КОЛЬЦЕВАЯ СТЕНКА СГОРАНИЯ С УЛУЧШЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ НА УРОВНЕ ПЕРВИЧНЫХ ОТВЕРСТИЙ И/ИЛИ ОТВЕРСТИЙ РАЗБАВЛЕНИЯ
CIRCULAR COMBUSTION WALL WITH PERFECTED COOLING AT PRIMARY BORES AND/OR DILUTION BORES LEVEL

Область техники
Настоящее изобретение относится в целом к области камер сгорания газотурбинных двигателей. В частности, оно относится к кольцевой стенке, предназначенной для прямоточной или противоточной камеры сгорания, охлаждаемой посредством процесса, известного как «мультиперфорация».
Как правило, кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя образована внутренней кольцевой стенкой и наружной кольцевой стенкой, которые соединены спереди по потоку поперечной стенкой, образующей основание камеры.
Каждая из внутренней и наружной кольцевых стенок выполнена с множеством различных отверстий и отверстий, обеспечивающих возможность прохода воздуха, циркулирующего вокруг камеры сгорания, внутрь последней.
Таким образом, отверстия, названные «первичными» отверстиями и отверстиями «разбавления», образованы в данных кольцевых стенках для перемещения воздуха внутри камеры сгорания. Воздух, использующий для прохода первичные отверстия, способствует созданию воздушно-топливной смеси, которая сжигается в камере, в то время как воздух, поступающий из отверстий разбавления, предназначен для того, чтобы способствовать разбавлению данной той же самой воздушно-топливной смеси.
Внутренняя и наружная кольцевые стенки подвергаются воздействию высоких температур газа, образующегося в результате сжигания воздушно-топливной смеси.
Для обеспечения их охлаждения дополнительные так называемые отверстия мультиперфорации также просверлены сквозь данные кольцевые стенки на всей их поверхности. Данные отверстия мультиперфорации, имеющие наклон под углом, как правило, равным 60°, обеспечивают возможность прохода воздуха, циркулирующего снаружи камеры, внутрь последней для образования пленок охлаждающего воздуха вдоль стенок.
Однако на практике было отмечено, что зона внутренней и наружной кольцевых стенок, которая расположена непосредственно позади по потоку от каждого из первичных отверстий или отверстий разбавления, в частности, вследствие отсутствия отверстий, образованных в результате использования технологии лазерного сверления, имеет низкий уровень охлаждения с сопутствующим риском образования трещин.
Для решения данной проблемы в документе US 6145319 предложено выполнение переходных отверстий в зоне стенки, расположенной по потоку непосредственно позади от каждого из первичных отверстий и отверстий разбавления, при этом данные переходные отверстия имеют меньший угол наклона по сравнению с углом наклона отверстий мультиперфорации. Однако при условии, что это представляет собой локализованную обработку, данное решение, к сожалению, оказывается особенно дорогостоящим и приводит к значительному увеличению длительности изготовления стенок.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в устранении вышеуказанных недостатков и в разработке кольцевой стенки камеры сгорания, которая обеспечивает надлежащее охлаждение зон, расположенных по потоку непосредственно позади от первичных отверстий и отверстий разбавления.
Для решения задачи предлагается кольцевая стенка камеры сгорания газотурбинного двигателя, имеющая холодную сторону и горячую сторону, при этом указанная кольцевая стенка содержит:
- множество первичных отверстий, распределенных в соответствии с окружным рядом для обеспечения возможности прохода воздуха, циркулирующего с холодной стороны указанной кольцевой стенки, к горячей стороне для создания воздушно-топливной смеси;
- множество отверстий разбавления, распределенных в соответствии с окружным рядом для обеспечения возможности прохода воздуха, циркулирующего с холодной стороны указанной кольцевой стенки, к горячей стороне для обеспечения разбавления воздушно-топливной смеси; и
- множество отверстий охлаждения, предназначенных для обеспечения возможности прохода воздуха, циркулирующего с холодной стороны указанной кольцевой стенки, к горячей стороне для образования пленки охлаждающего воздуха вдоль указанной кольцевой стенки, при этом указанные отверстия охлаждения распределены в соответствии с множеством окружных рядов, расположенных на расстоянии друг от друга, определяемом в аксиальном направлении, и геометрические оси каждого из указанных отверстий охлаждения наклонены в аксиальном направлении D потока газообразных продуктов сгорания под углом θ1 наклона относительно нормали N к указанной кольцевой стенке;
отличающаяся тем, что она дополнительно содержит множество дополнительных отверстий охлаждения, расположенных, с одной стороны, по потоку непосредственно позади от указанных первичных отверстий и, с другой стороны, по потоку непосредственно позади от указанных отверстий разбавления и распределенных в соответствии с множеством окружных рядов, расположенных на расстоянии друг от друга, определяемом в аксиальном направлении,
при этом геометрические оси каждого из указанных дополнительных отверстий охлаждения расположены в плоскости, перпендикулярной к указанному аксиальному направлению D, и наклонены под углом θ2 наклона относительно нормали N к указанной кольцевой стенке.
Наличие дополнительных отверстий охлаждения, расположенных наклонно в плоскости, перпендикулярной к направлению потока газообразных продуктов сгорания, по потоку непосредственно позади от первичных отверстий и отверстий разбавления и рядом с первичными отверстиями и отверстиями разбавления, обеспечивает эффективное охлаждение по сравнению с классической аксиальной мультиперфорацией, при которой наличие данных отверстий препятствует образованию воздушной пленки, и при этом не изменяется поток в первичной зоне.
Кольцевая стенка предпочтительно содержит на уровне переходной зоны, образованной по потоку позади от указанного множества рядов дополнительных отверстий, по меньшей мере два ряда отверстий, в которых геометрические оси каждого из указанных отверстий наклонены относительно плоскости, перпендикулярной к указанному аксиальному направлению D, под углом наклона, определяемым как разный для каждого из указанных двух рядов.
В соответствии с другим вариантом осуществления кольцевая стенка камеры сгорания газотурбинного двигателя, имеющая холодную сторону и горячую сторону, может также содержать:
- множество первичных отверстий или отверстий разбавления, распределенных в соответствии с окружным рядом для обеспечения возможности прохода воздуха, циркулирующего с холодной стороны указанной кольцевой стенки, к горячей стороне соответственно для создания воздушно-топливной смеси или для обеспечения разбавления воздушно-топливной смеси; и
- множество отверстий охлаждения, предназначенных для обеспечения возможности прохода воздуха, циркулирующего с холодной стороны указанной кольцевой стенки, к горячей стороне для образования пленки охлаждающего воздуха вдоль указанной кольцевой стенки, при этом указанные отверстия охлаждения распределены в соответствии с множеством окружных рядов, расположенных на расстоянии друг от друга, определяемом в аксиальном направлении, и геометрические оси каждого из указанных отверстий охлаждения наклонены в аксиальном направлении D потока газообразных продуктов сгорания под углом θ1 наклона относительно нормали N к указанной кольцевой стенке;
отличающаяся тем, что она дополнительно содержит множество дополнительных отверстий охлаждения, расположенных по потоку непосредственно позади от указанных первичных отверстий или отверстий разбавления и распределенных в соответствии с множеством окружных рядов, расположенных на расстоянии друг от друга, определяемом в аксиальном направлении,
при этом геометрические оси каждого из указанных дополнительных отверстий охлаждения расположены в плоскости, перпендикулярной к указанному аксиальному направлению D, и наклонены под углом θ2 наклона относительно нормали N к указанной кольцевой стенке,
и тем, что она дополнительно содержит на уровне переходной зоны, образованной по потоку позади от указанного множества рядов дополнительных отверстий по меньшей мере два ряда отверстий, в которых геометрические оси каждого из указанных отверстий наклонены относительно плоскости, перпендикулярной к указанному аксиальному направлению D, под углом наклона, определяемым как разный для каждого из указанных двух рядов.
За счет сглаживания потоков данная переходная зона круговращательно-аксиальной мультиперфорации обеспечивает уменьшение температурного градиента в зоне начала возникновения трещин. Профиль средних температур на выходе камеры улучшается вследствие получающейся в результате более эффективной смеси.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения указанный угол θ2 наклона указанных дополнительных отверстий относительно нормали N к указанной кольцевой стенке идентичен углу θ1 наклона указанных отверстий охлаждения.
Диаметр d2 указанных дополнительных отверстий предпочтительно идентичен диаметру d1 указанных отверстий охлаждения, и шаг р2 указанных дополнительных отверстий предпочтительно идентичен шагу р1 указанных отверстий охлаждения, и указанные дополнительные отверстия предпочтительно могут иметь большую плотность расположения непосредственно позади по потоку от первичных отверстий и отверстий разбавления.
В том случае когда кольцевая стенка содержит данные два ряда отверстий, указанные углы наклона составляют соответственно 30° и 60°. Указанные два ряда отверстий в этом случае представляют собой или два ряда дополнительных отверстий, расположенные по потоку непосредственно спереди от ряда отверстий охлаждения, или два ряда отверстий охлаждения, расположенные по потоку непосредственно позади от ряда дополнительных отверстий, или ряд дополнительных отверстий и соседний ряд отверстий охлаждения.
В том случае когда кольцевая стенка содержит несколько рядов отверстий, указанные углы наклона распределены равномерно между 0° и 90°.
Направление наклона указанных дополнительных отверстий предпочтительно ограничено направлением потока воздушно-топливной смеси по потоку позади от указанной камеры сгорания.
Другая задача настоящего изобретения состоит в разработке камеры сгорания и газотурбинного двигателя (имеющего камеру сгорания), содержащих кольцевую стенку, такую как определена ранее.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеприведенного описания, представленного со ссылкой на приложенные чертежи, которые иллюстрируют вариант осуществления, лишенный какого-либо ограничительного характера.
На фигурах:
- фиг. 1 представляет собой продольное сечение камеры сгорания газотурбинного двигателя в окружающей ее среде;
- фиг. 2 представляет собой частичный и развернутый вид одной из кольцевых стенок камеры сгорания по фиг. 1 в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения; и
- фиг. 3 представляет собой частичный вид в перспективе части кольцевой стенки по фиг. 2.
Подробное описание изобретения
Фиг. 1 иллюстрирует в окружающей ее среде камеру 10 сгорания для газотурбинного двигателя. Подобный газотурбинный двигатель содержит, в частности, секцию сжатия (непоказанную), в которой воздух сжимается перед вводом его под давлением в кожух 12 камеры, затем в камеру 10 сгорания, установленную внутри кожуха 12. Сжатый воздух вводится в камеру сгорания и смешивается с топливом перед сжиганием. Газы, образующиеся в результате этого сжигания, направляются к турбине 14 высокого давления, расположенной у выхода камеры сгорания.
Камера сгорания представляет собой камеру кольцевого типа. Она образована внутренней кольцевой стенкой 16 и наружной кольцевой стенкой 18, которые соединены спереди по потоку поперечной стенкой 20, образующей основание камеры. Она может быть прямоточной, как проиллюстрированная, или противоточной. В этом случае колено возврата, которое также может охлаждаться посредством многочисленных просверленных отверстий, расположено между камерой сгорания и распределителем турбины.
Кольцевые внутренняя 16 и наружная 18 стенки простираются вдоль продольной оси с небольшим наклоном относительно продольной оси 22 газотурбинного двигателя. Основание 20 камеры выполнено с множеством отверстий 20А, в которых установлены топливные форсунки 24.
Кожух 12 камеры, который образован внутренней огибающей частью 12а и наружной огибающей частью 12b, образует вместе с камерой 10 сгорания кольцевые пространства 26, в которые поступает сжатый воздух, предназначенный для сжигания, разбавления и охлаждения камеры.
Каждая из кольцевых внутренней 16 и наружной 18 стенок имеет холодную сторону 16а, 18а, расположенную со стороны кольцевого пространства 26, в котором циркулирует сжатый воздух, и горячую сторону 16b, 18b, обращенную к внутренней части камеры сгорания (фиг. 3).
Камера 10 сгорания разделена на зону, называемую «первичной» (или зоной сжигания), и зону, называемую «вторичной» (или зоной разбавления), расположенную по потоку позади от предшествующей зоны («позади по потоку» означает относительно общего аксиального направления потока газов, образующихся в результате сжигания воздушно-топливной смеси внутри камеры сгорания и изображенных в виде стрелки D).
Воздух, который подается в первичную зону камеры сгорания, вводится через окружной ряд первичных отверстий 28, образованных в кольцевых внутренней 16 и наружной 18 стенках камеры на всей длине окружности данных кольцевых стенок. Данные первичные отверстия имеют заднюю по потоку кромку, выровненную вдоль одной и той же линии 28А. Что касается воздуха, поступающего во вторичную зону камеры, то он проходит через множество отверстий 30 разбавления, также образованных на кольцевых внутренней 16 и наружной 18 стенках на всей длине окружности данных кольцевых стенок. Данные отверстия 30 разбавления выровнены в соответствии с окружным рядом, который смещен в аксиальном направлении дальше по потоку относительно рядов первичных отверстий 28, и отверстия 30 разбавления могут иметь разные диаметры, в частности, при чередовании больших и малых отверстий. В конфигурации, проиллюстрированной на фиг. 2, данные отверстия разбавления с разными диаметрами, тем не менее, имеют заднюю по потоку кромку, выровненную относительно одной и той же линии 30А.
Для охлаждения кольцевых внутренней 16 и наружной 18 стенок камеры сгорания, которые подвергаются воздействию высоких температур со стороны газообразных продуктов сгорания, выполнено множество отверстий 32 охлаждения (проиллюстрированных на фиг. 2 и 3).
Данные отверстия 32, которые обеспечивают охлаждение стенок 16, 18 посредством мультиперфорации, распределены в соответствии с множеством окружных рядов, расположенных на расстоянии друг от друга, определяемом в аксиальном направлении. Данные ряды отверстий мультиперфорации охватывают всю поверхность кольцевых стенок камеры, за исключением определенных зон, образующих предмет изобретения, точно ограниченных и находящихся между линией 28А, 30А, образующей переднюю по потоку ось перехода, и задней по потоку осью перехода, смещенной в аксиальном направлении дальше по потоку относительно данной оси, передней по потоку, и расположенной или, по существу, перед отверстиями разбавления (для задней по потоку оси 28В), или, по существу, перед выходной плоскостью камеры (для задней по потоку оси 30В).
Число и диаметр d1 отверстий 32 охлаждения идентичны в каждом из рядов. Шаг р1 между двумя отверстиями одного и того же ряда является постоянным и может быть идентичным или неидентичным для всех рядов. Кроме того, соседние ряды отверстий охлаждения являются стреловидными, так что отверстия 32 могут быть расположены в шахматном порядке, как показано на фиг. 2.
Как проиллюстрировано на фиг. 3, отверстия 32 охлаждения, как правило, имеют угол θ1 наклона относительно нормали N к кольцевой стенке 16, 18, в которой они выполнены. Данный угол θ1 наклона позволяет воздуху, проходящему через данные отверстия, образовывать пленку воздуха вдоль горячей стороны 16b, 18b кольцевой стенки. В сравнении с отверстиями, не имеющими наклона, он обеспечивает увеличение поверхности кольцевой стенки, которая охлаждается. Кроме того, наклон отверстий 32 охлаждения под углом θ1 направлен так, что образующаяся в результате пленка воздуха растекается в направлении потока газообразных продуктов сгорания внутри камеры (показанном стрелкой D).
В качестве примера для кольцевой стенки 16, 18, образованной из металлического или керамического материала и имеющей толщину, составляющую от 0,6 до 3,5 мм, диаметр d1 отверстий 32 охлаждения может составлять от 0,3 до 1 мм, шаг р1 может составлять от 1 до 10 мм, и угол θ1 их наклона может составлять от +30° до +70°, как правило, +60°. В качестве сравнения для кольцевой стенки, имеющей такие же характеристики, первичные отверстия 28 и отверстия 30 разбавления имеют диаметр, составляющий порядка 4-20 мм.
В соответствии с изобретением каждая кольцевая стенка 16, 18 камеры сгорания содержит множество расположенных по потоку непосредственно позади от первичных отверстий 28 и отверстий 30 разбавления и распределенных в соответствии с несколькими окружными рядами, как правило, по меньшей мере 5 рядами в зоне от передней по потоку оси 28А, 30А перехода до задней по потоку оси 28В, 30В перехода, дополнительных отверстий 34 охлаждения. Однако в сравнении с прежними отверстиями охлаждения, которые обеспечивают создание пленки воздуха, растекающейся в аксиальном направлении D, пленка воздуха, создаваемая посредством данных дополнительных отверстий, растекается в перпендикулярном направлении вследствие их расположения в плоскости, перпендикулярной к данному аксиальному направлению D потока газообразных продуктов сгорания. Данная мультиперфорация, выполненная в направлении, перпендикулярном к оси газотурбинного двигателя (в описании это будет названо круговращательной/круговой мультиперфорацией в отличие от аксиальной мультиперфорации отверстий охлаждения), обеспечивает сближение дополнительных отверстий для первичных отверстий или отверстий разбавления и повышение эффективности воздушно-топливной смеси.
Дополнительные отверстия 34 из одного и того же ряда имеют одинаковый диаметр d2, предпочтительно идентичный диаметру d1 отверстий 32 охлаждения, расположены с постоянным шагом р2, который может быть идентичным или не идентичным шагу р1 между отверстиями 32 охлаждения, и имеют угол θ2 наклона, предпочтительно идентичный углу θ1 наклона отверстий 32 охлаждения, но при этом наклон выполнен в перпендикулярной плоскости. Тем не менее, несмотря на то, что данные характеристики по-прежнему находятся в пределах диапазонов величин, определенных выше, данные характеристики дополнительных отверстий 34 мог, по существу, отличаться от характеристик отверстий 32 охлаждения, то есть угол θ2 наклона дополнительных отверстий из одного и того же ряда относительно нормали N к кольцевой стенке 16, 18 может отличаться от угла θ1 наклона отверстий охлаждения, и диаметр d2 дополнительных отверстий из одного и того же ряда может отличаться от диаметра d1 отверстий 32 охлаждения.
Однако в соответствии с потребностью в предпочтительном охлаждении дополнительные отверстия 34, расположенные за рядом первичных отверстий 28, также предпочтительно могут иметь характеристики в части, касающейся наклона, диаметра или шага, отличающиеся от характеристик дополнительных отверстий, расположенных за рядом отверстий 30 разбавления, и, в частности, в пределах одной и той же зоны может быть предусмотрено различие в диаметре d2 и шаге р2, чтобы сделать данное охлаждение более интенсивным в частях с наибольшими термическими напряжениями, то есть в тех, которые расположены по потоку непосредственно позади от первичных отверстий и больших отверстий разбавления, когда последние образованы чередующимися большими и малыми отверстиями, как проиллюстрировано на фиг. 2.
Введение круговращательной/круговой мультиперфорации между рядом первичных отверстий и рядом отверстий разбавления предотвращает образование трещин позади по потоку от первичных отверстий 28 за счет ограничения увеличения температурного градиента. Поскольку мультиперфорация, передняя по потоку относительно отверстий 30 разбавления, от задней по потоку оси 28В перехода представляет собой мультиперфорацию аксиального типа, необходимо предусмотреть переходную зону, образованную, например, из двух рядов, в которых каждое из дополнительных отверстий 34 охлаждения расположено в плоскости, имеющей наклон в одном ряду на угол, составляющий 30°, и в другом ряду на угол, составляющий 60°, относительно аксиального направления D, при этом остальные параметры, в частности диаметр d2, шаг р2 и угол θ2 наклона данных дополнительных отверстий в данных наклонных плоскостях остаются неизмененными.
Аналогичным образом на выходе камеры, более точно, начиная от задней по потоку оси 30В перехода (фиг. 2), введение аксиальной мультиперфорации соответствует локальному уровню круговращательного движения, чтобы не потерять выходной мощности, обеспечиваемой камерой сгорания для турбины (TuHP) высокого давления. Предпочтительным образом также желательно предусмотреть переходную зону круговращательно-аксиальной мультиперфорации для сглаживания потоков с целью уменьшения температурного градиента в зоне начала возникновения трещин. Профиль средних температур на выходе камеры улучшается вследствие получающейся в результате более эффективной смеси. Данная переходная зона, например, может быть выполнена в виде двух рядов дополнительных отверстий охлаждения, каждое из которых расположено в плоскости, имеющей наклон в одном ряду под углом, составляющим 30°, и в другом ряду под углом, составляющим 60°, относительно аксиального направления D, при этом остальные параметры, в частности диаметр d2, шаг р2 и угол θ2 наклона дополнительных отверстий в данных наклонных плоскостях остаются неизмененными. В случае противоточной камеры сгорания данная зона, начинающаяся от оси 30В, не может существовать или не может быть выполнена в колене возврата.
Очевидно, что если переходная зона была описана на уровне круговращательной/круговой мультиперфорации, нет проблемы размещения ее на уровне аксиальной мультиперфорации или даже расположения ее между рядом аксиальной мультиперфорации с наклоном под углом 30° и рядом круговращательной/круговой мультиперфорации с наклоном под углом 60°. Аналогичным образом данная переходная зона может содержать более двух рядов, при этом угол наклона отверстий в этом случае распределяется равномерно между 0° (аксиальная мультиперфорация) и 90° (круговращательная/круговая мультиперфорация). Например, при трех рядах угол наклона отверстий будет соответственно составлять 22,5°, 45° и 67,5°.
При использовании изобретения поток в первичной зоне не изменяется, и круговращательное движение не влияет на ориентацию разбавляющих струй, и исключение теплового барьера обеспечивает выигрыш в отношении массы и соответственно стоимости. Также очевидно, что для сохранения направлений потока в распределителе высокого давления (HPD - high-pressure distributor) и избежания аэродинамических расслоений, и поддержания выходной мощности турбины высокого давления направление сверления круговращательной/круговой мультиперфорации определяется ориентацией аэродинамических профилей распределителя высокого давления (HPD) по потоку позади от камеры сгорания.