Двустенная жаровая труба высокотемпературной камеры сгорания непрерывного действия

Полезная модель относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), газотурбинных установок (ГТУ) и других силовых установок, в частности к жаровым трубам высокотемпературных камер сгорания непрерывного действия.
В перспективных камерах сгорания ГТД с высокими параметрами цикла отсутствуют основные отверстия для подачи воздуха внутрь жаровой трубы, а через завихрители фронтового устройства подается больше половины расхода воздуха, идущего через жаровую трубу. В результате, вблизи стенок жаровой трубы течет поток продуктов сгорания топлива, имеющий высокую температуру и значительную окружную составляющую скорости, которая может быть больше осевой составляющей скорости потока. Наличие значительной окружной составляющей скорости приводит к интенсификации смешения пристенной воздушной защитной пленки, образованной воздухом, вытекающим из поперечных щелей вдоль проекции оси двигателя на стенку с высокотемпературным потоком продуктов сгорания, что приводит к ухудшению эффективности охлаждения защитной пленки.
Известна двустенная кольцевая перфорированная жаровая труба камеры сгорания ГТД, содержащая две стенки, внутренняя из которых выполнена в виде продольных сегментов, имеющих ряд поясов отверстий, предназначенных для заградительного охлаждения и установленных при помощи соответствующих фланцев (патент RU 2066424, 1996 г.).
Известна двустенная жаровая труба камеры сгорания ГТД, содержащая кольцевую несущую стенку и установленные на ее внутренней поверхности с зазором посредством крепежных средств сегменты экранирующей стенки. Несущая стенка выполнена с радиально расположенными рядами круглых воздухоподводящх отверстий, оси которых расположены перпендикулярно поверхности несущей стенки. В сегментах экранирующей стенки выполнены поперечно расположенные относительно оси жаровой трубы сквозные наклонные щелевые отверстия, представляющие собой параллельные стенки, соединенные по противоположным краям между собой полукруглыми участками. При этом выходы круглых отверстий в несущей стенке расположены между входами щелевых отверстий экранирующей стенки (патент US 5435139, 1995 г.). Конструкция известного технического решения обеспечивает конвективно-пленочное охлаждение экранирующей стенки жаровой трубы. При этом не определен угол наклона отверстий в экранирующей стенке, формирующий эффективную заградительную воздушную пленку.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков и назначению к заявляемому техническому решению является двустенная жаровая труба высокотемпературной камеры сгорания непрерывного действия, содержащая кольцевую несущую стенку и установленные на ее внутренней поверхности с зазором посредством крепежных средств сегменты экранирующей стенки, с радиально расположенными рядами круглых воздухоподводящих отверстий, выполненных в несущей стенке, и сквозными щелевыми наклонными отверстиями, выполненными в виде расположенных в сегментах в поперечном направлении относительно оси трубы параллельных стенок с заданным углом наклона к поверхности экранирующей стенки, и соединенных по противоположным краям между собой полукруглыми участками, причем щелевые отверстия выполнены плавно расширяющимися между противоположными полукруглыми участками от входа к выходу с определенным углом расширения, площадь каждого щелевого отверстия на входе составляет определенную величину в зависимости от площади круглого воздухоподводящего отверстия в несущей стенке, а выходы воздухоподводящих отверстий в несущей стенке расположены между входами щелевых отверстий экранирующей стенки (патент RU 119854, 2012 г.).
Существенным недостатком известных технических решений является низкая надежность из-за таких дефектов, как прогары и коробление стенок в наиболее нагретых местах жаровой трубы, что связано с недостаточной эффективностью конвективно-пленочного охлаждения экранирующей стенки жаровой трубы. Указанный недостаток обусловлен неопределенностью угла наклона отверстий в экранирующей стенке, формирующих наиболее эффективную заградительную воздушную пленку, относительно оси жаровой трубы.
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в создании двустенной жаровой трубы камеры сгорания непрерывного действия, обеспечивающей повышение эффективности конвективно-пленочной системы охлаждения жаровой трубы.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели, заключается в реализации ее назначения, т.е. в создании двустенной жаровой трубы камеры сгорания непрерывного действия, обеспечивающей повышение эффективности конвективно-пленочной системы охлаждения жаровой трубы путем формирования направления потока охлаждающего воздуха, вытекающего из щелевых отверстий, близкого к направлению закрученного потока продуктов сгорания.
Заявленный технический результат достигается тем, что в двустенной жаровой трубе высокотемпературной камеры сгорания непрерывного действия, содержащей кольцевую несущую стенку и установленные на ее внутренней поверхности с зазором посредством крепежных средств сегменты экранирующей стенки, с радиально расположенными рядами круглых воздухоподводящих отверстий, выполненных в несущей стенке, и рядами сквозных щелевых наклонных отверстий, выполненных в виде расположенных в сегментах в поперечном направлении относительно оси жаровой трубы параллельных стенок с заданным углом наклона к поверхности экранирующей стенки, и соединенных по противоположным краям между собой полукруглыми участками, причем щелевые отверстия выполнены плавно расширяющимися между противоположными полукруглыми участками от входа к выходу с определенным углом расширения, площадь каждого щелевого отверстия на входе составляет определенную величину в зависимости от площади круглого воздухоподводящего отверстия в несущей стенке, а выходы воздухоподводящих отверстий в несущей стенке расположены между входами щелевых отверстий экранирующей стенки, согласно предлагаемой полезной модели, сквозные щелевые наклонные отверстия расположены по винтовой линии относительно поверхности сегментов экранирующей стенки, причем угол подъема винтовой линии для щелевых отверстий ряда, расположенного на входе жаровой трубы, выбирается в диапазоне от 40° до 60°, угол подъема винтовой линии для щелевых отверстий каждого последующего ряда меньше угла подъема винтовой линии предыдущего ряда щелевых отверстий на 1,5-2,5°, а угол подъема винтовой линии для щелевых отверстий ряда, расположенного на выходе жаровой трубы, выбирается в диапазоне от 0 до 20°.
Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая полезную модель, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, заключающегося в формировании направления потока охлаждающего воздуха, вытекающего из щелевых отверстий, близкого к направлению закрученного потока продуктов сгорания. Полезная модель поясняется иллюстрациями, где:
на фиг.1 изображена схема двустенной жаровой трубы высокотемпературной камеры сгорания непрерывного действия;
на фиг. 2 изображен элемент А стенки жаровой трубы на фиг. 1;
на фиг. 3 изображен вид Б на фиг. 2;
на фиг. 4 изображен вид В на фиг. 2
на фиг. 5 изображено сечение Г - Г экранирующей стенки жаровой трубы по оси щелевого отверстия на фиг. 2.
На фиг. 1-5 приняты следующие обозначения:
1 - двустенная жаровая труба высокотемпературной камеры сгорания;
2 - кольцевая несущая стенка жаровой трубы;
3 - зазор между несущей и экранирующей стенками;
4 - крепежные средства сегментов экранирующей стенки;
5 - сегменты экранирующей стенки;
6 - круглые воздухоподводящие отверстия в кольцевой несущей стенке 2;
7 - сквозные щелевые наклонные отверстия в кольцевой несущей стенке 2;
8 - стенки сквозных щелевых наклонных отверстий;
9 - полукруглые концевые участки сквозных щелевых наклонных отверстий.
Двустенная жаровая труба 1 высокотемпературной камеры сгорания (на чертеже не показана) непрерывного действия содержит кольцевую несущую стенку 2 (см. фиг. 1), на внутренней поверхности которой с зазором 3 при помощи крепежных средств 4 установлены сегменты 5, образующие экранирующую стенку (см. фиг. 2). В несущей стенке 2 жаровой трубы 1 выполнены радиально расположенные ряды круглых воздухоподводящих отверстий 6, а в сегментах 5 экранирующей стенки выполнены расположенные рядами сквозные щелевые наклонные отверстия 7, расположенные в поперечном относительно оси жаровой трубы 1 направлении по винтовой линии относительно поверхности сегментов 5 экранирующей стенки. При этом угол γ подъема винтовой линии для сквозных щелевых наклонных отверстий 7 ряда, расположенного на входе жаровой трубы 1 выбирается в диапазоне от 40° до 60° (см. фиг. 3), угол γ подъема винтовой линии для сквозных щелевых наклонных отверстий 7 каждого последующего ряда меньше угла у подъема винтовой линии предыдущего ряда сквозных щелевых наклонных отверстий 7 на 1,5-2,5°, а угол γ подъема винтовой линии для сквозных щелевых наклонных отверстий 7 ряда, расположенного на выходе жаровой трубы 1, выбирается в диапазоне от 0 до 20°. Каждое сквозное щелевое наклонное отверстие 7 представляет собой параллельные стенки 8, расположенные с заданным углом наклона α к поверхности экранирующей стенки, соединенные по противоположным краям между собой полукруглыми участками 9 (см. фиг. 4). При этом сквозные щелевые наклонные отверстия 7 выполнены плавно расширяющимися между противоположными полукруглыми участками 9 от входа к выходу с определенным углом β расширения (см. фиг. 5), а площадь каждого щелевого наклонного отверстия 7 на входе составляет определенную величину в зависимости от площади круглого воздухоподводящего отверстия 6 в несущей стенке 2. Выходы круглых воздухоподводящих отверстий 6 в несущей стенке 2 расположены между входами щелевых наклонных отверстий 7.
Двустенная жаровая труба высокотемпературной камеры сгорания непрерывного действия работает следующим образом.
В системе охлаждения используется совместное действие интенсивного съема тепла ударным охлаждением в зазоре 3 между стенками двустенной жаровой трубы и защитой экранирующей стенкой жаровой трубы пристеночной воздушной завесой. Поток воздуха из компрессора подается внутрь камеры сгорания и используется для охлаждения жаровой трубы 1. Через круглые воздухоподводящие отверстия 6 в кольцевой несущей стенке 2 воздух проходит в зазор 3 между несущей стенкой 2 и сегментами 5 экранирующей стенки и натекает перпендикулярно на охлаждаемую поверхность сегментов 5, образуя интенсивное конвективное охлаждение экранирующей стенки и отбирая от нее полученное тепло. Из зазора 3 между кольцевой несущей стенкой 2 и экранирующей стенкой воздух через сквозные щелевые наклонные отверстия 7 направляется в полость жаровой трубы 1 и прижимается потоком горячих продуктов сгорания к внутренней поверхности экранирующей стенки, защищая ее пеленой пристеночной воздушной завесы от непосредственного контакта с продуктами сгорания. При этом расположение сквозных щелевых наклонных отверстий 7 по винтовой линии относительно поверхности сегментов 5 экранирующей стенки с постоянно изменяющимся углом γ подъема, начиная с отверстий ряда, расположенного на входе в жаровую трубу, и до отверстий ряда, расположенного на выходе из жаровой трубы, обеспечивает закручивание потока охлаждающего воздуха, вытекающего из сквозных щелевых наклонных отверстий 7, причем направление потока близко к направлению закрученного потока продуктов сгорания. В результате формируется наиболее эффективная заградительная воздушная пленка, относительно оси жаровой трубы. При таком охлаждении жаровой трубы происходит значительное снижение температуры и уровня неравномерности температур всей конструкции, в условиях циклически повторяющихся быстрых переходных процессов, происходящих в камере сгорания, что приводит к снижению температурных напряжений в стенках камеры, повышению ресурса и надежности работы камеры сгорания непрерывного действия.
Таким образом, расположение сквозных щелевых наклонных отверстий по винтовой линии относительно поверхности сегментов экранирующей стенки, с углом подъема винтовой линии для щелевых отверстий ряда, расположенного на входе в жаровую трубу в диапазоне от 40° до 60°, углом подъема винтовой линии для щелевых отверстий каждого последующего ряда меньшим угла подъема винтовой линии предыдущего ряда щелевых отверстий на 1,5-2,5°, и углом подъема винтовой линии для щелевых отверстий ряда, расположенного на выходе из жаровой трубы, в диапазоне от 0 до 20°, позволяет осуществить формирование направления потока охлаждающего воздуха, вытекающего из щелевых отверстий, близкого к направлению закрученного потока продуктов сгорания, что обеспечивает повышение эффективность конвективно-пленочной системы охлаждения жаровой трубы.