению надежности работы и ресурса камеры сгорания.
Жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая обечайку с, по меньшей мере, одним узлом подвода охладителя в виде расположенных на обечайке в окружном направлении отверстий, отличающаяся тем, что узел подвода охладителя дополнительно содержит сообщенные с отверстиями пазы, выполненные на внутренней поверхности обечайки в окружном направлении на расстоянии d друг от друга, составляющем от 0,5 до 3h, и открытые в сторону выходного сечения жаровой трубы, причем глубина L каждого паза составляет от 3 до 15h, а ширина S каждого паза составляет от 2 до 15h, где h - высота паза.
