Диффузор камеры сгорания газотурбинного двигателя

Полезная модель относится к устройствам для формирования потока газа перед фронтовым устройством камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Близкой, по принципам воздействия на поток газа, является конструкция диффузора описанная в авторских свидетельствах 1281689 F01 D25/30 1985 г., 1636602 F04 D29/44, F01 D25/30 1989 г. и патенте на изобретение РФ 2469214 МПК 51 F04D 29/44; F04D 29/54; F03B 11/00 2012 г. Все конструкции, описанные в этих документах, схожи за исключением некоторых особенностей. В частности в описании патента на изобретение РФ 2469214 МПК 51 F04D 29/44; F04D 29/54; F03B 11/00 2012 г. предлагается устанавливать на обтекаемых поверхностях внешних обводов плоских, конических или кольцевых диффузоров клиновидные ребра. Внешние свободные кромки ребер устанавливаются параллельно продольной оси диффузора. Вершина клиновидных ребер располагается во входном сечении диффузора на уровне минимального входного размера внешнего обвода. Внутренние кромки ребер повторяют профиль внешнего обвода диффузора. Изобретение направлено на расширение диапазона допустимых с точки зрения динамических нагрузок углов раскрытия проточной части диффузоров до 15-20° и тем самым сокращение их длины практически без потери экономичности.
Однако наличие продольных ребер увеличивает массу изделия, что недопустимо при применении на авиационном двигателе. Также, в качестве недостатка можно выделить сложность изготовления таких поверхностей и удорожание производства такого канала.
Известен диффузор, содержащий внутреннюю профильную поверхность, выполненную в виде плавно изменяющегося сечения с увеличением площади по ходу движения потока (поверхность с непрерывно увеличивающимся углом раскрытия диффузора). Такой диффузор называют профилированным или изоградиентным и применительно к камере сгорания описывается в работе (А.А. Иноземцев, В.Л. Сандрацкий Газотурбинные двигатели, ОАО «Авиадвигатель», г.Пермь 2006 г.). Также, описание подобного диффузора приводится в авторском свидетельстве 687263 F04 D29/44 1979 г. Такой диффузор обеспечивает наименьшие потери полного давления, равномерное поле скоростей на выходе.
Однако такая конструкция имеет недостатки: достаточно большую длину и сложность изготовления профилированной внутренней стенки диффузора. Еще одним недостатком таких диффузоров является то, что они не могут работать без отрыва потока на всех режимах работы газотурбинного двигателя. Причем на разных режимах отрыв происходит в разных сечениях по длине диффузора, что неблагоприятно сказывается на режимах горения в жаровой трубе и на эффективность всей установки.
В качестве еще одного диффузора можно упомянуть конструкцию, описанную в авторском свидетельстве 1710876 F15 D1/04 1989 г. Диффузор содержит внутреннюю профильную поверхность, угол раскрытия которой увеличивается в направлении от входного сечения к выходному сечению. Внутренняя профильная поверхность выполнена в виде четырех последовательно расположенных участков. В пределах каждого из участков угол раскрытия внутренней профильной поверхности постоянен. Выполнение внутренней профильной поверхности диффузора в виде нескольких последовательно расположенных участков в пределах, каждого из которых угол раскрытия постоянен, уменьшает трудоемкость изготовления диффузора при минимизации потерь давления в нем, в отличие от диффузора, имеющего поверхность с непрерывно увеличивающимся углом раскрытия.
Однако в качестве недостатков можно описать несколько повышенные потери полного давления, в отличие от диффузора, имеющего поверхность с непрерывно увеличивающимся углом раскрытия, а так же не возможность работы без отрыва потока на всех режимах работы газотурбинного двигателя.
Еще один диффузор описан в авторском свидетельстве 149175 F04 F 5/14 1978 г. Предлагаемый диффузор для повышения эффективности действия установки и сокращения строительной длины снабжен поперечными ребрами одинаковой или различной высоты и толщины. Эти ребра расположены перпендикулярно или под каким-нибудь другим углом к поверхности проточной части диффузора. При этом верхние концы ребер вписываются в первоначальную гладкую поверхность диффузора. Шаг ребер может быть постоянным или переменным, а захватывают они всю поверхность проточной части диффузора целиком или частично. Описанный диффузор позволяет повысить коэффициент полезного действия установки, в которых он применяется, а так же уменьшить их габариты и снизить вес. В качестве недостатка применительно к камере сгорания газотурбинного двигателя можно отметить, что такой диффузор без дополнительных конструктивных решений не обеспечивает необходимую степень раскрытия.
Наиболее близким к предложенной полезной модели является диффузор основной камеры сгорания авиационного газотурбинного двигателя, содержащий корпус с расположенными в нем телескопическими кольцами и диффузорный канал. Диффузорный канал образован рядом телескопических колец, соединенных между собой фиксаторами. Фиксаторы установлены с возможностью изменения формы диффузорного канала в зависимости от режима работы, принимая форму либо изоградиентного, либо канала с внезапным расширением. Такое выполнение диффузора повышает эффективность его работы на различных режимах работы газотурбинного двигателя (см. патент РФ 2159898 МПК 51 F23R 3/26 2000 г.).
Однако данная конструктивная схема обладает рядом недостатков при установке на авиационном двигателе: увеличенная масса, за счет нескольких перекрывающихся между собой кольцевых секций, а так же за счет наличия подвижных частей; низкая надежность механизма из-за расположения в зоне с высокой температурой, что так же снижает надежность всего двигателя в целом.
Техническим результатом (задачей) полезной модели является повышение эффективности работы диффузора камеры сгорания в широком диапазоне работы газотурбинного двигателя. Эффективность работы диффузора достигается за счет снижение потерь полного давления и устранение отрыва потока от стенок диффузора камеры сгорания, повышения статического давления и обеспечения равномерности профиля скорости на выходе из диффузора.
Технический результат достигается тем, что содержит преддиффузор, в качестве которого используется несколько секций профилированных поверхностей, угол раскрытия которых постоянен для каждой секции и увеличивается в направлении от входного сечения к выходному сечению, или содержащий внутреннюю профилированную поверхность, выполненную в виде плавно изменяющегося сечения с увеличением площади по ходу движения потока воздуха, на которой выше по потоку от вероятной точки отрыва потока расположены поперечные канавки, далее по ходу движения потока воздуха преддиффузор соединен с участком внезапного расширения.
Диффузор на входе содержит преддиффузор, в качестве которого используется несколько секций профилированных поверхностей, угол раскрытия которых постоянен для каждой секции и увеличивается в направлении от входного сечения к выходному сечению, или содержащий внутреннюю профилированную поверхность, выполненную в виде плавно изменяющегося сечения с увеличением площади по ходу движения потока воздуха.
Для стабилизации работы преддиффузора на различных режимах работы газотурбинного двигателя до предполагаемой точки отрыва потока на внутренней поверхности стенок канала размещается участок с поперечными канавками, что позволяет уменьшить толщину пограничного слоя и предотвратить отрыв потока от стенок диффузора или перенести отрыв ближе к выходу из участка. При использовании поперечных канавок вместо крупных вихревых течений, характерных для гладкостенного диффузора с высокой степенью раскрытия, образуются небольшие вихри на внутренних стенках канала, способствующие интенсификации турбулентности и обмену кинетической энергией в поперечном сечении потока. Это, в свою очередь, способствует выравниванию профиля скорости и снижению потерь полного давления (Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям /под ред. М.О. Штейнберга. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Машинастроение, 1992. - 672 с.).
Современные камеры сгорания для обеспечения подачи большого количества воздуха в область горения имеют высокую фронтовую плиту, содержащую несколько рядов завихрителей. Для этого диффузор имеет большую степень раскрытия, которая обеспечивается в описываемой конструкции диффузора за счет установки за преддифузором участка с внезапным расширением и переходом на корпус камеры сгорания. Это уменьшает длину диффузора и позволяет создать циркуляционную зону потока дополнительно стабилизирующую работу камеры сгорания при переходе на различные режимы работы двигателя (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей, под ред. Шляхтенко С.М., 1987 г.).
На чертеже (см. фиг.1) схематически изображен предлагаемый диффузор камеры сгорания газотурбинного двигателя и его установка в камере сгорания совместно с жаровой трубой (фиг.2)
Поток воздуха подается на вход диффузора 1, проходит вдоль внутренних профилированных поверхностей 2 преддиффузора 3. Место установки поперечных канавок 4 выбирается в зависимости от геометрических особенностей преддиффузора 3 и располагаться выше по потоку от вероятной точки отрыва потока 5 от внутренних профилированных поверхностей 2. Далее преддиффузор 3 соединен с участком внезапного расширения 6, где происходит локализация вихревых структур потока 7. Поток воздуха из диффузора попадает на фронтовое устройство с завихрителями 8 и частично затекает в наружную и внутреннею полости 9 жаровой трубы 10.
Геометрические параметры поперечных канавок выбираются из следующих условий: оптимальная ширина канавки 5 мм, отношение глубины канавки к ее ширине выбираться в диапазоне значений от единицы до двух, при значениях более 2,5 приводит к переходу энергии потока в звуковые колебания и тем самым снижается эффективность применения канавок (Мигай В.К. Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1981. - 272 с.). Количество поперечных канавок выбирается не менее трех. Исследования поперечных канавок нанесенных на внутренние стенки диффузора и их влияние на профиль скорости на выходе из диффузора описываются в работе авторов: Шарафутдинов Р.Р., Александров Ю.Б., Королькова Е.В. Аэродинамические исследования диффузорных каналов камер сгорания газотурбинных двигателей. XXII Всероссийская научно-техническая конференция аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации (АКТТИ-2021) Пермь, 18 - 20 ноября 2021 г.
Установка участка с канавками на преддифузор позволяет обеспечить эффективность его работы, при этом сокращая его длину и газотурбинного двигателя в целом, что дает дополнительное преимущество по массе и соответственно по экономическим показателям для авиационного направления.