КАМЕРА СГОРАНИЯ ТУРБОМАШИНЫ
COMBUSTION CHAMBER OF TURBOMACHINE

Настоящее изобретение касается кольцевой камеры сгорания турбомашины, такой как турбореактивный двигатель или турбовинтовой авиационный двигатель.
Из уровня техники известны средства охлаждения стенки камеры сгорания турбомашины.
В частности, в US 4723413 А раскрыта камера сгорания с обратным потоком, а именно кольцевая камера сгорания обратным потоком для турбинной двигательной установки с жаровой трубой, размещенной внутри конструкции внешнего кожуха и с компоновкой пленки охлаждающей жидкости, которая включает в себя кольцевую камеру, размещенную между секциями стенки жаровой трубы, в которую охлаждающий воздух подается из вторичного воздушного канала, расположенного между жаровой трубой и конструкцией стенки внешнего кожуха, тем самым охлаждающий воздух выходит по касательной от стенки жаровой трубы по кольцевому зазору, образованному между смежными концами стенки жаровой трубы.
В GB 2212607 А раскрыта камера сгорания газотурбинного двигателя, имеющая одно или более устройств охлаждения стенки, каждое из которых содержит поперечно проходящую кромку стенки корпуса камеры сгорания, определяющую закрытое и заключающее в себя газ пространство на стороне каркаса корпуса, и впускное отверстие для охлаждающего воздуха на подветренной стороне кромки, проходящей так, чтобы вызывать формирование плотно прилегающей пленки охлаждающего воздуха посредством отклонения корпусом. При этом воздушный поток от впускных отверстий имеет составляющую восходящего потока, которая проходит в упомянутое пространство и перенаправляется в направлении вниз по потоку.
В то же время согласно настоящему изобретению камера сгорания содержит круговые коаксиальные стенки, которые расположены одна внутри другой и которые соединены своими передними концами кольцевой стенкой в основании камеры, содержащей отверстия для установки топливных инжекторов.
Во время работы часть расхода воздуха, подаваемого компрессором питания камеры, проходит через отверстия стенки основания камеры и смешивается с топливом, подводимым инжекторами, и далее эта смесь воздух/топливо сгорает внутри камеры. Другая часть этого расхода воздуха огибает камеру сгорания, а затем проникает в камеру через многочисленные перфорационные отверстия, образованные во внутренней и внешней стенках камеры для охлаждения этих стенок. Расход охлаждающего воздуха камеры представляет в этом случае примерно от 25 до 30% расхода воздуха, питающего камеру.
Циркуляция воздуха через многочисленные перфорационные отверстия камеры обеспечивает равномерное охлаждение камеры и позволяет иметь относительно небольшой градиент температур в радиальном направлении в тракте сгорания. Однако такая технология полностью не является удовлетворительной, поскольку температура на внутренней и на внешней перифериях тракта остается относительно большой, что может вызвать появление надрывов и трещин на стенках камеры.
Впрочем, стенки камеры соединены своими задними концами с кольцевыми фланцами крепления на внутреннем и внешнем корпусах камеры. Эти фланцы во время работы представляют большие градиенты температур в радиальном направлении.
Кроме того, на выходе камеры сгорания смонтирован входной сопловый аппарат турбины, включающий в себя коаксиальные обечайки, между которыми расположены по существу радиальные лопатки. Обечайки соплового аппарата находятся на осевом продолжении стенок камеры и участвуют в уплотнении с их фланцами крепления. Обечайки соплового аппарата турбины также подвержены влиянию высоких температур, которые царят на внутренней и внешней перифериях тракта сгорания. Таким образом, в общем, необходимо предусмотреть многочисленные перфорационные отверстия для прохождения охлаждающего воздуха на эти обечайки.
Решение в комплексе этих проблем могло бы состоять в увеличении доли расхода воздуха (например, до 35-45%), отводимого для охлаждения камеры. Однако такое решение также не является удовлетворительным, поскольку оно вызывает в тракте очень большой градиент температур в радиальном направлении и экстремальные температуры в центре жаровой трубы.
Цель изобретения, в частности, предложить простое, эффективное и экономичное решение этих проблем.
Для этого предлагается кольцевая камера сгорания турбомашины, содержащая две круговые коаксиальные стенки, расположенные одна внутри другой и ограничивающие между собой камеру, причем каждая из этих стенок содержит, по крайней мере, одну кольцевую канавку, расположенную вокруг продольной оси камеры и выходящую внутрь камеры, причем эта канавка питается охлаждающим воздухом через отверстия, образованные в стенке и выходящие одним своим концом в канавку, а другим во внешнюю часть камеры, отличающаяся тем, что канавка имеет в сечении U или V-образную форму, по существу, которая расширяется в сторону выхода и содержит две кольцевые боковые поверхности, наклоненные по отношению к зоне стенки, на уровне которой расположена канавка.
В общем виде изобретение позволяет формировать тонкий турбулентный слой охлаждающего воздуха, предназначенный для протекания вдоль внутренней и внешней стенок камеры и, возможно, обечаек соплового аппарата турбины, расположенного ниже по потоку.
Наклон боковых поверхностей канавки по отношению к стенке камеры позволяет охлаждающему воздуху глубже проникать в камеру и, таким образом, охлаждать кольцевой слой относительно большой толщины тракта сгорания. Глубина проникновения охлаждающего воздуха и расход воздушного питания канавки должны быть достаточными для охлаждения внутренней и внешней периферий тракта, не создавая при этом каких-либо затруднений горения газов в камере. Изобретение особенно адаптировано, но не эксклюзивно, к камере, содержащей многочисленные перфорационные отверстия, позволяющие охлаждать внутреннюю и внешнюю периферии тракта, не увеличивая при этом расход охлаждающего воздуха камеры.
Канавка в соответствии с изобретением в сечении имеет U или V-образную форму, которая расширяется в сторону выхода для уменьшения скорости течения воздуха в канавке и камере. Сочетание наклона канавки и формы этой канавки, увеличивающейся по краям или расширяющейся в сторону выхода, позволяет наилучшим образом управлять глубиной проникновения охлаждающего воздуха в тракте сгорания.
В качестве примера, угол, образованный между каждой боковой поверхностью канавки и зоной стенки, в которой расположена канавка, заключен примерно между 5 и 35°. Боковые поверхности канавки расходятся, например, одна от другой в сторону выхода на угол, примерно заключенный между 2 и 10°. Задний конец канавки может быть, например, шире основания канавки примерно на 1-2 мм.
В соответствии с другим отличительным признаком изобретения канавка образована на заднем конце каждой стенки камеры вблизи от кольцевого фланца крепления этой стенки к корпусу камеры.
Образованный таким образом тонкий слой воздуха по соседству с задним концом каждой стенки камеры дает многочисленные дополнительные преимущества, которые были уже описаны выше:
- Он позволяет охлаждать задний по потоку конец стенки камеры.
- Он участвует также в охлаждении обечайки соплового аппарата турбины, расположенного непосредственно на выходе. Таким образом, можно уменьшить число многочисленных перфорационных отверстий на этих обечайках, сложных и дорогостоящих в реализации.
- Часть воздуха, выходящего из канавки, проникает также в кольцевой зазор, образованный между фланцем крепления и обечайкой соплового аппарата турбины, что выражается в улучшении вентиляции фланца и, следовательно, явно выраженным уменьшением градиента температуры в радиальном направлении этого фланца.
Преимущественно канавка питается воздухом через кольцевой ряд первых отверстий, которые располагаются по существу параллельно зоне стенки, где расположена канавка. Эти первые отверстия параллельны стенке камеры и, таким образом, наклонены по отношению к боковым поверхностям канавки. Эти отверстия, например, выходят в основание канавки, и воздух, который выходит из этих отверстий, попадает на боковую поверхность канавки для улучшения охлаждения стенки камеры за счет тепловой проводимости.
Первые отверстия могут также быть слегка наклонены по отношению к вышеуказанной зоне стенки, например, порядка от 1 до 15º.
Канавка может также питаться воздухом с помощью кольцевого ряда вторых отверстий, которые по существу перпендикулярны зоне стенки, где расположена канавка. Эти вторые отверстия также наклонены по отношению к боковым поверхностям канавки, и воздух, выходящий из этих отверстий, попадает на одну из этих боковых поверхностей для охлаждения камеры за счет проводимости. Попадание охлаждающего воздуха на боковые поверхности канавки позволяет также уменьшить скорость проникновения воздуха в камеру.
Эти вторые отверстия могут также быть слегка наклонены по отношению к нормали вышесказанной зоны стенки, например, порядка от 1 до 20º.
Предпочтительно первые отверстия располагаются в шахматном порядке со вторыми отверстиями таким образом, чтобы обеспечить равномерное охлаждение заднего конца каждой стенки и образовать тонкий слой воздуха постоянной толщины вокруг продольной оси камеры.
Камера включает, например, от 100 до 500 отверстий, питающих воздухом канавку. Эти отверстия имеют диаметр, заключенный между 0,5 и 2 мм, и позволяют калибровать расход воздушного питания канавки. Этот расход воздуха составляет порядка от 1 до 2% расхода воздушного питания камеры.
Изобретение касается также турбомашины, такой как авиационный турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, отличающейся тем, что она включает в себя камеру сгорания, такую как описана выше.
В случае когда сопловый аппарат установлен непосредственно на выходе камеры сгорания, задняя концевая часть внешней стенки камеры, где расположена канавка, имеет диаметр, который увеличивается в сторону выхода и который чуть меньше внутреннего диаметра внешней обечайки соплового аппарата, расположенной на выходе. Во время работы эти детали расширяются в радиальном направлении, и разница диаметра между внешней стенкой камеры и внешней обечайкой соплового аппарата стремится к нулю, так чтобы эти детали были идеально выровнены в осевом направлении.
Изобретение будет лучше понято, и другие признаки, детали и преимущества настоящего изобретения станут более понятными при чтении нижеследующего описания, приводимого в качестве не ограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлено:
- на фиг.1 представлен схематический вид в осевом сечении половины камеры сгорания турбомашины в соответствии с предшествующим уровнем техники;
- на фиг.2 изображен график, представляющий различные профили температуры в тракте камеры сгорания;
- на фиг.3 представлен схематический вид в осевом разрезе половины камеры сгорания турбомашины в соответствии с изобретением;
4
- на фиг.4 представлено увеличенное изображение детали I, фиг.3; и
5
- на фиг.5 представлен увеличенный вид детали I, фиг.3.
Сначала рассматривается фиг.1, на которой представлена кольцевая камера сгорания турбомашины, такой как авиационный турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, которая расположена за компрессором и диффузором (не представлены), и перед входным сопловым аппаратом 12 турбины высокого давления.
Камера сгорания содержит внутреннюю 14 и внешнюю 16 круговые стенки, которые располагаются одна внутри другой и которые соединены в передней части с кольцевой стенкой 18 основания камеры. Внешняя стенка 16 камеры соединена своим задним концом с внешним кольцевым фланцем 20, который крепится своей внешней периферией на внешнем корпусе 22 камеры, а ее внутренняя стенка 14 соединена ее задним концом с кольцевым внутренним фланцем 24, который крепится своей внутренней периферией на внутреннем корпусе 26 камеры.
Кольцевая стенка 18 основания камеры содержит отверстия 28, через которые проходит воздух, поступающий от компрессора, и топливо, подаваемое инжекторами (не представлены), закрепленными на внешнем корпусе 22. Каждый инжектор включает в себя головку 30 впрыска топлива, установленную в отверстии 28 кольцевой стенки 18 и выровненную по оси 32 этого отверстия 28.
Сопловый аппарат турбины 12 закреплен за камерой с помощью соответствующих средств и содержит внутреннюю 60 и внешнюю 62 обечайки, которые расположены одна в другой и которые соединены между собой радиальными лопатками 64. Внешняя обечайка 62 соплового аппарата турбины выровнена по оси с задней по потоку концевой частью внешней стенки 16 камеры, а внутренняя обечайка 60 выровнена по оси с задней по потоку концевой частью внутренней стенки 14 камеры.
Обечайки 60, 62 соплового аппарата турбины с помощью фланцев 20, 24 крепления камеры ограничивают два кольцеобразных зазора 66, соответственно внутреннего и внешнего, которые выходят на одном из своих концов внутрь камеры и которые закрыты на другом из своих концов средствами уплотнения, установленными между обечайками 60, 62 и фланцами 20, 24.
Часть расхода воздуха, обеспечиваемого компрессором, расположенным на входе, проходит через отверстия 28 и питает камеру сгорания 10 (стрелки 34), другая часть расхода воздуха питает кольцевые внутренний 36 и внешний 38 зазоры огибания камеры (стрелка 40).
Внутренний зазор 36 образован между внутренним корпусом 26 и внутренней стенкой 14 камеры, и воздух, который проходит в этот зазор, разделяется на количество воздуха 42, проникающего в камеру 10 через отверстия 44, через многочисленные перфорационные отверстия (не представлены) внутренней стенки 14, и количество воздуха 46, который проходит через отверстия 48 внутреннего фланца 24 камеры для охлаждения компонентов, не представленных, расположенных на выходе этой камеры.
Внешний зазор 38 образован между внешним корпусом 22 и внешней стенкой 16 камеры, и воздух, который проходит в этот зазор, разделяется на количество воздуха 50, проникающего в камеру 10 через отверстия 44, через не представленные многочисленные перфорационные отверстия внешней стенки 16, и количество воздуха 52, который проходит через отверстия 54 внешнего фланца 20 для охлаждения компонентов на выходе. Воздух, который проходит через отверстия 48 и 54 фланцев 20, 24, питает, например, не представленные, многочисленные перфорационные отверстия, образованные в обечайках 60, 62 соплового аппарата турбины 12 для обеспечения их охлаждения.
Расход воздуха 44, 50, охлаждающего камеры, то есть количество воздуха, проходящее через отверстия 44 и многочисленные перфорационные отверстия стенок 14, 16 камеры, составляет примерно от 25 до 30% расхода воздуха, питающего камеру. Отверстия 44 и многочисленные перфорационные отверстия стенок 14, 16 камеры равномерно распределены вокруг оси камеры.
Во время работы профиль температуры P1 в радиальном направлении в тракте сгорания соответствует графику, представленному на фиг.2. Профиль P1 имеет общую закругленную форму, выпуклость которой ориентирована к выходу. Этот профиль P1 указывает на то, что температура внутри тракта относительно мало изменяется в радиальном направлении между внутренней периферией тракта, расположенного на уровне внутренней стенки 14, и внешней периферии тракта, расположенного на уровне внешней стенки 16. Такой профиль характеризуется относительно плоским фронтом (средняя часть кривой), причем этот фронт связан с каждым из своих окончаний относительно коротким шлейфом, заканчивающимся в T1 при относительно высокой температуре. Поэтому температура газов сгорания вблизи стенок 14, 16 камеры близка к температуре в самом центре жаровой трубы и, следовательно, очень высокая, что трансформируется в многочисленные отрицательные стороны, описанные выше.
Решение этой проблемы состоит в том, чтобы увеличить на 10-15% расход воздуха, охлаждающего камеру. В этом случае температура в тракте сгорания имеет профиль P2, который характеризуется очень острым фронтом и относительно длинными шлейфами, заканчивающимися в Т2 при температурах, приемлемых для стенок 14, 16 камеры. Однако температура в центре жаровой трубы (пик фронта) слишком высокая.
Изобретение позволяет внести эффективное решение этой проблемы путем впрыскивания воздуха охлаждения в камеру для образования тонких слоев протекания воздуха на уровне внутренней периферии и внешней периферии камеры. Когда изобретение комбинируется с многочисленными перфорационными отверстиями стенок 14, 16 камеры, температура, преобладающая внутри тракта, имеет профиль Р3, который по существу представляет фронт профиля Р1, и шлейфы профиля Р2, и заканчивается, таким образом, температурами Т3, относительно небольшими на внутренней и внешней перифериях тракта.
Воздух нагнетается в камеру со скоростью, на глубину и с углом наклона, которые определяются из расчета хорошего управления толщиной в радиальном направлении тонкого слоя воздуха и, следовательно, эволюцией температуры газов сгорания на перифериях тракта. В примере, представленном на фиг.2, каждый тонкий слой имеет высоту h, или радиальный размер, представляющий примерно 10-15% от общей высоты Н тракта сгорания.
Тонкие слои воздуха, например, образованы на задних концах стенок 14, 16 камеры аналогично случаю, представленному в варианте реализации на фиг.3-5.
В этом примере реализации каждая стенка 14, 16 содержит по соседству со своим задним фланцем крепления 20, 24 кольцевую канавку 70, 80 образования тонкого слоя воздуха, причем эта канавка выходит своим задним концом в камеру и соединяется своим передним концом через отверстия стенки с внутренним 36 и внешним 38 зазорами соответственно.
Воздух, который проходит во внутреннем зазоре 36, разделяется, таким образом, на количество воздуха 42, проникающего в камеру 10 через отверстия 44 и многочисленные перфорационные отверстия внутренней стенки 14, на количество воздуха 71, питающего канавку 70 этой стенки, и на количество воздуха 46, которое проходит через отверстия 48 внутреннего фланца 24. Воздух, который проходит во внешнем зазоре 38, разделяется на количество воздуха 50, проникающего в камеру 10 через отверстия 44 и многочисленные перфорационные отверстия внешней стенки 16, на количество воздуха 71, которое питает канавку 80 стенки 16, и количество воздуха 52, который проходит через отверстия 54 фланца 20.
Канавка 70 внешней стенки 16, которая лучше видна на фиг.4, имеет общую форму усеченного конуса, который расположен от входа к выходу в направлении внутренней части, причем эта канавка наклонена по отношению к задней концевой части стенки 16.
Канавка 70 имеет в сечении U или V-образную форму, которая в виде раструба расширяется в сторону выхода. Канавка 70 ограничена двумя кольцевыми поверхностями, передней по потоку 76 и задней по потоку 78, которые расходятся одна от другой в сторону выхода и которые соединяются одна с другой своими передними по потоку концами через основание канавки, имеющее закругленную вогнутую форму. Ширина канавки изменяется, таким образом, от входа к выходу и является максимальной на своем заднем конце. Ширина L1 канавки на ее заднем конце может превышать примерно 1-2 мм от ее ширины L2, находящейся по соседству с основанием канавки.
Канавка 70 питается воздухом охлаждения через два кольцевых ряда отверстий, содержащих первые отверстия 72, располагающиеся по существу параллельно задней части стенки 16, и вторые отверстия 74, по существу перпендикулярные этой концевой части. Первые и вторые отверстия 72, 74 одним из своих концов выходят во внешний зазор 38, а другим из своих концов выходят на уровень основания канавки. Первые отверстия 72 преимущественно расположены в шахматном порядке со вторыми отверстиями 74. Канавка 70, например, питается через 100-500 отверстий 72, 74, которые имеют диаметр, заключенный примерно между 0,5 и 2 мм. Отверстия 72, 74 калибруют расход воздуха питания канавки 70, который представляет примерно от 1 до 2% расхода воздушного питания камеры.
Воздух, который проходит через первые отверстия 72, попадает на боковую заднюю поверхность 78 канавки, и воздух, который выходит из вторых отверстий 74, попадает на переднюю по потоку боковую поверхность 76 канавки, что позволяет охлаждать за счет тепловой проводимости заднюю концевую часть внешней стенки 16, а также фланца крепления 20.
В варианте, первые отверстия 72 имеют небольшой угол наклона, например, заключенный между 1 и 15º по отношению к задней концевой части стенки. Вторые отверстия 74 могут также иметь небольшой угол наклона, заключенный между 1 и 20º по отношению к нормали к задней концевой части стенки 16.
В представленном примере кольцевая канавка 70 образована в кольцевом припуске 79, предусмотренном на заднем конце внешней стенки 16, причем этот припуск соединен на своем заднем конце с внутренней периферией фланца 20. Предпочтительно этот припуск 79 представляет в задней части канавки 70 внутренний диаметр D1', который слегка превышает внутренний диаметр D1 этого припуска в передней части канавки и который немного меньше внутреннего диаметра D2 обечайки 62 соплового аппарата, расположенного ниже по потоку. Разница между D1 и D2 составляет величину порядка от 1 до 3 мм, которая исчезает в рабочем состоянии благодаря дифференциальному термическому расширению внешней стенки 16 и обечайки 62.
Как это было описано ранее, тонкий слой воздуха, образованный на заднем конце внешней стенки 16, позволяет охлаждать эту стенку, уменьшать температуру в тракте сгорания на высоте или заданном радиальном размере, охлаждать внешний фланец 20 циркуляцией воздуха в кольцевом зазоре 66, расположенном между фланцем 20 и обечайкой 62 соплового аппарата, а также охлаждать эту обечайку 62, которая может в этом случае иметь уменьшенное и даже нулевое число многочисленных перфорационных отверстий.
Канавка 80 внутренней стенки 14, лучше видимая на фиг.5, имеет общую форму усеченного конуса, который располагается от входа к выходу в направлении внешней части, причем эта канавка наклонена по отношению к задней концевой части стенки 14 и также расширяется в сторону выхода. Она образована в кольцевом припуске 89.
Канавка 80 внутренней стенки подобна канавке 70 внешней стенки. Приводимое выше описание канавки 70 применяется, таким образом, также к канавке 80. Кольцевые поверхности, передние 86 и задние 88 канавки, расходятся одна от другой в сторону выхода. Канавка 80 питается воздухом через два кольцевых ряда первых и вторых отверстий 82, 84, которые одним из своих концов выходят во внутренний зазор 36, а другим выходят на уровень основания канавки 80.
Тонкий слой воздуха, образованный на заднем конце внутренней стенки 14, позволяет также охладить внутреннюю стенку, фланец крепления 24 и обечайку 60 соплового аппарата.
В частном примере, представленном на фиг.3-5, каждая стенка камеры включает в себя одну кольцевую канавку 70, 80, образующую тонкий слой воздуха. В варианте каждая стенка камеры может содержать две или несколько таких канавок.