СТЕНКА КАМЕРЫ СГОРАНИЯ
COMBUSTION CHAMBER WALL

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к области камер сгорания для турбомашин и, в частности, к кольцевым стенкам камер сгорания турбомашин, при этом стенки имеют холодную строну и горячую сторону.
Понятие «турбомашина» используется в данном контексте для обозначения машины, которая преобразует тепловую энергию рабочей текучей среды в механическую работу с помощью указанной рабочей текучей среды, расширяющейся в турбине. В приведенном ниже описании понятия «выше по потоку» и «ниже по потоку» относятся к нормальному направлению потока рабочей текучей среды через турбомашину.
В частности, данное изобретение относится к так называемым турбомашинам внутреннего сгорания, в которых рабочая текучая среда турбомашины включает по меньшей мере некоторые из продуктов сгорания, которые сообщают эту тепловую энергию рабочей текучей среде. Такие турбомашины включают, в частности, газовые турбины, турбореактивные, турбовинтовые или турбовальные двигатели. Обычно такие турбомашины внутреннего сгорания включают по потоку перед турбиной камеру сгорания, в которой топливо смешивается с рабочей текучей средой, обычно воздухом, и сжигается. Таким образом, химическая энергия, содержащаяся в топливе, преобразуется в камере сгорания в тепловую энергию с нагреванием тем самым рабочей текучей среды, а затем тепловая энергия рабочей текучей среды преобразуется в турбине в механическую энергию. Обычно такие турбомашины включают также по потоку перед камерой сгорания компрессор, который приводится в действие с помощью вращающегося вала, который является общим по меньшей мере с одной ступенью турбины, с целью сжатия воздуха перед сгоранием.
В такой турбомашине камера сгорания обычно имеет по меньшей мере одну кольцевую стенку с отверстиями, позволяющими воздуху, который проходит на холодной стороне стенки, проникать к горячей стороне стенки. Такая стенка проходит в направлении прохождения потока рабочей текучей среды между концевой стенкой камеры сгорания, где обычно расположены инжекторы топлива, и выходом для газов сгорания. Камера сгорания обычно расположена внутри корпуса генератора, при этом корпус находится в соединении с компрессором для получения сжимаемого в нем воздуха.
В такой камере сгорания поток воздуха через отверстия выполняет несколько функций. В первой зоне, называемой первичной зоной вблизи концевой стенки камеры и тем самым вблизи инжекторов, стенка включает по меньшей мере одно первичное отверстие, которое служит в основном для подачи воздуха для реакции сгорания с топливом, которое впрыскивается инжекторами. В отличие от этого, воздух, входящий в камеру сгорания через отверстия, расположенные во второй зоне, которая находится дальше вниз по потоку, называемой зоной разбавления, служит в основном для разбавления газа сгорания с целью уменьшения его температуры на выходе из камеры сгорания с ограничением тем самым тепловых напряжений в турбине по потоку после камеры сгорания.
Однако для увеличения эффективности термодинамического цикла турбомашины необходимо все больше увеличивать температуру в камере сгорания. Это приводит к значительным тепловым напряжениям также на стенках оболочки камеры сгорания. Для охлаждения этих стенок они могут иметь большое количество охлаждающих отверстий небольшого диаметра, обычно не более 1 мм. Воздух, входящий в камеру сгорания через эти охлаждающие отверстия, образует относительно холодную пленку на горячей стороне каждой стенки, защищая тем самым материал стенки от тепла сгорания.
Однако в зоне разбавления камер сгорания, согласно уровню техники, имеются как отверстия разбавления большого диаметра, обычно больше 1 мм, для разбавления газа сгорания, так и охлаждающие отверстия малого диаметра не больше 1 мм для охлаждения стенок камеры сгорания, поскольку по мнению специалистов в данной области техники необходимо иметь струи воздуха, которые могут быть образованы лишь с помощью отверстий большого диаметра, с целью обеспечения их проникновения глубоко в поток в камере сгорания для получения лучшего смешивания ниже по потоку между воздухом разбавления и газом сгорания. Однако это приводит к другим недостаткам. В частности, эти струи воздуха разбавления вызывают большую неравномерность температуры внутри камеры сгорания. Однако по причинам защиты окружающей среды и по причинам эффективности сгорания важно обеспечивать как можно однообразное распределение температуры внутри камеры сгорания. Любые пики температуры в камере могут приводить к образованию оксидов азота, при этом в зонах более низкой температуры топливо остается не сгоревшим.
Раскрытие изобретения
Таким образом, данное изобретение относится к кольцевой стенке камеры сгорания турбомашины, при этом стенка имеет холодную сторону и горячую сторону, указанная стенка снабжена по меньшей мере одним первичным отверстием для обеспечения возможности проникновения первого потока воздуха, проходящего на холодной стороне стенки, на горячую сторону стенки для обеспечения сгорания топлива внутри камеры сгорания и множеством охлаждающих отверстий, имеющих каждое диаметр не больше 1 мм, с целью обеспечения возможности проникновения второго потока воздуха, проходящего на холодной стороне стенки, на горячую сторону стенки для охлаждения горячей стороны стенки.
Задачей изобретения является выполнение распределения температуры внутри камеры сгорания более равномерным при одновременном увеличении эффективности гидродинамического цикла турбомашины. Для этого по меньшей мере в одном варианте выполнения кольцевой стенки камеры сгорания турбомашины согласно изобретению предусмотрено множество охлаждающих отверстий, пригодных также для разбавления газа сгорания, являющегося результатом указанного сгорания, за счет использования потока воздуха, проникающего на горячую сторону стенки через охлаждающие отверстия. В противоположность предубеждению специалистов в данной области техники, было установлено, что подача воздуха в такие отверстия небольшого диаметра достаточна не только для охлаждения стенок камеры сгорания, но также для достижения эффективного смешивания газа сгорания с воздухом, подаваемым через эти отверстия небольшого диаметра, за счет чего достигается эффективное разбавление газа сгорания.
В частности, согласно второму аспекту изобретения, в такой камере сгорания указанные охлаждающие отверстия могут представлять не менее 50% всей площади поверхности для прохождения воздуха через стенку, в частности по меньшей мере 97% всей площади поверхности для прохождения воздуха через стенку по потоку нижеуказанного по меньшей мере одного первичного отверстия. Таким образом, можно отказаться от большого количества отверстий большого диаметра для разбавления газа сгорания, за счет чего не только поддерживается исключение неравномерностей в потоке в камере сгорания, но также упрощается выполнение зоны разбавления камеры сгорания.
Согласно третьему аспекту изобретения, для улучшения смешивания между газом сгорания и воздухом, подаваемым через охлаждающие отверстия, каждое отверстие из множества указанных охлаждающих отверстий ориентировано вдоль оси, которая в проекции на стенку образует угол Θ не меньше 45° с направлением центральной оси стенки. В частности, указанный угол Θ лежит в диапазоне 85°-95°. Таким образом, воздух, впрыскиваемый в камеру сгорания через охлаждающие отверстия, проходит по спиральному пути, за счет чего удлиняется его время прохождения в камере сгорания и утолщается пленка относительно холодного воздуха вблизи горячей стороны стенки, что способствует не только охлаждению стенки, но также смешиванию газа сгорания с воздухом в этой более толстой пленке.
Согласно четвертому аспекту изобретения, также для улучшения смешивания газа сгорания с воздухом, вводимым через охлаждающие отверстия, каждое отверстие из множества указанных охлаждающих отверстий ориентировано вдоль оси, составляющей угол β со стенкой, при этом угол β не больше 45° и предпочтительно не больше 30°. Это обеспечивает стабильность пленки относительно холодного воздуха вблизи горячей стороны стенки.
Однако, согласно пятому аспекту изобретения, а также с целью стабилизации пленки холодного воздуха, указанный угол β не меньше 15° и предпочтительно не меньше 20°.
Согласно данному изобретению, предлагается также камера сгорания турбомашины, включающая внутреннюю стенку и наружную стенку, которые коаксиальны друг другу. Внутренняя стенка и/или наружная стенка могут быть в одном варианте выполнения изобретения кольцевыми стенками, которые включают множество охлаждающих отверстий, имеющих каждое диаметр не больше 1 мм для обеспечения проникновения второго потока воздуха, проходящего на холодной стороне стенки, на горячую сторону стенки для охлаждения горячей стороны стенки, а также обеспечения разбавления газа сгорания, являющегося результатом указанного сгорания, посредством использования потока воздуха, проникающего на горячую сторону стенки через охлаждающие отверстия. Однако камера сгорания может иметь форму, отличную от кольцевой формы. Например, она может быть образована с помощью нескольких таких кольцевых стенок с различными центральными осями, расположенными вокруг центральной оси турбомашины, с целью образования нескольких отдельных трубок пламени.
Согласно данному изобретению, предлагается также турбомашина, такая как газовая турбина, турбореактивный, турбовинтовой или турбовальный двигатель, в частности, для применения в авиации, при этом двигатель включает камеру сгорания, содержащую по меньшей мере одну кольцевую стенку, включающую множество охлаждающих отверстий, имеющих каждое диаметр не больше 1 мм, с целью обеспечения проникновения второго потока воздуха, проходящего на холодной стороне стенки, на горячую сторону для охлаждения горячей стороны, а также обеспечения разбавления газа сгорания, являющегося результатом указанного сгорания, посредством использования потока воздуха, проникающего на горячую сторону стенки через охлаждающие отверстия.
Согласно данному изобретению, предлагается также способ разбавления газа сгорания в камере сгорания турбомашины, при этом указанная камера сгорания имеет по меньшей мере одну кольцевую стенку с холодной стороной и горячей стороной и снабжена по меньшей мере одним первичным отверстием для обеспечения проникновения первого потока воздуха, проходящего на холодной стороне стенки, на горячую сторону стенки для обеспечения сгорания топлива внутри камеры сгорания и множеством охлаждающих отверстий, имеющих каждое диаметр не больше 1 мм, с целью обеспечения проникновения второго потока воздуха, проходящего на холодной стороне стенки, на горячую сторону стенки для охлаждения горячей стороны стенки, при этом способ характеризуется тем, что поток воздуха, проникающий на горячую сторону стенки, служит также для разбавления газа сгорания.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания изобретения и его преимуществ ниже приводится подробное описание не имеющего ограничительного характера варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг.1 - продольный разрез турбомашины;
фиг.2 – продольный разрез камеры сгорания согласно уровню техники;
фиг.3 – продольный разрез камеры сгорания согласно первому варианту осуществления изобретения;
фиг.4А – часть стенки показанной на фиг.3 камеры сгорания в цилиндрической проекции; и
фиг.4В – разрез той же стенки по линии IVB-IVB в увеличенном масштабе.
Подробное описание изобретения
Турбомашина, в частности турбовальный двигатель 1 показан схематично в качестве иллюстрации на фиг.1. В направлении потока рабочей текучей среды этот двигатель 1 содержит: центробежный компрессор 3; кольцевую камеру 4 сгорания; первую осевую турбину 5; и вторую осевую турбину 6. Дополнительно к этому двигатель 1 имеет также первый вращающийся вал 7 и второй вращающийся вал 8, коаксиальный первому вращающемуся валу 7.
Второй вращающийся вал 8 соединяет центробежный компрессор 3 с первой осевой турбиной 5 так, что расширение рабочей текучей среды в первой осевой турбине 5 по потоку после камеры 4 сгорания служит для приведения в действие компрессора 3 по потоку перед камерой 4 сгорания. Первый вращающийся вал 7 соединяет вторую осевую турбину 6 с валом 9 отбора мощности, расположенным по потоку после и/или перед двигателем так, что последующее расширение рабочей текучей среды во второй осевой турбине 6 по потоку после первой осевой турбины служит для привода вала 9 отбора мощности.
Таким образом, сжатие рабочей текучей среды в центробежном компрессоре 3 с последующим нагреванием рабочей текучей среды в камере 4 сгорания и его расширение во второй осевой турбине 6 обеспечивает возможность преобразования части тепловой энергии, полученной посредством сгорания в камере 4 сгорания, в механическую энергию, которая снимается с вала 9 отбора мощности. В показанном двигателе рабочая текучая среда является воздухом, при этом топливо добавляется к нему и сжигается в камере 4 сгорания, при этом топливо может быть, например, углеводородом.
Камера 204 сгорания, согласно уровню техники, показана на фиг.2. Эта камера 204 сгорания содержит внутреннюю стенку 211 и наружную стенку 212, при этом стенки являются кольцевыми и коаксиальными, проходящими от концевой стенки 213, где две стенки 211 и 212 сходятся вместе, до выхода для газа сгорания. Камера 204 сгорания может быть разделена на первичную зону 204, в которой расположены инжекторы 215 топлива, и зону 204b разбавления, которая расположена по потоку после первичной зоны 204а. В показанном примере камера 204 сгорания относится к типу, имеющему изгиб 216 для ограничения ее осевой длины. Камеры сгорания этого типа широко распространены, в частности, в турбомашинах, имеющих центробежные компрессоры, в частности, когда они являются турбовальными двигателями, как показано на фиг.1.
Стенки 211 и 212 камеры 204 сгорания имеют отверстия трех различных типов, из которых все три используются для прохождения потоков воздуха с холодной стороны стенок 211, 212 снаружи камеры 204 сгорания на горячую сторону стенок 211, 212 внутри камеры 204 сгорания. Отверстия первого типа являются так называемыми первичными отверстиями 217, расположенными в первичной зоне 204а и служащими для пропускания воздуха, который используется для обеспечения сгорания топлива, впрыскиваемого с помощью инжекторов 215. По потоку после этих первичных отверстий 217 стенки 211, 212 имеют также отверстия второго типа, известные как отверстия 218 разбавления, служащие для прохождения воздуха, который используется для разбавления газа 220 сгорания, который является результатом сгорания топлива, впрыскиваемого с помощью инжекторов 215, вступающего в реакцию с воздухом, входящим через первичные отверстия 217. Стенки 211, 212 имеют также отверстия третьего типа, называемые охлаждающими отверстиями 219, обеспечивающими прохождение воздуха, который используется для охлаждения горячей стороны каждой из стенок 211, 212. Три типа отверстий различаются, в частности, своими различными размерами. Так, первичные отверстия 217 и прежде всего отверстия 218 разбавления имеют диаметры, которые значительно больше диаметра охлаждающих отверстий 219. В то время как охлаждающие отверстия распределены в большом количестве по поверхности стенок 211, 212 и имеют каждое диаметр не больше 1 мм, отверстия 219 разбавления имеют диаметры около 5 мм и больше. Таким образом, во время работы двигателя воздух, проникающий на горячие стороны стенок 211, 212 через охлаждающие отверстия 219, образует пленку 221 относительно холодного воздуха, которая остается вблизи стенок 211, 212 для защиты их от тепла газа 220 сгорания, при этом воздух, проникающий через отверстия 219 разбавления, образует струи 222, которые проникают глубоко в камеру 204 сгорания для смешивания с газом 220 сгорания в зоне 204b разбавления.
Камера 4 сгорания, согласно одному варианту осуществления изобретения, показана на фиг.3. Эта камера 4 сгорания также имеет внутреннюю стенку 11 и наружную стенку 12, которые являются кольцевыми и коаксиальными, проходящими от концевой стенки 13, где стенки 11 и 12 соединяются вместе, до выхода газа сгорания. Камера 4 сгорания также может быть разделена на первичную зону 4а, в которой расположены инжекторы 15, и зону 4b разбавления по потоку после первичной зоны 4а. В показанном варианте выполнения внутренняя и наружная стенки расположены на расстоянии друг от друга, равном максимальному расстоянию h, и глубина первичной зоны вдоль направления центральной оси Х камеры сгорания равна указанному расстоянию h. В показанном примере камера 4 сгорания также принадлежит к типу, имеющему изгиб 16 для ограничения ее осевой длины.
Однако в отличие от камеры 204 сгорания, согласно уровню техники, эта камера 4 сгорания имеет лишь два типа отверстий для пропускания потоков воздуха с холодных сторон стенок 11, 12 снаружи камеры 4 сгорания на горячие стороны стенок 11, 12 внутри камеры 4 сгорания, а именно она имеет первичные отверстия 17 и охлаждающие отверстия 19. Таким образом, по потоку после указанных первичных отверстий 17 и, в частности, в зоне 4b разбавления стенки 11, 12 не имеют, в частности, отверстий для пропускания воздуха с диаметром больше 1 мм. Хотя стенки 11, 12 могут иметь определенные другие отверстия, такие как, например, отверстия для эндоскопического контролирования камеры 4 сгорания, охлаждающие отверстия 19 представляют по меньшей мере 50% всей площади поверхности для прохождения воздуха через стенки 11, 12 и по меньшей мере 97% в зоне 4b разбавления.
В этой камере 4 сгорания отсутствуют специальные отверстия разбавления большого диаметра, так что газ 30 сгорания разбавляется практически исключительно с помощью воздуха, который проникает в камеру 4 сгорания через охлаждающие отверстия 19, при этом пленка 21 воздуха вблизи стенок 11, 12 смешивается эффективно с газом 20 сгорания. С целью облегчения этого смешивания в показанном варианте выполнения охлаждающие отверстия 19 ориентированы так, чтобы направлять воздух, который проникает в камеру 4 сгорания через охлаждающие отверстия 19, по траектории, которая является спиральной. Таким образом, как показано на фиг.4А и 4В, в этом варианте выполнения каждое охлаждающее отверстие 19 ориентировано вдоль оси, которая образует угол β со стенкой 11, 12, при этом угол β лежит в диапазоне 20°-30° и имеет проекцию на стенку, которая образует угол β приблизительно 90° с направлением центральной оси Х. Таким образом, в показанной камере 4 сгорания происходит разбавление газа 20 сгорания равномерным и эффективным образом, при одновременном отказе от специальных отверстий разбавления большого диаметра, за счет чего исключаются связанные с ними недостатки.
Хотя описание данного изобретения дано применительно к специальному варианту осуществления, представляется понятным, что возможны различные модификации и изменения в рамках этого варианта, без выхода за общий объем изобретения, заданный формулой изобретения. Например, возможны другие углы Θ и β, в частности в диапазонах Θ ≥ 45° и 15° ≤ β ≤ 45°. Дополнительно к этому указанные отдельные характеристики различных вариантов выполнения можно комбинировать друг с другом для получения дополнительных вариантов выполнения. Следовательно, описание и чертежи следует рассматривать в качестве иллюстрации, не имеющей ограничительного характера.