Кольцевая камера сгорания для газотурбинного двигателя, содержащая улучшенные отверстия для охлаждения

Кольцевая стенка для кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя содержит по меньшей мере один кольцевой ряд впускных отверстий охлаждения воздухом, содержащий два типа отверстий, различающихся площадью своего сечения, а именно отверстий с большей площадью сечения и отверстий с меньшей площадью сечения, и мультиперфорацию для охлаждения этой стенки. Мультиперфорация образована микроперфорациями, площадь сечения которых меньше, чем площадь каждого из этих впускных отверстий охлаждения воздухом, и которые распределены в форме кольцевого ряда выше по потоку и кольцевого ряда ниже по потоку, сформированных на стороне выше по потоку и стороне ниже по потоку, соответственно от ряда впускных отверстий охлаждения воздухом, и по меньшей мере одного промежуточного кольцевого ряда, прерываемого этими впускными отверстиями охлаждения воздухом. Для каждого из этих впускных отверстий охлаждения воздухом геометрическое соотношение определено как частное от деления максимального расстояния между любыми двумя точками на кромке этого отверстия, измеренного в направлении, параллельном центральной оси стенки, на максимальное расстояние между любыми двумя точками на кромке этого отверстия, измеренное в направлении, перпендикулярном центральной оси стенки. Геометрическое отношение для впускных отверстий охлаждения воздухом с большей площадью сечения больше или равно 1. Геометрическое соотношение для впускных отверстий охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения больше, чем геометрическое соотношение для впускных отверстий охлаждения воздухом с большей площадью сечения. Изобретение улучшает охлаждение перфорации вокруг отверстий охлаждения простыми, экономичными и эффективными средствами. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области кольцевых камер сгорания для газотурбинных двигателей, которые применяются в летательных аппаратах.

Более конкретно изобретение относится к впускным отверстиям охлаждения воздухом, сформированным в коаксиальных стенках таких камер сгорания.

Предшествующий уровень техники

Газотурбинные двигатели содержат по меньшей мере одну турбину, расположенную ниже по потоку от камеры сгорания, для извлечения энергии из первичного потока газов, выбрасываемого из камеры сгорания, и для привода компрессора, расположенного выше по потоку от камеры сгорания и подающего в камеру сгорания воздух высокого давления.

На приложенной фиг. 1 показан типичный пример камеры 10 сгорания газотурбинного двигателя, содержащей две соосные кольцевые стенки, одной из которых является радиально внутренняя стенка 12, а другой - радиально внешняя стенка 14, которые отходят от стороны выше по потоку к стороне ниже по потоку по направлению 16 потока первичного газа в газотурбинном двигателе и проходят по оси 18 камеры сгорания, и которые соединены друг с другом на передних концах кольцевой стенкой 20 дна камеры, которая проходит по существу радиально вышеупомянутой оси 18. К этой кольцевой стенке 20 дна камеры прикреплена система 22 впрыска, распределенная по оси для подачи воздуха и топлива в камеру сгорания.

По существу, камеры сгорания состоят из внутренней области 24 выше по потоку, обычно именуемой первичной зоной, и внутренней области 26 ниже по потоку, обычно именуемой зоной охлаждения.

Первичная зона 24 камеры сгорания предназначена для сжигания топливовоздушной смеси, и в нее подается воздух не только через систему 22 впрыска, но и через отверстия 22 впуска воздуха, которые в настоящее время именуются первичными отверстиями и сформированы в коаксиальных стенках 12 и 14 камеры вокруг первичной зоны 24 камеры одним или несколькими кольцевыми рядами.

Зона 26 охлаждения предназначена для разбавления и охлаждения газов, являющихся результатом горения в первичной зоне, и для создания оптимального температурного профиля потоку этих газов, когда они проходят через турбину, расположенную ниже по потоку от камеры сгорания. Для этого коаксиальные стенки 12 и 14 камеры сгорания содержат по меньшей мере один ряд отверстий 30 впуска воздуха, который расположен на стороне ниже по потоку от вышеописанных первичных отверстий 28, и эти отверстия 30 впуска воздуха обычно именуют отверстиями охлаждения.

Во время работы часть 32 воздушного потока 34 из выпуска 36 компрессора подается на систему 22 впрыска, а другая часть 38 этого воздушного потока обходит камеру сгорания и течет вниз по потоку вдоль коаксиальных стенок 12 и 14 этой камеры и, в частности, подается в первичные отверстия 28 и отверстия 30 охлаждения.

Как показано на приложенной фиг. 2, где приведен развернутый вид в плане части 31 кольцевой стенки камеры сгорания, включая кольцевой ряд отверстий 30 охлаждения круглого сечения, эти отверстия обычно содержат отверстия 40 большего сечения и отверстия 42 меньшего сечения.

Каждое из отверстий 40 охлаждения большего сечения может быть центрировано относительно оси 44 (фиг. 1) соответствующей системы 22 впрыска, а отверстия 42 охлаждения меньшего сечения расположены между отверстиями 40 большего сечения, и их количество может быть, например, в три раза больше, чем количество больших отверстий (фиг. 2).

Обычно коаксиальные стенки 12, 14 камеры сгорания нужно охлаждать, принимая во внимание высокую температуру газов во время сгорания.

Известной технологией для достижения этого эффекта является мультиперфорация, которая заключается в формировании множества микроперфораций 46 (фиг. 2) или, другими словами, небольших отверстий диаметром приблизительно 0,6 мм, обычно с наклонной осью, в некоторых областях коаксиальных стенок 12, 14 камер сгорания. Часть относительно холодного воздушного потока 38, обходящего такие камеры сгорания, может проникать в камеру сгорания через эти микроперфорации, и формировать пленку охлаждающего воздуха вдоль внутренних поверхностей коаксиальных стенок 12, 14 таких камер сгорания.

Однако во время работы коаксиальные стенки 12, 14 камер сгорания расширяются по мере роста их температуры, и на них действуют сильные колебания, которые могут создавать высокие напряжения, приводящие к появлению трещин или надломов, в частности, на кромках отверстий 30 охлаждения.

Обычно для ограничения риска появления и развития таких трещин между отверстиями 30 охлаждения и периметром оставляют минимальное расстояние без каких-либо микроперфораций вокруг каждого из этих отверстий.

Кроме того, поскольку микроперфорации 46 обычно расположены равномерными рядами и равномерно разнесены в продольном направлении, между этими рядами микроперфораций 46 обеспечивают минимальное осевое расстояние.

Однако наличие такого периметра, не имеющего микроперфораций, вокруг отверстий 30 охлаждения означает, что некоторые периферийные зоны вокруг этих отверстий охлаждаются не оптимально, и это, в частности, относится к меньшим охлаждающим отверстиям 42, особенно когда микроперфорации 46 расположены равномерно разнесенными рядами в осевом направлении.

Эта проблема проиллюстрирована на фиг. 2, где показаны два кольцевых ряда микроперфораций 46, ряд 48 выше по потоку и ряд 50 ниже по потоку, выполненные на сторонах выше по потоку и ниже по потоку, соответственно, кольцевого ряда отверстий 30 охлаждениях и три промежуточных ряда 52 микроперфораций 46, которые расположены между рядом 48 выше по потоку и рядом 50 ниже по потоку, упомянутыми выше, и которые прерываются охлаждающими отверстиями 30, при этом на чертеже постоянное расстояние в осевом направлении между двумя последовательными рядами микроперфораций обозначено позицией d.

Наличие такого периметра без микроперфораций влечет образование относительно больших и протяженных зон, в которых отсутствуют микроперфорации в части 54 выше по потоку и в части 56 ниже по потоку периферии каждого из отверстий 42 охлаждения меньшей площади, что может привести к недостаточному охлаждению части 54 выше по потоку и части 56 ниже по потоку.

Краткое изложение сущности изобретения

В частности, задачей настоящего изобретения является улучшение охлаждения периферии вокруг отверстий охлаждения камеры сгорания простыми, экономичными и эффективными средствами, чтобы по меньшей мере частично устранить вышеописанные недостатки.

Для решения этой задачи согласно настоящему изобретению предлагается кольцевая стенка для кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая по меньшей мере один кольцевой ряд впускных отверстий охлаждения воздухом, содержащий два типа отверстий, различающихся площадью их сечения, а именно отверстий с большей площадью сечения и отверстий с меньшей площадью сечения, а также мультиперфорацию для охлаждения стенки, сформированную из микроперфораций, которые имеют площадь сечения меньшую, чем площадь каждого из впускных отверстий охлаждения воздухом, и которые распределены как кольцевой ряд выше по потоку и кольцевой ряд ниже по потоку, сформированные на стороне выше по потоку и на стороне ниже по потоку, соответственно, относительно ряда впускных отверстий охлаждения воздухом, и по меньшей мере один промежуточный кольцевой ряд, прерываемый этими впускными отверстиями охлаждения воздухом, при этом для каждого из впускных отверстий охлаждения воздухом определено геометрическое соотношение как частное от деления максимального расстояния между любыми двумя точками на кромке этого отверстия, измеренного в направлении, параллельном центральной оси стенки, на максимальное расстояние между любыми двумя точками на кромке этого отверстия, измеренного в направлении, перпендикулярном этой оси.

Согласно настоящему изобретению:

- вышеуказанное геометрическое соотношение больше или равно 1 для впускных отверстий охлаждения воздухом с большей площадью сечения, и

- это геометрическое соотношение впускных отверстий охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения больше, чем геометрическое соотношение впускных отверстий охлаждения воздухом с большей площадью сечения.

Форма впускных отверстий охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения такова, что ряды выше и ниже по потоку от микроперфораций в частях выше и ниже по потоку могут находиться ближе к кромкам этих отверстий, и, следовательно, зоны, не имеющие микроперфораций, которые имеются в стенках известных типов, как описано выше, можно уменьшить или даже устранить. Результатом становится более равномерное охлаждение вокруг периферии этих отверстий.

Кроме того, форма впускных отверстий охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения такова, чтобы можно было сохранять достаточный интервал по окружности между всеми отверстиями охлаждения, и в некоторых случаях такой интервал можно даже увеличить, например между двумя соседними отверстиями с меньшей площадью сечения или между отверстием с большей площадью сечения и соседним отверстием с меньшей площадью сечения.

Поддержание интервала по окружности между соседними отверстиями охлаждения может ограничить риски появления трещин или надломов на кромках этих отверстий.

Увеличение интервала по окружности между соседними отверстиями охлаждения также позволяет увеличить размер проходящих по окружности угловых секторов промежуточных рядов микроперфораций, сформированных между этими отверстиями, и, следовательно, дополнительно улучшить охлаждение, возникающее за счет микроперфораций.

В одном предпочтительном варианте изобретения впускные отверстия охлаждения воздухом с большей площадью сечения имеют круглую форму, а впускные отверстия охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения имеют овальную форму.

В этом случае для впускных отверстий охлаждения воздухом с большей площадью сечения упомянутое выше геометрическое соотношение равно 1.

Кромки впускных отверстий охлаждения воздухом обоих типов преимущественно имеют концы выше по потоку и/или ниже по потоку, которые по окружности находятся на одной линии друг с другом.

Такая конфигурация может минимизировать разницу в охлаждении между двумя типами впускных отверстий охлаждения воздухом.

В предпочтительном варианте изобретения каждый промежуточный кольцевой ряд этих мультиперфораций прерывается впускными отверстиями охлаждения воздухом обоих типов.

Таким образом, мультиперфорации позволяют оптимизировать охлаждение всех этих впускных отверстий охлаждения воздухом.

Как вариант, некоторые промежуточные ряды могут прерываться только впускными отверстиями охлаждения воздухом с большей площадью сечения, если такой вариант является полезным.

Кроме того, осевое расстояние между каждой парой последовательных рядов в кольцевых рядах выше по потоку, ниже по потоку и промежуточной мультиперфорации предпочтительно равно постоянной, заранее определенной величине.

Такое единообразие в расположении микроперфораций, само по себе известное, в частности, облегчает формирование этих микроперфораций.

Изобретение также относится к кольцевой камере сгорания для газотурбинного двигателя, содержащей две коаксиальные кольцевые стенки, а именно внутреннюю стенку и внешнюю стенку, соединенные друг с другом кольцевой стенкой дна камеры, при этом по меньшей мере одна из этих стенок относится к описанному выше типу.

Изобретение также относится к газотурбинному двигателю, содержащему кольцевую камеру сгорания описанного выше типа.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет более понятно, и другие детали, признаки, преимущества и отличительные признаки станут ясны из нижеследующего подробного описания неограничивающего примера со ссылками на приложенные чертежи, на которых:

фиг. 1 - частичный схематический вид в продольном сечении известной камеры сгорания газотурбинного двигателя.

Фиг. 2 - частичный схематический вид в плане развертки кольцевой стенки камеры сгорания по фиг. 1.

Фиг. 3 - вид, аналогичный фиг. 2, стенки кольцевой камеры сгорания по настоящему изобретению.

Для обозначения идентичных или подобных элементов на всех чертежах используются одинаковые позиции.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

На фиг. 3 показана часть кольцевой стенки 60, которая будет внутренней стенкой или внешней стенкой камеры сгорания газотурбинного двигателя, аналогичной камере сгорания, показанной на фиг. 1 и описанной выше.

Кольцевая стенка 60 отличается от стенки известного типа, показанной на фиг. 2, формой впускных отверстий 62 охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения и конфигурацией микроперфораций 46 этой стенки.

Впускные отверстия 62 охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения имеют овальную форму, и их большая ось приблизительно параллельна центральной оси камеры сгорания.

С другой стороны, поскольку впускные отверстия 40 охлаждения воздухом с большей площадью сечения аналогичны таким же отверстиям в стенке по фиг. 2, впускные отверстия 62 охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения имеют площадь, приблизительно идентичную площади впускных отверстий 42 охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения, показанных на фиг. 2.

Овальная форма отверстий 62 может увеличить проходящий по окружности размер углового сектора 64 промежуточных рядов 52 микроперфораций 46, в частности, для угловых секторов, расположенных между двумя соседними отверстиями 62 с меньшей площадью.

Такая овальная форма также может увеличить общую плотность размещения микроперфораций 46 по периферии каждого охлаждающего отверстия 62 с меньшей площадью сечения и, в частности, позволяет устранить зоны, в которых отсутствуют микроперфорации вокруг периметра, такие как зоны 54 и 56 на фиг. 2.

Овальная форма отверстий 62 является лишь одним примером конфигурации отверстий из множества возможных, где частное от деления максимального расстояния L между любыми двумя точками на кромке каждого отверстия, измеренного в направлении, параллельном центральной оси 18 (фиг. 1) стенки, на максимальное расстояние l между любыми двумя точками на кромке этого отверстия, измеренное в направлении, перпендикулярном центральной оси 18, больше или равно 1 для отверстий 40 с большей площадью сечения, и больше, чем это частное для отверстий 40 с большей площадью сечения для отверстий 62 с меньшей площадью сечения.

В примере, показанном на фиг. 3, концы 66 выше по потоку и концы 68 ниже по потоку отверстий 40 и 62 охлаждения этих двух типов находятся на одной проходящей по окружности линии для оптимизации равномерности охлаждения.

1. Кольцевая стенка (60) для кольцевой камеры (10) сгорания газотурбинного двигателя, содержащая по меньшей мере один кольцевой ряд впускных отверстий (30) охлаждения воздухом, содержащий два типа отверстий, различающихся площадью своего сечения, а именно отверстий (40) с большей площадью сечения и отверстий (62) с меньшей площадью сечения, и мультиперфорацию (48, 50, 52) для охлаждения этой стенки, при этом мультиперфорация образована микроперфорациями (46), площадь сечения которых меньше, чем площадь каждого из этих впускных отверстий (30) охлаждения воздухом, и которые распределены в форме кольцевого ряда (48) выше по потоку, и кольцевого ряда (50) ниже по потоку, сформированных на стороне выше по потоку и стороне ниже по потоку, соответственно от ряда впускных отверстий (30) охлаждения воздухом, и по меньшей мере один промежуточный кольцевой ряд (52), прерываемый этими впускными отверстиями (30) охлаждения воздухом, при этом для каждого из этих впускных отверстий (30) охлаждения воздухом геометрическое соотношение определено как частное от деления максимального расстояния L между любыми двумя точками на кромке этого отверстия, измеренного в направлении, параллельном центральной оси (18) стенки, на максимальное расстояние l между любыми двумя точками на кромке этого отверстия, измеренное в направлении, перпендикулярном центральной оси (18) стенки, отличающаяся тем, что
- геометрическое отношение для впускных отверстий (40) охлаждения воздухом с большей площадью сечения больше или равно 1, и
- геометрическое соотношение для впускных отверстий (62) охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения больше, чем геометрическое соотношение для впускных отверстий (40) охлаждения воздухом с большей площадью сечения.

2. Стенка по п. 1, отличающаяся тем, что впускные отверстия (40) охлаждения воздухом с большей площадью сечения имеют круглую форму, а впускные отверстия (62) охлаждения воздухом с меньшей площадью сечения имеют овальную форму.

3. Стенка по п. 1, отличающаяся тем, что кромки обоих типов впускных отверстий (30, 40, 62) охлаждения воздухом имеют соответствующие концы (66) выше по потоку и/или концы (68) ниже по потоку, расположенные на одной проходящей по окружности линии друг с другом.

4. Стенка по п. 1, отличающаяся тем, что каждый промежуточный кольцевой ряд (52) мультиперфорации прерывается впускными отверстиями (30, 40, 62) охлаждения воздухом обоих типов.

5. Стенка по п. 1, отличающаяся тем, что осевое расстояние между каждой парой последовательных рядов среди кольцевых рядов выше по потоку (48), ниже по потоку (50) и промежуточной (52) мультиперфорации равно постоянной, заранее определенной величине.

6. Кольцевая камера (10) сгорания для газотурбинного двигателя, содержащая две коаксиальные боковые стенки, а именно внутреннюю стенку (12) и внешнюю стенку (14), соединенные друг с другом кольцевой стенкой (20) дна камеры сгорания, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна из этих коаксиальных кольцевых стенок является стенкой (60) по п. 1.

7. Газотурбинный двигатель, отличающийся тем, что содержит кольцевую камеру (10) сгорания по п. 6.