Кольцеобразный конический элемент воздушного завихрителя камеры сгорания

Полезная модель относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), может найти применение в топливовоздушных горелках и в системах для впрыска смеси воздуха и топлива в камеру сгорания.
Для схем современных ГТД характерно то, что канал входа в турбину высокого давления располагается на большем диаметре, чем диффузор камеры сгорания за компрессором высокого давления. Фронтовое устройство с воздушными завихрителями жаровой трубы при этом, для исключения деформации температурного поля, должно быть выполнено «наклонным». Причем угол наклона из-за ограниченной длины камеры сгорания может быть значительным. Это усложняет сборку камеры сгорания, так как монтаж форсунок должен выполняться уже в составе практически собранной камеры, при этом головка каждой форсунки должна «попасть» во втулку завихрителя, которая свободно перемещается в своем посадочном месте (необходимо для обеспечения сборки и компенсации разности температурных расширений камеры сгорания). Для обеспечения монтажа форсунки воздушные завихрители жаровой трубы должны содержать направляющую конусную втулку.
Известна топливовоздушная горелка камеры сгорания, установленная в жаровой трубе, снабженной втулкой в виде кольцеобразного конического элемента воздушного завихрителя со стороны входа потока воздуха (Патент РФ 2382946 от 23.09.2005, опубл. 27.02.2010 бюл.№6, МПК F23R 3/02).
Наиболее близким является кольцеобразный конический элемент воздушного завихрителя камеры сгорания c форсункой, установленного в жаровой трубе, и исполненного с возможностью перемещения, выполненный в виде входной конической части, переходящей в цилиндрическую часть, сопрягающуюся внутренним диаметром с головкой форсунки по посадочному диаметру, (Патент РФ 2446357 от 29.06.2006, МПК F23R 3/30, F23R 3/14, F02C 7/22, опубл. 27.03.2012 бюл.№9).
Недостатками представленных решений является затенение входа в завихритель воздушного потока, связанное со значительными габаритными размерами кольцеобразного конического элемента, что приводит к потерям скоростного напора воздуха в следе за кольцеобразным коническим элементом, и, как следствие, ухудшению работы камеры сгорания, в частности топливовоздушной горелки.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является уменьшение массогабаритных размеров кольцеобразного конического элемента и упрощение монтажа форсунки, и, следовательно, сборки самой камеры сгорания, за счет выполнения тонкостенного выступа с конусной поверхностью, позволяющее устранить затенение входа в воздушный завихритель воздушного потока и, следовательно, повысить работоспособность непосредственно топливовоздушной горелки.
Технический результат достигается тем, что кольцеобразный конический элемент воздушного завихрителя камеры сгорания c форсункой, установленного в жаровой трубе, и исполненного с возможностью перемещения на величину δ, выполненный в виде входной конической части, переходящей в цилиндрическую часть, сопрягающуюся внутренним диаметром с головкой форсунки по посадочному диаметру D, в отличие от известного коническая часть выполнена в виде тонкостенного выступа с конусной поверхностью, сопряженной с вышеупомянутой цилиндрической частью, с возможностью свободного монтажа головки форсунки, ширина L конусной поверхности равна посадочному диаметру D головки форсунки L=D, а наружный радиус R конусной поверхности должен быть: ,
где D - посадочный диаметр головки форсунки;
δ - величина перемещения воздушного завихрителя относительно оси головки форсунки δ=1,5…5 мм, угол наклона конической части кольцеобразного элемента относительно оси завихрителя равен α=30°…60°, внутренняя поверхность конической части выполнена по радиусу, равному 0,5-0,75 от посадочного диаметра D головки форсунки  .
На фигурах показаны:
Фиг. 1 - Общий вид камеры сгорания с предлагаемым кольцеобразным элементом воздушного завихрителя;
Фиг. 2 - Вид А фиг. 1;
Фиг. 3 - Воздушный завихритель с кольцеобразным коническим элементом;
Фиг. 4 - Кольцеобразный конический элемент воздушного завихрителя.
Камера сгорания снабжена жаровой трубой 1 и форсункой 2 (Фиг. 1). В состав жаровой трубы 1 входит стенка фронта 3, состоящая, в том числе, из кольца 4 стенки фронта 3 с закрепленным воздушным завихрителем 5 (Фиг. 2), выполненным с возможностью перемещения на величину зазора δ. Воздушный завихритель 5 (Фиг. 2) снабжен кольцеобразным коническим элементом 6.
Кольцеобразный конический элемент 6 воздушного завихрителя 5 выполнен в виде входной конической части 7, переходящей в цилиндрическую часть 8 (Фиг. 3), сопрягающуюся внутренним диаметром с головкой форсунки 2 по посадочному диаметру D.
Коническая часть 7 выполнена в виде тонкостенного выступа 9 (Фиг. 4) с конусной поверхностью 10, сопряженной с вышеупомянутой цилиндрической частью 8, с возможностью свободного монтажа головки форсунки 2 (Фиг. 3, 4).
Ширина L конусной поверхности 10 равна посадочному диаметру D головки форсунки 2 L=D (Фиг. 4).
Если ширина L конусной поверхности 10 будет меньше посадочного диаметра D головки форсунки 2 L<D, следовательно, уменьшится площадь взаимодействия поверхностей кольцеобразного конического элемента 6 и торца головки форсунки 2, что значительно затруднит процесс сборки камеры сгорания в целом.
Если ширина L конусной поверхности 10 будет больше посадочного диаметра D головки форсунки 2 L>D, то увеличивается площадь затенения сечения на входе в воздушный завихритель 5, что негативно скажется на работоспособность топливовоздушной горелки.
Наружный радиус R конусной поверхности 10 (Фиг. 4) должен быть равен:
,
где D - посадочный диаметр головки форсунки 2;
δ - величина перемещения воздушного завихрителя 5 относительно рабочего положения оси 11 головки форсунки 2 δ=1,5…5 мм.
Если наружный радиус R конусной поверхности 10 (Фиг. 4) будет , то тогда уменьшаются габаритные размеры конической части 7, то есть тонкостенного выступа 9 кольцеобразного конического элемента 6. При монтаже торец головки форсунки 2 упирается во втулку цилиндрическуой части 8 кольцеобразного конического элемента 6 завихрителя 5, тем самым делая невозможным монтаж форсунки 2, так как завихритель 5 в это время смещен вниз на величину δ.
Угол наклона конической части 7 кольцеобразного конического элемента 6 относительно оси 12 завихрителя 5 равен α=30°…60° (Фиг. 2).
Если угол наклона α конической части 7 кольцеобразного конического элемента 6 относительно оси 12 завихрителя 5 будет меньше 30°, то для обеспечения условия значения величины наружного радиуса  понадобится увеличить длину конической части 7, что может быть неприемлемо, так как также увеличивается длина головки форсунки 2 (от ее торца до корпуса), и тем самым увеличиваются массогабаритные размеры самой форсунки 2.
Если угол наклона α конической части 7 кольцеобразного конического элемента 6 относительно оси 12 завихрителя 5 будет больше 60°, то увеличивается коническая часть 7 элемента 6 из-за «крутого» тонкостенного выступа 9, и, следовательно, теряется функциональное назначение самого кольцеобразного элемента 6, а так же усложняется монтаж форсунки 2.
Внутренняя поверхность (Фиг. 3) конической части 7 кольцеобразного конического элемента 6 выполнена по радиусу r равному 0,5-0,75 от посадочного диаметра D головки форсунки 2 r=(0,5÷0,75)D.
Если радиус внутренней поверхности конической части 7, будет , то монтаж форсунки 2 затруднен, и за-того что головка форсунки 2 будет сопрягаться не по все конусной поверхности тонкостенного выступа, а по его крайним линиям, тем самым не обеспечивая требуемого контакта сопрягающихся поверхностей, тем самым затрудняя монтаж форсунки 2, и сборку камеры сгорания в целом.
Если радиус внутренней поверхности конической части 7, будет , то, монтаж форсунки 2 затруднен, из-за того что головка форсунки 2 будет сопрягаться не по все конусной поверхности 7 тонкостенного выступа 9, а по его одной линии, тем самым не обеспечивая требуемого контакта сопрягающихся поверхностей, тем самым затрудняя монтаж форсунки 2, и сборку камеры сгорания в целом.
Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
Воздушный завихритель 5 имеет возможность свободного перемещения в своем гнезде, под собственным весом он смещен в крайнее нижнее положение на величину δ=(1,5…5) мм (в зависимости от размеров жаровой трубы) ниже оси 11 головки форсунки 2. Головка форсунки 2 до постановки в окончательное положение должна занять место перед воздушным завихрителем 5 и смещаться вдоль фланца диффузора. При продвижении головки форсунки 2 внутрь кольцевого конического элемента 6 завихритель 5 становится в рабочее положение соосно с посадочной поверхностью головки форсунки 2.
Из диффузора поток воздуха натекает в завихритель 5, встречая сопротивление только в виде корпуса форсунки 2. За счет того, что кольцеобразный конический элемент 6 завихрителя 5 имеет коническую часть в виде тонкостенного выступа 9 с конусной поверхностью 10 и расположен в следе за корпусом форсунки 2 и (в условиях соразмерности толщин корпуса форсунки и ее головки) не выходит за его габариты, на втекание в завихритель 5 воздуха наличие данного сектора практически не влияет. Таким образом, это благоприятно сказывается на повышение работоспособности горелки.
Благодаря тому, что кольцеобразный конический элемент воздушного завихрителя камеры сгорания c форсункой, установленного в жаровой трубе, и исполненного с возможностью перемещения на величину δ, выполненный в виде входной конической части, переходящей в цилиндрическую часть, сопрягающуюся внутренним диаметром с головкой форсунки по посадочному диаметру D, в отличие от известного коническая часть выполнена в виде тонкостенного выступа с конусной поверхностью, сопряженной с вышеупомянутой цилиндрической частью, с возможностью свободного монтажа головки форсунки, ширина L конусной поверхности равна посадочному диаметру D головки форсунки L=D, а наружный радиус R конусной поверхности должен быть: ,
где D - посадочный диаметр головки форсунки;
δ - величина перемещения воздушного завихрителя относительно рабочего положения оси головки форсунки δ=1,5…5 мм, угол наклона конической части кольцеобразного элемента относительно оси завихрителя равен α=30°…60°, внутренняя поверхность конической части выполнена по радиусу равному 0,5-0,75 от посадочного диаметра D головки форсунки , достигается уменьшение массогабаритных размеров кольцеобразного конического элемента и упрощение монтажа форсунки, и, следовательно, сборки самой камеры сгорания, а так же устранение затенения входа в воздушный завихритель воздушного потока и, следовательно, повышение работоспособности непосредственно топливовоздушной горелки.