Жаровая труба с компенсационными щелями

Полезная модель относится к области газотурбинных двигателей, в частности к конструкции жаровых труб камер сгорания газотурбинных двигателей. Полезная модель может найти применение в авиационной, судовой, автомобильной промышленности и в энергетике, а также в других отраслях промышленности, где используют газотурбинные двигатели и установки.
Современные жаровые трубы имеют пленочное охлаждение. Для формирования пленки используются козырьки. На некоторых режимах работы козырьки сильно нагреваются. Перепад температур в жаровой трубе достигает существенных значений, причем температура выше на конце козырьков, что ведет к возникновению теплового напряжения и приводит к образованию трещин в жаровой трубе. Эти трещины образуются из-за неравномерного нагрева и остывания жаровой трубы, при быстром изменении режима работы двигателя.
Из уровня техники известна жаровая труба с теплозащитным покрытием патент RU 2260156, выбранная в качестве прототипа. В патенте рассматривается жаровая труба, где для достижения равномерной температуры на внутренней поверхности трубы используется теплозащитное покрытие различной толщины, в зависимости от распределения температуры на стенках жаровой трубы. При этом максимальная толщина покрытия наносится на конец козырька.
К недостаткам прототипа следует отнести технологические трудности нанесения теплозащитного покрытия различной толщины. Кроме этого, температурное состояние внутренней поверхности жаровой трубы сильно зависит от режима работы двигателя. Неравномерная толщина покрытия и перепады температуры могут привести к образованию трещин в теплозащитном покрытии и поверхности жаровой трубы. Таким образом, предлагаемое решение труднореализуемо и плохо работает при быстро меняющимся режиме работы двигателя с максимального на пониженный и наоборот.
Технической проблемой, на решение которой направлена, полезная модель является возникновение теплового напряжения, вызванного неравномерным нагревом и остыванием секций жаровой трубы, что приводит к образованию трещин в жаровой трубе.
Техническим результатом полезной модели, является увеличение ресурса использования жаровой трубы.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что в жаровой трубе камеры сгорания, состоящей из наклоненных к ее выходу кольцевых секций, разделенных между собой охлаждающими щелями, образованными коленами с отверстиями для подачи воздуха, концевыми участками и козырьками, являющимися частью секций, в козырьках выполнены компенсационные щели длиной 0.7-1 от ширины козырька.
Новым является то, что в конструкцию козырьков жаровой трубы вводятся компенсационные щели длиной 0.7-1 от ширины козырька.
Такое решение позволит существенно уменьшить тепловые напряжения в жаровой трубе, вызванные неравномерным нагревом и охлаждением козырьков и стенок жаровой трубы. Это позволит существенно увеличить ресурс использования жаровой трубы.
Жаровая труба с козырьками представлена на фиг. 1-3.
Фиг. 1 - разрез жаровой трубы с указанием элементов.
Фиг. 2 - схема течения охлаждающего воздуха.
Фиг. 3 - схема расположения компенсационных щелей.
В жаровую трубу входят:
1 - вход жаровой трубы камеры сгорания
2 - выход жаровой трубы камеры сгорания
3 - кольцевые секции камеры
4 - охлаждающие щели
5 - колена
6 - отверстия
7 - концевые участки
8 - козырьки
9 - компенсационные щели
10 - ребра
Жаровая труба камеры сгорания газотурбинных двигателей и установок содержит вход 1 и выход 2, наклоненные к ее выходу кольцевые секции 3. Секции 3 разделены между собой охлаждающими щелями 4, образованными коленами 5 с отверстиями 6 концевых участков 7 и козырьками 8, при этом в козырьках 8 выполнены компенсационные щели 9. Компенсационная щель расположена перпендикулярно козырьку (по направлению потока газа), компенсационные щели имеют длину, равную 0,7-1 от ширины козырька. Щели могут разрезать козырек до места крепления его к жаровой трубе. Компенсационные щели выполняются с определенным шагом. Шаг между щелями определяется путем CFD моделирования или в результате испытаний. С увеличением перепадов температуры шаг между щелями уменьшается. Компенсационные щели уменьшают тепловое напряжение в жаровой трубе, что существенно увеличивает ресурс использования жаровой трубы.
Жаровая труба камеры сгорания, показанная на фиг. 1, газотурбинных двигателей и установок работает следующим образом.
Поток горячего газа подается на вход 1 жаровой трубы камеры сгорания, охлаждающий воздух подается к наружной поверхности жаровой трубы. Охлаждающий воздух проходит через отверстия 6 и охлаждающие щели 4, образованные коленами 5 концевыми участками 7 и козырьками 8, являющимися частями кольцевых секций 3. Горячий газ нагревает поверхность козырьков 8, наибольшему нагреву подвергаются края козырьков. Неравномерный нагрев козырьков ведет к возникновению больших тепловых напряжений в жаровой трубе, а наличие в козырьках компенсационных щелей уменьшает тепловое напряжение в жаровой трубе. Компенсационные щели выполняют перпендикулярно козырьку (по направлению потока газа), щели имеют длину равную 0,7-1 от ширины козырька. Длина щели зависит от величины теплового напряжения. Чем выше тепловые напряжения в жаровой трубе, вызванные неравномерным нагревом и охлаждением козырьков, тем большую длину щели необходимо выполнить, вплоть до 1, то есть полного разреза козырька по ширине.
На фиг. 2 показана схема течения охлаждающего воздуха. Стрелками показано направление движения охлаждающего воздуха, который формирует пленку для охлаждения жаровой трубы.
На фиг. 3 приведен фрагмент секции, вид внутренней поверхности жаровой трубы. Для уменьшения теплового напряжения в конструкцию козырьков вводятся компенсационные щели. Если в охлаждающих щелях имеются ребра, то компенсационная щель 9 проходит по ребру 10. При отсутствии в охлаждающих щелях ребер компенсационная щель проходит между отверстиями для подачи охлаждающего воздуха.