ДВУСТЕННАЯ ЖАРОВАЯ ТРУБА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к камерам сгорания ГТД, ГТУ и других силовых установок, в частности к жаровым трубам камер сгорания непрерывного действия.
Известна жаровая труба камеры сгорания ГТД, содержащая обечайку, по меньшей мере, с одним узлом подвода охладителя в виде расположенных на обечайке в окружном направлении отверстий с козырьками, расположенными на ее внутренней поверхности (см. под ред. Д.В.Хронина «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей», М., Машиностроение, 1989, стр.409, рис.8.16). Недостаток известной жаровой трубы заключается в ее низкой надежности при высоких режимных параметрах современных камер сгорания из-за таких дефектов, как прогары, коробления и трещины на обечайке.
Известна камера сгорания ГТД (патент РФ №2066424, МПК F23R 3/06, 1996), содержащая кольцевую перфорированную жаровую трубу, состоящую из двух стенок, причем внутренняя стенка жаровой трубы выполнена из продольных сегментов, имеющих ряд поясов отверстий заградительного охлаждения и фланцы (передние и задние) для крепления этих сегментов. Недостатком этой камеры сгорания является то, что продольные сегменты выполнены с разной толщиной стенок по длине. Это приводит при быстрых переходных режимах двигателя к неравномерному по времени нагреву разных частей сегментов и, следовательно, к короблению сегментов.
Известны жаровые трубы камер сгорания с пленочным охлаждением (Нечаев Ю.Н., Федоров Р.Н. «Теория воздушно-реактивных двигателей. М. Машиностроение, 1981»). Охлаждающий воздух в них подается через кольцевые щели в стенках вдоль внутренней поверхности жаровой трубы, тем самым создается завеса холодного воздуха между стенкой и горячими продуктами сгорания. Такие жаровые трубы требуют большего расхода воздуха для охлаждения участков, удаленных от щели.
Техническим решением выбранным, в качестве близкого аналога является жаровая труба камеры сгорания ГТД (патент США №5435139, НКИ 60/757, 1995). Двустенная жаровая труба камеры сгорания ГТД содержит кольцевую несущую стенку и установленные на ее внутренней поверхности с зазором посредством крепежных средств сегменты экранирующей стенки. Несущая стенка имеет кольцевые ряды, расположенных перпендикулярно к ней, круглых воздухоподводящих отверстий. В сегментах экранирующей стенки образованы поперечные к оси трубы сквозные наклонные щелевые отверстия. Щелевые отверстия выполнены в виде параллельных стенок соединенных по противоположным краям между собой полукруглыми участками. При этом выходы круглых отверстий в несущей стенке расположены между входами щелевых отверстий экранирующей стенки. При такой конструкции обеспечивается конвективно-пленочное охлаждение наиболее нагретой экранирующей стенки жаровой трубы. Однако здесь не определен угол наклона отверстий в экранирующей стенке, который формирует наиболее эффективную заградительную воздушную пелену.
Следует отметить, что в патенте РФ №2243448 (МПК F23R 3/06, 2002) угол наклона выбирается 0-20°, а в патенте США №7874159 (НКИ 60/754, 25.01.2011) угол наклона выбирается 15-30°.
Таким образом, недостатки известных жаровых труб заключаются в их пониженной надежности из-за таких дефектов, как прогары, коробление и трещинообразование стенок в наиболее нагретых местах. Возникновение первых двух указанных дефектов связано с недостаточной эффективностью конвективно-пленочной системы охлаждения жаровой трубы, а образование трещин вызвано высокими напряжениями на острых кромках наклонных отверстий при малых углах их наклона к поверхности стенки (меньше 30-35°) при циклически быстро повторяющихся переходных процессах в камере сгорания.
В основу полезной модели положено решение задач увеличения ресурса камеры сгорания на заданных режимах работы (путем снижения температурных напряжений стенок жаровой трубы) при относительно минимальных расходах охлаждающего воздуха.
Поставленные задачи решаются тем, что двустенная жаровая труба камеры сгорания непрерывного действия содержит кольцевую несущую стенку и установленные на ее внутренней поверхности с зазором посредством крепежных средств сегменты экранирующей стенки. Несущая стенка имеет кольцевые ряды, расположенных перпендикулярно к ней, круглых воздухоподводящих отверстий. В сегментах экранирующей стенки образованы поперечные к оси трубы сквозные наклонные щелевые отверстия. Щелевые отверстия выполнены в виде параллельных стенок, соединенных по противоположным краям между собой полукруглыми участками. При этом выходы отверстий в несущей стенке расположены между входами щелевых отверстий экранирующей стенки.
Новым в полезной модели является то, что угол наклона параллельных стенок каждого щелевого отверстия в радиальной плоскости относительно оси поверхности экранирующей стенки составляет от 40 до 50°. Щелевое отверстие выполнено плавно расширяющимся между противоположными полукруглыми участками от входа к выходу с углом расширения от 10 до 60°. Площадь щелевого отверстия на входе составляет от 1,2 до 2,0 площади круглого воздухоподводящего отверстия в несущей стенке.
Указанные новые существенные признаки обеспечивают решение поставленных задач, а именно:
- выбор угла наклона параллельных стенок каждого щелевого отверстия в радиальной плоскости относительно оси поверхности экранирующей стенки в диапазоне от 40 до 50° обеспечивает снижение напряжения на острых кромках щелевого отверстия примерно в два раза по сравнению с напряжениями, получаемыми для круглых наклонных отверстий перфорации с углом наклона 20° к поверхности сегмента. При угле наклона щелевого отверстия к поверхности менее 40° увеличивается эффективность пленочной составляющей охлаждения, но при этом напряжения на острых кромках щелевого отверстия увеличивается в большей степени и, в результате, уменьшается число циклов до появления трещин. При угле наклона более 50° ухудшается эффективность пленочной составляющей охлаждения и увеличивается температура сегмента, а напряжения на острых кромках щелевого отверстия уменьшаются, но число циклов до появления трещин также уменьшается;
- выполнение щелевого отверстия плавно расширяющимся между противоположными полукруглыми участками от входа к выходу с углом расширения от 0 до 60° обеспечивает увеличение площади поверхности защитной воздушной пленки, которая предотвращает контакт экранирующей стенки с продуктами сгорания, что приводит с снижению температуры экранирующей стенки. При угле раскрытия боковых стенок щелевого отверстия менее 10° увеличение поверхности защитной пелены по сравнению с параллельными боковыми стенками мало, поэтому эффективность пленочной составляющей охлаждения увеличивается незначительно. При увеличении угла раскрытия щелевого отверстия более 60° могут возникать отрывы потока воздуха вблизи боковых стенок, что может привести к интенсификации смешения защитной пленки с потоком газа и, в результате, к уменьшению эффективности пленочной составляющей охлаждения;
- выполнение площади щелевого отверстия на входе от 1,2 до 2,0 величин площади круглого воздухоподводящего отверстия в несущей стенке обеспечивает организацию надежной воздушной завесы около поверхности экранирующей стенки жаровой трубы, обращенной в сторону горящего факела топливовоздушной смеси. Таким образом, предотвращается затекание продуктов сгорания в канал между несущей и экранирующей стенками на переходных режимах работы камеры сгорания. Если отношение площади щелевого отверстия в сегменте к площади отверстия в несущей стенке меньше 1,2, то уменьшается интенсивность ударного конвективного охлаждения сегмента из-за уменьшения скорости воздуха в струйках, вытекающих из отверстий в несущей стенке, и уменьшается эффективность пленочной составляющей охлаждения, что приводит к повышению температуры сегмента. Если указанное отношение площадей более 2,0, то из-за малого перепада давления на стенке сегмента появляется опасность затекания газа в канал системы охлаждения на переходных режимах работы камеры сгорания, что может привести к перегреву сегмента.
Таким образом, решены поставленные в полезной модели задачи увеличения ресурса камеры сгорания на заданных режимах работы (путем снижения температурных напряжений стенок жаровой трубы) при относительно минимальных расходах охлаждающего воздуха.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции и работы двустенной жаровой трубы камеры сгорания непрерывного действия со ссылкой на фиг.1-5, где:
- на фиг.1 схематично изображен продольный разрез камеры сгорания непрерывного действия;
- на фиг.2 - элемент А стенки жаровой трубы на фиг.1;
- на фиг.3 - сечение Б-Б экранирующей стенки жаровой трубы по оси щелевого отверстия на фиг.2;
- на фиг.4 - вид В на фиг.2
- на фиг.5 - вид Г на вход щелевого отверстия в экранирующей стенке на фиг.2.
Двустенная жаровая труба 1 камеры сгорания (см. фиг.1) непрерывного действия содержит кольцевую несущую стенку 2 и установленные на ее внутренней поверхности (см, фиг.2) с зазором h посредством крепежных средств 3 сегменты 4 экранирующей стенки 5. Крепежные средства 3 выполнены, например, в виде набора болтов с самоконтрящимися гайками. Несущая стенка 2 имеет кольцевые ряды, расположенных перпендикулярно к ней, круглых воздухоподводящих отверстий 6. В сегментах 4 экранирующей стенки 5 образованы поперечные к оси трубы 1 сквозные наклонные щелевые отверстия 7 (см. фиг.2-5), выполненные в виде параллельных стенок 8 соединенных по противоположным краям между собой полукруглыми участками 9. При этом выходы отверстий 6 в несущей стенке 2 расположены между входами щелевых отверстий 7 экранирующей стенки 5. Угол α наклона параллельных стенок 8 каждого щелевого отверстия 7 в радиальной плоскости относительно оси экранирующей стенки 5 составляет от 40 до 50° Причем щелевое отверстие 7 (см. фиг.3-4) выполнено плавно расширяющимся между противоположными полукруглыми участками 9 от входа к выходу с углом β расширения от 10 до 60°. Площадь щелевого отверстия 7 на входе составляет от 1,2 до 2,0 площади круглого воздухоподводящего отверстия 6 в несущей стенке 2.
Жаровая труба работает следующим образом.
Поток воздуха из компрессора, подается через диффузор внутрь камеры сгорания и используется для охлаждения жаровой трубы 1. Через отверстия 6 в несущей стенке 2 воздух проходит в полость канала высотой h между стенками 2, 5 и натекает перпендикулярно на охлаждаемую поверхность стенки 5, образуя интенсивное конвективное ее охлаждение и отбирая от нее полученное тепло. Из полости между стенками 2, 5 воздух через щелевые отверстия 7 наклонно направляется в полость жаровой трубы 1 и прижимается потоком горячих продуктов сгорания к внутренней поверхности стенки 5, защищая ее пеленой пристеночной воздушной завесы от непосредственного контакта с продуктами сгорания.
Таким образом, в системе охлаждения используется совместное действие интенсивного съема тепла ударным охлаждением в полости между стенками двустенной жаровой трубы и защитой экранирующей стенки жаровой трубы пристеночной воздушной завесой.
При таком охлаждении жаровой трубы происходит значительное снижение температуры и уровня неравномерности температур всей конструкции, в условиях циклически повторяющихся быстрых переходных процессов, происходящих в камере сгорания, что приводит к снижению температурных напряжений в стенках камеры, повышению ресурса и надежности работы камеры сгорания непрерывного действия, что подтверждено опытными проверками.