Камера сгорания газотурбинного двигателя

Камера сгорания газотурбинного двигателя

Реферат

 

Использование: в авиационных газотурбинных двигателях. Сущность изобретения: воздух из воздушной полости 3 диффузора 2 через тангенциальные отверстия 6 входных каналов поступает в охлаждающую полость 5, совершая в ней многократные вращения. При этом в полости 5 организуется устойчивая сплошная интенсивная струя воздуха по всей длине кольца, которая делится на две равновеликие струи 14 и 15, совершающие вращение по спирали и, двигаясь в противоположные стороны, преодолевая присоединенные вихри 16, с одинаковой скоростью истекающие через выходные отверстия 7 и 17. Поверхность 12 и выходная кромка 9 интенсивно и равномерно охлаждается. Воздух, истекающий из каналов 11, имеет минимальную турбулентность, хорошо "прилипает" к внутренней поверхности 13 секции жаровой трубы 4, обеспечивая качественное пленочное охлаждение на большой протяженности. 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к авиационным газотурбинным двигателям (ГТД).

Известна камера сгорания авиационного ГТД марки Д-30, имеющая пленочно-заградительное охлаждение жаровой трубы и газосборника (1). В такой конструкции используется около 5% от хладоресурса охлаждающего воздуха, идущего на охлаждение жаровой трубы, т.е. до 50% от расхода воздуха, проходящего через компрессор. Существенным недостатком является то, что воздух, идущий на охлаждение, не может быть использован в зоне горения с высокими температурами, что приводит к повышенным выбросам окислов азота. Кроме того, камера сгорания такой конструкции имеет низкий ресурс.

Известна также конструкция камеры сгорания газотурбинной установки, содержащая диффузор и жаровую трубу, стенка которой состоит из отдельных элементов, каждый из которых представляет собой пластинчатое тело с охлаждаемыми внутренними каналами, на одном конце соединенными с воздушной полостью диффузора, а на другом конце с газовой полостью жаровой трубы (2).

Недостатком известной конструкции является низкая эффективность охлаждения стенки жаровой трубы в зоне охлаждаемых каналов из-за отсутствия устойчивого циклонного вихря охлаждающего воздуха, а также возникновение термических напряжений в результате неравномерности охлаждения поверхностей стенки.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в организации устойчивого циклонного вихря в охлаждающем канале для интенсивного и равномерного охлаждения секции жаровой трубы, что ведет к ликвидации термических напряжений, позволяет снизить общий расход охлаждающего воздуха на охлаждение жаровой трубы и повысить к.п.д. системы охлаждения.

Решение этой технической задачи заключается в том, что в камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей диффузор и жаровую трубу с охлаждаемой поверхностью, выполненную в виде последовательно состыкованных секций с охлаждающими полостями с выходными, входными каналами, соответственно подключенными к воздушной полости диффузора и к газовой полости жаровой трубы, согласно изобретению, поперечное сечение охлаждающих полостей выполнено в форме геометрической фигуры, близкой к окружности, оси полостей равноудалены от охлаждаемой поверхности, входные и выходные каналы расположены тангенциально к окружности, причем диаметр окружности в два и более раз больше ширины отверстия входного канала.

Кроме того, отверстия входных и выходных каналов расположены в шахматном порядке или могут быть выполнены в виде щелей.

Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.

На фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемой конструкции камеры сгорания.

На фиг. 2 изображен продольный разрез секции жаровой трубы камеры сгорания с системой охлаждения. Стрелками показаны направления движения воздушных потоков в процессе охлаждения.

Фиг. 3 иллюстрирует элемент 11 секции жаровой трубы в аксонометрии.

На фиг. 4 и 5 элемент 11 с различной формой поперечного сечения охлаждающей полости и с различным расположением входных и выходных каналов, расположенных в шахматном порядке.

На фиг. 6, 7, 8, 10 представлены элементы 11 со щелеобразным выходным каналом, различным расположением входного канала и формой поперечного сечения охлаждающей полости.

На фиг. 9 показана охлаждающая полость, у которой диаметр окружности сечения меньше диаметра (ширины) входного отверстия. В процессе охлаждения верхняя струйка М, вытекающая из верхней части входного отверстия, препятствует вращению струек Н, вытекающих из нижней части входного отверстия, что ведет к дезорганизации вращения воздуха в охлаждающей полости, повышенной турбулизации воздуха и существенному увеличению гидравлических потерь, а следовательно, к ухудшению равномерности охлаждения внутренней поверхности охлаждающей полости.

Камера сгорания 1 газотурбинного двигателя состоит из диффузора 2 с расположенной в воздушной полости 3 диффузора 2 жаровой трубой 4. Каждая секция жаровой трубы имеет на своем заднем по потоку газа конце охлаждающую полость 5, соединенную с воздушной полостью 3 на входе с помощью отверстий 6 входных каналов, а на выходе отверстий 7 выходных каналов с газовой полостью 8 жаровой трубы 4. Отверстия 6 и 7 расположены тангенциально относительно окружности, вписанной в геометрическую фигуру, являющуюся поперечным сечением охлаждающей полости 5. Полость 5 находится в непосредственной близости с выходной кромкой 9 секции жаровой трубы 4, которая совместно с наружной стенкой 10 секции образует выходной канал 11, соединенный с отверстием 7. Полость 5 с охлаждаемой поверхностью 12 расположена так, что ось окружности, вписанной в геометрическую фигуру, образующую поперечное сечение полости 5, равноудалена (эквидистантна) от поверхности 18. Отверстия 6 и 7 могут располагаться либо в шахматном порядке (фиг. 3, 4, 5), либо выполнены в виде щелей (фиг. 6, 7, 8, 9, 10).

Устройство работает следующим образом.

Воздух из воздушной полости 3 диффузора 2 через тангенциальные отверстия 6 поступает в охлаждающую полость 5, совершая в ней многократные вращения. При этом в полости 5 организуется устойчивый сплошной интенсивный вихрь по всей длине кольца. Интенсивность вихря достаточно высока, т.к. скорость воздуха в канале 6 составляет 100 м/сек. В процессе экспериментальной "продувки" на модели было обнаружено, что струя охлаждающего воздуха, истекающего через отверстие 6 в полость 5, делится на две равновеликие струи 14, 15, совершающие по спирали вращение и, двигаясь в противоположные стороны, преодолевая присоединенные вихри 16 (фиг. 5), с одинаковой скоростью истекающие через отверстия 7 и 17 (фиг. 3).

Таким образом, охлаждающий воздух с большой скоростью омывает внутреннюю поверхность 12 полости 5, вращаясь в ней многократно, интенсивно и равномерно охлаждая поверхность 12, что приводит к снижению температуры выходной кромки 9, снижению термических напряжений и исключению термических трещин. При этом воздух, истекающий из отверстий каналов 7 и 11, имеет минимальную турбулентность, хорошо "прилипает" к внутренней поверхности 13 секции жаровой трубы, обеспечивая качественное заградительное пленочное охлаждение на большой протяженности.

Было обнаружено, что наиболее равномерная и нетурбулизованная пленка охлаждающего воздуха образуется в том случае, когда выход охлаждающего воздуха из полости 5 осуществляется не через дискретные отверстия, а через сплошную щель 17 (фиг. 6), при этом площадь выходной щели 17 должна быть в 2-8 раз больше площади входного отверстия 6, при этом скорость охлаждающего воздуха из отверстия 6 также как минимум в 2-8 раз выше, чем скорость воздуха на входе в щель 17.

Продувки с визуализацией потока на прозрачной модели показали, что в этом случае более высокоскоростная струя из отверстия выходного канала 6 "пробивает" менее скоростной поток на входе в щель 17 и, вращаясь в циклонной полости 5, равномерно выходит через щель 17 и канал 11, образуя заградительную пленку.

Формула изобретения

1. Камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая диффузop и жаровую трубу с охлаждаемой поверхностью, выполненную в виде последовательно состыкованных секций с охлаждаемыми полостями, с выходными и входными каналами, соответственно подключенными к воздушной полости диффузора и к газовой полости жаровой трубы, отличающаяся тем, что поперечное сечение охлаждающих полостей выполнено в форме окружности, оси полостей равноудалены от охлаждаемой поверхности, входные и выходные каналы расположены тангенциально к окружности, причем диаметр окружности в два и более раз больше ширины отверстия входного канала.

2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что отверстия входных и выходных каналов расположены в шахматном порядке.

3. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что отверстия входных и выходных каналов выполнены в виде щелей.

РИСУНКИ

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