КОЛЬЦЕВАЯ СТЕНКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ С ОПТИМИЗИРОВАННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
ANNULAR WALL OF COMBUSTION CHAMBER WITH OPTIMIZED COOLING

Область и уровень техники
Настоящее изобретение относится, в целом, к области камер сгорания газотурбинного двигателя. Изобретение относится, в частности, к кольцевой стенке для камеры сгорания с прямым потоком или обратным потоком, которая охлаждается способом «мультиперфорирования».
Обычно, кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя состоит из внутренней кольцевой стенки (также называемой внутренним кожухом) и внешней кольцевой стенки (также называемой внешним кожухом), которые соединены вместе ближней по ходу поперечной стенкой, образующей торцевую стенку камеры.
Каждый из внутренних и наружных кожухов обеспечен множеством различного типа отверстий для поступления воздуха, и отверстий, позволяющих воздуху, который течет вокруг камеры сгорания, проникать внутрь камеры сгорания.
Таким образом, так называемые «первичные» и «обедняющие» отверстия образованы в этих кожухах для передачи воздуха внутрь камеры сгорания. Воздух, проходящий через первичные отверстия, способствует созданию воздушно-топливной смеси, которая сжигается в камере, в то время как воздух, поступающий из обедняющих отверстий, предназначен для улучшения обеднения этой воздушно-топливной смеси.
Внутренний и внешний кожухи подвергаются воздействию высоких температур газа, получающегося от сгорания воздушно-топливной смеси.
Для целей охлаждения дополнительные "мультиперфорационные" отверстия также создаются через эти кожухи по всей их площади поверхности. Эти мультиперфорационные отверстия, в целом, наклонены под углом 60°, и они позволяют воздуху, протекающему снаружи камеры, проникать во внутреннюю часть камеры, чтобы образовывать пленки охлаждающего воздуха вдоль кожухов.
Тем не менее, на практике установлено, что зоны внутреннего и внешнего кожухов, которые расположены вокруг и, в частности, непосредственно далее по ходу от каждого из первичных или обедняющих отверстий, представлены отсутствием отверстий в результате использования технологии лазерного сверления, и поэтому они получают выгоду только от низкого уровня охлаждения, что означает, что они подвержены риску образования и распространения трещин.
Для решения этой проблемы, Заявитель внес предложения в своей заявке FR 2982008 по обеспечению дополнительных охлаждающих отверстий сразу за первичными отверстиями или обедняющими отверстиями, причем дополнительные охлаждающие отверстия располагаются в плоскости, перпендикулярной направлению потока газа для горения. Тем не менее, хотя эти дополнительные отверстия, которые упоминаются как вращательные (потому что они находятся под углом 90°), действительно обеспечивают охлаждение, которое является эффективным по сравнению с обычной осевой мультиперфорацией, для которой воздушная пленка останавливается присутствием этих отверстий, они по-прежнему страдают от определенных недостатков, в частности, в результате подачи только от статического давления воздуха, протекающего вокруг камеры сгорания.
Задача и сущность изобретения
Таким образом, настоящее изобретение стремится уменьшить такие недостатки путем обеспечения кольцевой стенки камеры сгорания, которая использует общее давление воздуха и, таким образом, обеспечивает лучшее охлаждение тех зон, в которых вероятно могут начаться трещины, и в частности, тех зон, которые расположены непосредственно за первичными и обедняющими отверстиями.
С этой целью предусмотрена кольцевая стенка камеры сгорания газотурбинного двигателя, имеющая холодную сторону и горячую сторону, причем упомянутая кольцевая стенка содержит:
- множество отверстий для впуска воздуха, распределенных вдоль, по меньшей мере, одного кольцевого ряда, чтобы позволить воздуху, протекающему по упомянутой холодной стороне, проникать к упомянутой горячей стороне, причем упомянутые отверстия для впуска воздуха создают вокруг них зоны резкого температурного градиента; а также
- множество охлаждающих отверстий, для того, чтобы позволить воздуху, протекающему по упомянутой холодной стороне, проникать к упомянутой горячей стороне для образования пленки охлаждающего воздуха вдоль упомянутой кольцевой стенки, причем упомянутые охлаждающие отверстия распределены по множеству кольцевых рядов, которые расположены в осевом направлении разнесенными друг от друга, а оси каждого из упомянутых охлаждающих отверстий наклонены в направлении D осевого потока газа сгорания под углом θ1 наклона относительно нормали N к упомянутой кольцевой стенке;
α
α
- при этом упомянутая кольцевая стенка отличается тем, что она дополнительно содержит, в упомянутых зонах резкого градиента температуры, мультиперфорационные отверстия, имеющие соответствующие изгибы под углом , превышающим 90°, причем упомянутый угол  измеряется между впускной осью Ae и выпускной осью As упомянутого мультиперфорационного отверстия, причем упомянутая выпускная ось упомянутого мультиперфорационного отверстия наклонена под углом θ3 относительно упомянутой нормали N к упомянутой кольцевой стенке, через которую образованы мультиперфорационные отверстия с изгибами, образованными в направлении «вращения» которое является самое большее перпендикулярным к упомянутому направлению D осевого потока газа сгорания.
Наличие этих охлаждающих отверстий, которые расположены под углом внутри стенки камеры сгорания, с тем, чтобы быть подающими подобно осевым мультиперфорационным отверстиям на холодной стороне, в то же время, тем не менее, открывающимися на горячей стороне подобно вращательным мультиперфорационным отверстиям, позволяет получить хорошее охлаждение с лучшими характеристиками обычной осевой мультиперфорации и вращательной мультиперфорации.
α
Предпочтительно, упомянутый угол  находится в диапазоне от 90° до 170°, а упомянутое направление вращения наклонено относительно упомянутого направления D осевого потока газа сгорания под углом β, находящимся в диапазоне от 50° до 90°.
Предпочтительно, упомянутые мультиперфорационные отверстия представляют диаметр d3, предпочтительно, идентичный упомянутому диаметру d1 упомянутых охлаждающих отверстий, а упомянутый выпускной угол θ3 наклона является, предпочтительно, идентичным упомянутому углу наклона θ1 упомянутых охлаждающих отверстий, причем каждое из упомянутых мультиперфорационных отверстий может представлять собой изменяющийся профиль, с тем, чтобы оптимизировать охлаждение локально.
Предпочтительно, упомянутая впускная ось упомянутого мультиперфорационного отверстия наклонена под углом θ4 относительно упомянутой нормали N к упомянутой кольцевой стенке в направлении D осевого потока газа сгорания, причем упомянутый впускной угол θ4 наклона, предпочтительно, является идентичным с упомянутым углом θ1 упомянутых охлаждающих отверстий.
Предпочтительно, упомянутые мультиперфорационные отверстия разделяются на две части после изогнутого участка с тем, чтобы образовать два выпускных отверстия для воздуха, выходящих на горячую сторону, и одно или оба выпускных отверстие (отверстия) для воздуха выходят на горячую сторону каждого из упомянутых мультиперфорационных отверстий, могущих представлять собой переменный диаметр d3 в форме конуса.
В зависимости от варианта осуществления, который предусмотрен, упомянутые отверстия для впуска воздуха являются первичными отверстиями, позволяющими воздуху протекать по упомянутой холодной стороне к упомянутой горячей стороне для создания воздушно-топливной смеси, или упомянутые отверстия для впуска воздуха являются обедняющими отверстиями, позволяющими потоку воздуха на упомянутой холодной стороне проникать к упомянутой горячей стороне для обеднения воздушно-топливной смеси.
Настоящее изобретение также обеспечивает камеру сгорания и газотурбинный двигатель (имеющий камеру сгорания), включающий кольцевую стенку, как определено выше.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения вытекают из следующего описания, выполненного, обращаясь к прилагаемым чертежам, которые представляют вариант осуществления, не обладающий ограничивающим характером. На чертежах:
Фиг.1 - вид продольного сечения камеры сгорания газотурбинного двигателя в его среде;
Фиг.2 - фрагментарный и развернутый вид одной из кольцевых стенок камеры сгорания с фиг.1 в варианте осуществления изобретения;
Фиг. 3 и 4 - фрагментарные виды соответственно сверху и в перспективе, показывающие участок кольцевой стенки с фиг.2; и
Фиг. 5 и 6 - два варианта осуществления угловых мультиперфорационных отверстий в одной из кольцевых стенок камеры сгорания с фиг.1.
Подробное описание изобретения
Фиг.1 представляет камеру 10 сгорания газотурбинного двигателя в своей среде. Такой двигатель включает в себя, в частности, секцию сжатия (не показана), в которой воздух сжимается перед впрыском в кожух 12 камеры, а затем в камеру 10 сгорания, которая установлена внутри него. Сжатый воздух проникает через отверстия для впуска воздуха в камеру сгорания и смешивается с топливом до его сжигания. Затем газ, полученный в результате такого сгорания, направляется в турбину 14 высокого давления, расположенную на выходе из камеры сгорания.
Камера сгорания представляет собой кольцевой тип. Она изготовлена из внутренней кольцевой стенки 16 и внешней кольцевой стенки 18, которые соединены вместе на своих передних по ходу концах поперечной стенкой 20, образующей торцевую стенку камеры. Камера сгорания может представлять собой камеру прямого потока или камеру обратного потока. При таких обстоятельствах обратный изгиб размещен между камерой сгорания и соплом турбины.
Внутренняя и внешняя кольцевые стенки 16 и 18 продолжаются вдоль продольной оси, которая немного наклоняется относительно продольной оси 22 двигателя. Торцевая стенка 20 камеры снабжена рядом отверстий 20А, в которые установлены множество топливных форсунок 24.
Кожух 12 камеры, который состоит из внутренней оболочки 12а и внешней оболочки 12b, взаимодействует с камерой 10 сгорания для образования кольцевых пространств 26, в которые поступает сжатый воздух для целей горения, обеднения и охлаждения камеры.
Каждая из внутренних и внешних кольцевых стенок 16 и 18 представляет собой соответствующую холодную сторону 16а, 18а рядом с кольцевым пространством 26, в котором протекает сжатый воздух, и соответствующую горячую сторону 16b, 18b, обращенную к внутренней части камеры сгорания (см. фиг.4).
Камера 10 сгорания подразделяется на «первичную» зону (или зону сгорания) и «вторичную» зону (или зону обеднения), расположенную позади нее (где "позади" следует понимать относительно общего аксиального направления потока газа, который получается от сжигания воздушно-топливной смеси внутри камеры сгорания, и представленного стрелкой D).
Воздух, который подается в первичную зону камеры сгорания, проникает через кольцевой ряд первичных отверстий 28, образованных во внутренней и внешней кольцевых стенках 16 и 18 камеры по всей окружности каждой из этих кольцевых стенок. Каждое из этих первичных отверстий имеет дальний край, выровненный по общей линии 28А. Воздух, поступающий во вторичную зону камеры, проходит через множество отверстий 30 для обеднения, также образованных во внутренней и внешней кольцевых стенках 16 и 18 по всей окружности этих кольцевых стенок. Эти отверстия 30 для обеднения выровнены по окружному ряду, который смещен в осевом направлении далее по ходу от рядов первичных отверстий 28, и они могут иметь разные диаметры, в частности, чередование больших отверстий и маленьких отверстий. В конфигурации, показанной на фиг.2, эти отверстия для обеднения разных диаметров, тем не менее, имеют дальний край, выровненный по общей линии 30А.
Для охлаждения внутренних и наружных кольцевых стенок 16 и 18 камеры сгорания, которые подвергаются воздействию высоких температур газа сгорания, предусмотрены множество охлаждающих отверстий 32 (показаны на фиг. 2-4). В камере сгорания обратного потока обратный изгиб также снабжен такими отверстиями.
Эти отверстия 32, которые служат для охлаждения стенок 16 и 18 через множество отверстий, также называемых «мультиперфорацией», распределены по множеству круговых рядов, которые в осевом направлении разнесены друг от друга. Эти ряды мультиперфорационных отверстий обычно покрывают всю площадь поверхности кольцевых стенок камеры сгорания. Число и диаметр d1 охлаждающих отверстий 32 являются идентичными в каждом из рядов. Шаг p1 между двумя отверстиями в заданном ряду является постоянным и может, возможно, быть одинаковым для всех рядов. Кроме того, смежные ряды отверстий расположены таким образом, что отверстия 32 расположены в шахматном порядке, как показано на фиг.2.
Как показано на фиг.4, охлаждающие отверстия 32 обычно присутствуют под углом θ1 наклона относительно нормали N к кольцевой стенке 16, 18, через которую они образованы. Этот угол θ1 наклона позволяет воздуху, проходящему через эти отверстия, образовывать пленку воздуха вдоль горячей стороны 16b, 18b кольцевой стенки. По сравнению с отверстиями без угла наклона, они служат для увеличения площади кольцевой стенки, которая охлаждается. Кроме того, угол θ1 наклона охлаждающих отверстий 32 направлен таким образом, что образующаяся таким образом пленка воздуха, течет в направлении потока газа сгорания внутри камеры (представленном стрелкой D).
В качестве примера, для кольцевой стенки 16, 18, изготовленной из металла или керамического материала, и имеющей толщину, находящуюся в диапазоне 0,6 миллиметров (мм) до 3,5 мм, диаметр d1 охлаждающих отверстий 32 может находиться в диапазоне от 0,3 мм до 1 мм (предпочтительно, в диапазоне от 0,4 мм до 0,6 мм), шаг р1 может находиться в диапазоне от 1 мм до 10 мм, а их угол θ1 наклона может находиться в диапазоне от +30° до +70°, обычно составляя +60°. В качестве сравнения, для кольцевой стенки, имеющей те же характеристики, первичные отверстия 28 и обедняющие отверстия 30 имеют диаметр порядка от 4 мм до 20 мм.
Кроме того, для обеспечения эффективного охлаждения дальше по ходу от обедняющих отверстий, каждая кольцевая стенка 16, 18 камеры сгорания может также включать в себя множество дополнительных охлаждающих отверстий 34, расположенных непосредственно дальше по ходу от обедняющих отверстий 30 (но аналогичная конфигурация расположенных дальше по ходу от первичных отверстий 28 также возможна для ограничения повышения градиента температуры в отверстиях и, таким образом, избегания образования трещин) и распределены во множестве круговых рядов, идущих от передней по ходу оси 30А перехода. Тем не менее, в отличие от вышеупомянутых охлаждающих отверстий, которые подают пленку воздуха, протекающего в осевом направлении D, пленка воздуха, подаваемая этими дополнительными отверстиями, протекает в перпендикулярном направлении, в результате чего она расположена под углом 90° в плоскости, перпендикулярной направление осевого потока D газа сгорания. Эта мультиперфорация, выполненная перпендикулярно оси двигателя (в приведенном ниже описании, называется вращательной мультиперфорацией, в отличие от осевой мультиперфорации охлаждающих отверстий) позволяет устанавливать дополнительные отверстия ближе к обедняющим отверстиям (или к первичным отверстиям, если это необходимо) и, таким образом, служит для ограничения повышения градиента температуры в этих отверстиях.
Дополнительные отверстия 34 в данном ряду имеют одинаковый диаметр d2, предпочтительно идентичный с диаметром d1 охлаждающих отверстий 32, они отстоят друг от друга с постоянным шагом p2, который может быть, возможно, идентичным с шагом p1 между охлаждающими отверстиями 32, и они присутствуют под углом θ2 наклона, который, предпочтительно, является идентичным с углом θ1 наклона охлаждающих отверстий 32, но расположен в перпендикулярной плоскости. Тем не менее, эти характеристики дополнительных отверстий 34 могут заметно отличаться от характеристик охлаждающих отверстий 32, оставаясь в вышеопределенных значениях диапазонов, то есть угол θ2 наклона дополнительных отверстий в данном ряду относительно нормали N кольцевой стенки 16, 18 может отличаться от угла θ1 наклона охлаждающих отверстий, а диаметр d2 дополнительных отверстий в данном ряду может отличаться от диаметра d1 охлаждающих отверстий 32.
По изобретению, хорошее охлаждение вокруг обедняющих отверстий и вокруг первичных отверстий получается посредством использования динамического давления на холодной стороне (между кожухом и стенкой камеры), сохраняя при этом вращательный эффект на горячей стороне. Для того чтобы сделать это, предусматривается изготовление в зонах, имеющих резкий температурный градиент, например, первичных или обедняющих отверстий для обеспечения мультиперфорационных отверстий 36, которые являются изогнутыми под углом α более 90° в стенке камеры так, что они питаются общим давлением воздуха на холодной стороне, как и в случае осевой мультиперфорации, при раскрытии на горячей стороне в виде вращательной мультиперфорации. В частности, в известном способе с вращательной мультиперфорацией при 90°, отверстия питаются статическим давлением воздуха между кожухом 12 и стенкой камеры, тогда как при осевой мультиперфорации, отверстия питаются общим давлением воздуха. Факт подачи статического давления подразумевает, что не следует использовать динамическое давление воздуха (P общее - P статическое) между кожухом и стенкой камеры. Однако это динамическое давление особенно велико в первичных отверстиях и обедняющих отверстиях.
Угол α обычно лежит в диапазоне от 90° до 170° и измеряется между впускной осью Ae и выпускной осью As мультиперфорационного отверстия, при этом выпускная ось (ось отверстия вблизи горячей стенки) наклонена на угол θ3 относительно нормали N к кольцевой стенке, но в плоскости, которая сама наклонена под углом β внутрь вращательного направления, которое является, самое большее, перпендикулярным осевому направлению D потока газа сгорания. Как правило, этот вращательный угол β находится в диапазоне от 50° до 90°.
Эти мультиперфорационные отверстия 36 имеют диаметр d3, который, предпочтительно, является идентичным диаметру d1 охлаждающих отверстий 32 и выпускному углу θ3 наклона, который предпочтительно, является идентичным с углом θ1 наклона отверстия отверстий 32. Аналогично, впускная ось (ось отверстия на холодной стороне) может быть прямой (параллельной нормали N) или, предпочтительно, представлять угол θ4 наклона (предпочтительно идентичный с углом θ1 наклона охлаждающих отверстий 32) относительно нормали в направлении D осевого потока газа сгорания. Тем не менее, оставаясь в пределах упомянутых выше диапазонов значений для охлаждающих отверстий 32, эти различные характеристики могут существенно отличаться от характеристик охлаждающих отверстий.
α
Можно заметить, что в этих зонах резкого температурного градиента, профиль каждого мультиперфорационного отверстия 36 может, предпочтительно, изменяться, то есть оно может иметь диаметр d3, углы θ3 и θ4 наклона (и, следовательно, угол ), и вращательный угол β, которые отличаются от одного отверстия к другому, с тем, чтобы оптимизировать охлаждение локально.
Следует также заметить, что для отверстия диаметром 0,4 мм, площадь поперечного теплообмена (площадь, увлажненная воздухом, проходящим через отверстие), является одинаковой для всех трех типов мультиперфорационных отверстий. Таким образом, эту площадь S поперечного теплообмена можно определить по следующей формуле:
S=π*d3*L
где L - длина отверстия, при этом:
2
для осевого прямого отверстия 32 S равно 3 квадратным миллиметрам (мм);
2
для вращательного прямого отверстия 34 при 90° S равно 3,04 мм); и
2
для отверстия 36, имеющего изгиб 90°, S равно 3,06 мм.
Таким образом, отверстие с изгибом не ухудшает охлаждение стенки посредством силовой конвекции воздуха, протекающего через него.
Благодаря мультиперфорации, состоящей из трех изгибов, использующей динамическое давление воздуха, протекающего между кожухом и стенкой камеры сгорания, которое не используется с вращательной мультиперфорацией, позволяет охлаждению быть выполненным просто и со значительно большей эффективностью вокруг первичных и обедняющих отверстий путем надлежащего размещения этих отверстий с изгибами.
α
α
В отличном варианте осуществления, показанном на фиг.5, выпуск мультиперфорационного отверстия 36, открывающийся на горячей стороне, может иметь диаметр d3, который изменяется таким образом, чтобы образовать конус вместо того, чтобы быть постоянным, как описано выше, при этом диаметр d3 увеличивается при приближении к выпуску для воздуха. Аналогично, как показано на фиг.6, после участка изгиба, выпуск для воздуха на горячей стороне может быть разделен на две части для увеличения площади теплообмена между охлаждающим воздухом и стенкой. Диаметр d3, предпочтительно, является идентичным по всему мультиперфорационному отверстию 36, однако углы 1 и 2 между впускной осью и соответствующими выпускными осями двух участков после изгиба могут быть идентичными, как показано, или они могут быть разными. Тем не менее, как выше приведено, выпуск для воздуха, образующий концевой участок отверстия, также может иметь различный диаметр.