Коническая рубашка охлаждения

Полезная модель относится к авиационной технике, а именно к двигателестроению, и может применяться в конструкциях проточных трактов энергетических установок.
Актуальной проблемой при проектировании теплонагруженных участков проточных трактов энергетических установок, таких как камеры сгорания, газоводы, патрубки, является защита их внутренних стенок от воздействия высоких давлений и температур.
Известна рубашка охлаждения камеры сгорания (KR 20130134770, 2012), состоящая из внутренней герметичной оболочки, воспринимающей тепловую нагрузку, которая с внешней стороны содержит по спирали навитое ребро, образующее винтовой канал для охлаждающей жидкости. Сверху каналов устанавливается наружная оболочка, плотно прилегающая к спиральному ребру, образуя герметичный винтовой канал охлаждения. Однако такая конструкция рубашки охлаждения не достаточно эффективно позволяет охладить теплонагруженный участок из-за наличия одного винтового канала для охлаждающей жидкости.
Известна система охлаждения камеры сгорания (US 7373774, 2008), состоящая из множества труб или каналов, окружающих камеру сгорания и тороидального выпускного коллектора, причем каналы на входе в коллектор имеют дугообразно изогнутые ребра, которые направляют поток охлаждающей жидкости к выпускному отверстию. Однако наличие одного выпускного отверстия не достаточно эффективно производит отвод воды, что в свою очередь негативно сказывается на эффективности охлаждения.
Известно устройство для охлаждения выхлопной трубы испытательного стенда двигателя (CN 106092590, 2016), состоящее из входного и выходного фланцев, внутренней и внешней обечайки, между которыми проложены прутки для образования каналов охлаждения. Помимо охлаждения стенки выхлопной трубы в данной конструкции используется охлаждение горячего потока путем впрыска воды в проточный тракт. Для подачи воды в охлаждаемую полость и к распылителям имеются кольцевые коллекторы, состоящие из одной полости. Такая конструкция коллекторов не позволяет достаточно равномерно распределять охлаждающую среду, что в свою очередь негативно сказывается на дальнейшем процессе охлаждения.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является трубчатая камера сгорания ракетного двигателя с регенеративным охлаждением (US 7051513, 2006). Охлаждающий тракт содержит входной и выходной коллектор, набор трубок, слой покрытия, расположенный на наружных частях трубок, а также корпус. Корпус установлен поверх трубчатой оболочки со слоем покрытия. Трубки имеют постоянно расширяющееся поперечное сечение, что позволяет образовывать коническую внутреннюю поверхность. Каждая трубка припаяна первой концевой частью к входному, а второй концевой частью к выходному коллекторам. Трубки спаяны между собой, обеспечивая герметичную оболочку. Однако такая конструкция охлаждающего тракта достаточно сложна и требует специализированного оборудования и точной детальной подгонки при изготовлении.
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в создании конической рубашки охлаждения, обеспечивающей защиту внутренних стенок теплонагруженных участков проточных трактов от деформации, коррозии и разрушения при воздействии высоких давлений и температур.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в реализации ее назначения, т.е. в создании конической рубашки охлаждения, которая обеспечивает эффективное и равномерное охлаждение внутренних стенок теплонагруженных участков проточных трактов.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что коническая рубашка охлаждения включает охлаждающий тракт, сформированный входным и выходным коллекторами и набором трубок, профилированных по контуру рубашки охлаждения, также рубашка снабжена передним и задним фланцами с установленными в каждом из них штуцерами, предназначенными соответственно для подвода и отвода охлаждающей среды, входной и выходной коллекторы размещены соответственно в переднем и заднем фланце, внутренняя поверхность фланцев и наружная поверхность трубок образуют кольцевые полости, в переднем и заднем фланце выполнены радиальные сквозные отверстия, сообщенные соответственно с входным и выходным коллекторами и кольцевыми полостями, а трубки выполнены с переменным по длине сечением, при этом на входном и выходном участках сечение представляет собой плоские овалы, оси которых повернуты относительно друг друга на 90°, а в центральной части сечение трубок представляет собой окружность, причем площадь поперечных сечений по длине трубок постоянная.
Существенность отличительных признаков полезной модели подтверждается тем, что только совокупность всех существенных конструктивных признаков, описывающая полезную модель, позволяет создать коническую рубашку охлаждения, обеспечивающую защиту внутренних стенок теплонагруженных участков проточных трактов от деформации, коррозии и разрушения при воздействии высоких давлений и температур за счет эффективного и равномерного охлаждения.
Настоящая полезная модель поясняется последующим подробным описанием конструкции конической рубашки охлаждения и ее работы со ссылкой на иллюстрации, представленные на фиг. 1-6, где
на фиг. 1 изображена коническая рубашка охлаждения;
на фиг. 2 изображен вид сбоку конической рубашки охлаждения;
на фиг. 3 изображен разрез А-А на фиг. 2 конической рубашки охлаждения по плоскости симметрии;
на фиг. 4 изображен разрез Б-Б на фиг. 3 переднего фланца;
на фиг. 5 изображен разрез В-В на фиг. 3 заднего фланца;
на фиг. 6 изображена трубка с переменным по длине сечением.
На фиг. 2-5 приняты следующие обозначения:
1 - входной коллектор;
2 - выходной коллектор;
3 - передний фланец;
4 - задний фланец;
5 - штуцер;
6 - кольцевые полости;
7 - сквозные отверстия;
8 - трубка;
9 - корпус.
Коническая рубашка охлаждения содержит силовой корпус 9, охлаждающий тракт, сформированный входным коллектором 1 и выходным коллектором 2 и набором трубок 8, профилированных по контуру рубашки охлаждения (см. фиг. 3). Рубашка охлаждения снабжена передним фланцем 3 и задним фланцем 4 с установленными в каждом из них штуцерами 5, предназначенными соответственно для подвода и отвода охлаждающей среды (см. фиг. 2), входной коллектор 1 и выходной коллектор 2 размещены соответственно в переднем фланце 3 и заднем фланце 4, внутренняя поверхность фланцев 3, 4 и наружная поверхность трубок 8 образуют кольцевые полости 6, в переднем фланце 3 и заднем фланце 4 выполнены радиальные сквозные отверстия 7, сообщенные соответственно с входным коллектором 1 и выходным коллектором 2 и кольцевыми полостями 6 (см. фиг. 4, 5), а трубки 8 выполнены с переменным по длине сечением, при этом на входном и выходном участках сечение представляет собой плоские овалы, оси которых повернуты относительно друг друга на 90°, а в центральной части сечение трубок 8 представляет собой окружность, причем площадь поперечных сечений по длине трубок 8 постоянная (см. фиг. 6). При совместной стыковке трубок 8 и расположению их по окружности формируется рубашка охлаждения с профилем конической формы. Так как площади поперечных сечений по длине каждой трубки 8 постоянны, то рубашка охлаждения, образованная из этих трубок 8, обеспечивает эффективное и равномерное охлаждение всей теплонагруженной поверхности проточного тракта.
Заявляемая коническая рубашка охлаждения работает следующим образом. От насоса по трубам, подключенным к штуцерам 5, расположенным на переднем фланце 3, подается поток охлаждающей среды. Из штуцеров 5 поток охлаждающей жидкости попадает во входной коллектор 1, где равномерно распределяется по радиальным сквозным отверстиям 7, затем он попадает в кольцевую полость 6 переднего фланца 3, откуда распределяется по трубкам 8. В момент прохождения потока охлаждающей жидкости по трубкам 8, происходит теплосъем с теплонагруженных стенок трубок. После прохождения потока охлаждающей жидкости по трубкам 8, он, нагретый попадает в кольцевую полость 6, которая расположена в заднем фланце 4, затем он распределяется по радиальным сквозным отверстиям 7 заднего фланца 4. Из радиальных сквозных отверстий 7 поток охлаждающей жидкости попадает в выходной коллектор 2, а после прохождения через коллектор 2 попадает в штуцеры 5 и уходит по трубам, подключенным к штуцерам 5 в систему охлаждения.
Снабжение рубашки охлаждения передним фланцем 3 с установленными на нем штуцерами 5 позволяет равномерно подавать охлаждающую среду (например, воду) в рубашку охлаждения, а снабжение рубашки охлаждения задним фланцем 4 с установленными на нем штуцерами позволяет равномерно отводить воду из рубашки охлаждения. Размещение входного коллектора 1 в переднем фланце 3 позволяет быстро и равномерно распределять напор воды из штуцеров 5 по радиальным сквозным отверстиям 7, а размещение выходного коллектора 2 в заднем фланце 4 позволяет быстро и равномерно распределять воду по штуцерам 5 для ее отвода. Кольцевые полости 6 образованные внутренней поверхностью фланцев 3, 4 и наружной поверхностью трубок организуют равномерное распределение воды, поступающей из сквозных отверстий 7 по трубкам 8. Радиальные сквозные отверстия 7, выполненные в переднем и заднем фланце 3, 4, сообщенные соответственно с входным и выходным коллекторами 1, 2 и кольцевыми полостями 6, необходимы для распределения воды между ними. Изготовление трубок 8 с переменным по длине сечением позволяет выполнить рубашку охлаждения конической формы, которая является компактной и при этом эффективно охлаждает теплонагруженную поверхность проточных трактов.
Таким образом, реализация предложенной полезной модели обеспечивает защиту внутренних стенок теплонагруженных участков проточных трактов от деформации, коррозии и разрушения при воздействии высоких давлений и температур за счет эффективного и равномерного охлаждения.