Элемент системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания

Полезная модель относится к авиадвигателестроению, а именно к элементам системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), газотурбинных установок (ГТУ), и других силовых установок, и может быть использована при изготовлении жаровых труб высокотемпературных камер сгорания непрерывного действия.
В современных камерах сгорания ГТД применяются такие схемы охлаждения жаровой трубы, которые предполагают охлаждение за счет удара струи воздуха о внутреннюю поверхность стенки, которая принимает на себя тепловой поток, идущий от продуктов сгорания, образованных внутри камеры сгорания.
Известна камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая двустенную жаровую трубу, стенка которой, обращенная к газовой полости, выполнена в виде элементов, связанных между собой соединением шип-паз, с продольными и поперечными радиальными ребрами, выполненными с воздушной охлаждаемой стороны и разделяющих стенку на охлаждаемые площадки, напротив центров которых установлены сопла (RU 2173818, 2001 г.).
В известном техническом решении осуществляется струйное лобовое охлаждение охлаждаемых площадок и радиальных ребер, при этом осуществляется интенсивное конвективное охлаждение жаровой трубы камеры сгорания.
Известна жаровая труба камеры сгорания непрерывного действия, содержащая кольцевую несущую стенку, включающую установленные на ее внутренней поверхности элементы экранирующей стенки с рядами сквозных щелевых наклонных отверстий, расположенных в элементах в поперечном относительно оси трубы направлении с заданным углом наклона относительно оси экранирующей стенки, соединенных по противоположным краям между собой полукруглыми участками, и расположенных по винтовой линии относительно поверхности элементов экранирующей стенки (RU 207006, 2021 г.).
В известном техническом решении используется совместное действие интенсивного съема тепла ударным охлаждением в зазоре между стенками жаровой трубы и защиты пристеночной воздушной завесой путем закручивания потока охлаждающего воздуха, истекающего из сквозных щелевых наклонных отверстий.
Известные технические решения, указанные выше, реализуют конвективное и конвективно-пленочное охлаждение при односторонней подаче охлаждающего воздуха.
Известна жаровая труба камеры сгорания, включающая кольцевые наклонные элементы, каждый из которых выполнен в виде по крайней мере двух панелей, смещенных в радиальном и осевом направлениях относительно друг друга и образующих охлаждающую полость с поворотным U-образным каналом (US 2021372616, 2020 г.).
В известном техническом решении поворотный канал формируется за счет перекрытия обращенных друг к другу концевых участков панелей. При этом реализуется конвективное охлаждение за счет подачи воздуха в охлаждаемую полость между панелями через сквозные наклонные отверстия, расположенные в поперечном относительно оси трубы направлении с заданным углом наклона, и пленочное охлаждение за счет размещения панелей под углом относительно оси жаровой трубы.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и назначению к заявляемому техническому решению является элемент системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания выполненный в виде по крайней мере двух плиток, смещенных в радиальном и осевом направлениях относительно друг друга и предназначенных для формирования U-образного канала для охлаждающей среды, включающего прямолинейные участки, расположенные параллельно, и поворотный участок, сообщенный с последними, и входные и выходные отверстия прямолинейных участков U-образного канала, причем оси входных отверстий перпендикулярны оси жаровой трубы, а оси выходных отверстий расположены под углом к оси жаровой трубы (US 2004118123, 2003 г.).
В известном техническом решении конвективно-пленочное охлаждение осуществляется за счет формирования встречного противоположно направленного потока охлаждающего воздуха.
Общим существенным недостатком известных технических решений, указанных выше, является удар струи воздуха о внутреннюю поверхность стенки, контактирующей с высокотемпературным потоком продуктов сгорания топлива, в результате которого происходит образование локальных градиентов температур за счет разницы между температурой вторичного воздуха, идущего на охлаждение с одной стороны стенки, и температурой продуктов сгорания топлива с другой стороны стенки, и к неравномерности температурного состояния стенки в радиальном направлении, которое обусловлено расстоянием между отверстиями, через которые проходит воздух. Возникающий градиент температур приводит к формированию остаточных температурных напряжений, что в результате приводит к повышенному износу стенок жаровой трубы камеры сгорания и снижению долговечности жаровой трубы.
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в создании элемента системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания, обеспечивающего повышение долговечности жаровой трубы.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящей полезной модели, заключается в реализации ее назначения, т.е. в создании элемента системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания, обеспечивающего повышение долговечности жаровой трубы за счет равномерности охлаждения стенки жаровой трубы, соприкасающейся с продуктами сгорания, и предотвращения образования зон с локально высоким градиентом температур.
Заявленный технический результат достигается тем, что в элементе системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания, выполненном в виде по крайней мере двух плиток, смещенных в радиальном и осевом направлении относительно друг друга и предназначенных для формирования U-образного канала для охлаждающей среды, включающего прямолинейные участки, расположенные параллельно, поворотный участок, сообщенный с последними, и входные и выходные отверстия прямолинейных участков U-образного канала, причем оси входных отверстий перпендикулярны оси жаровой трубы, а оси выходных отверстий расположены под углом к оси жаровой трубы, согласно предлагаемому техническому решению прямолинейные участки U-образного канала выполнены в плитках, установленных в шахматном порядке и жестко связанных между собой по одному из ребер с образованием общей стенки, расположенной между прямолинейными участками U-образного канала, а поворотный участок расположен по винтовой линии в патрубке, жестко связанном с обращенными в одну сторону торцами плиток, а входные и выходные отверстия прямолинейных участков U-образного канала расположены соответственно на верхней и нижней гранях плиток.
Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающих полезную модель, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, заключающегося в создании элемента системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания, обеспечивающего повышение долговечности жаровой трубы за счет равномерности охлаждения стенки жаровой трубы, соприкасающейся с продуктами сгорания, и предотвращения образования зон с локально высоким градиентом температур.
Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно
патрубок содержит дополнительный внутренний канал, сообщенный с камерой сгорания при помощи соответствующих входного и выходного отверстий, оси которых расположены аналогично осям входных и выходных отверстий прямолинейных участков U-образного канала, что обеспечивает создание дополнительной охлаждающей пленки вдоль соответствующего торца стенки соответствующей плитки.
Полезная модель поясняется следующим подробным описанием и иллюстрациями, где
на фиг. 1 изображен элемент жаровой трубы камеры сгорания в изометрии (а - вид спереди, б - вид сзади);
на фиг. 2 изображен элемент жаровой трубы камеры сгорания, вид сбоку;
на фиг. 3 изображено сечение А-А - на фиг. 2;
на фиг. 4 изображено сечение Б-Б на фиг. 3;
на фиг. 5 изображено сечение В-В на фиг. 2;
на фиг. 6 изображен фрагмент сборки элементов жаровой трубы.
На фиг. 1-6 приняты следующие обозначения
1, 2 - плитки;
3 - общая стенка плиток 1 и 2;
4 - патрубок;
5 - прямолинейный участок плитки 1;
6 - прямолинейный участок плитки 2;
7 - внутренний поворотный участок патрубка 4;
8 - входные отверстия прямолинейного участка 5;
9 - выходные отверстия прямолинейного участка 6;
10 - дополнительный внутренний канал патрубка 4;
11 - входное отверстие дополнительного внутреннего канала 10;
12 - выходное отверстие дополнительного внутреннего канала 10.
Элемент системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания содержит плитки 1 и 2, смещенные относительно друг друга в радиальном и осевом направлении (см. фиг. 1), причем последние расположены в шахматном порядке и жестко связаны между собой по одному из ребер с образованием общей стенки 3 плиток 1 и 2 и патрубок 4, жестко связанный с обращенными в одну сторону торцами плиток 1 и 2. При этом в элементе системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания формируется U-образный канал для охлаждающей среды, включающий расположенные в плитках 1 и 2 соответствующие внутренние параллельные прямолинейные участки 5 и 6 (см. фиг. 3), образующие верхний и нижний уровни, и внутренний поворотный участок 7, расположенный в патрубке 4 (см. фиг. 2, 4), выполненный по винтовой линии (см. фиг. 1), и сообщенный соответственно с прямолинейными участками 5 и 6 (см. фиг. 2, 4). Элемент системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания включает сообщенные с прямолинейным участком 5 входные отверстия 8, расположенные на верхней грани плитки 1, оси которых перпендикулярны оси жаровой трубы, и выходные отверстия 9, сообщенные с прямолинейным участком 6, расположенные на нижней грани плитки 2, оси которых выполнены под углом к оси жаровой трубы (см. фиг. 2, 4). Кроме того, патрубок 4 содержит дополнительный внутренний канал 10 сообщенный с камерой сгорания (на чертеже не показана) при помощи соответствующих входного и выходного отверстий 11 и 12 (см. фиг. 2, 4, 5), оси которых расположены аналогично осям входных и выходных отверстий 8 и 9 прямолинейных участков 5 и 6.
Элемент системы охлаждения жаровой трубы камеры сгорания работает следующим образом.
Часть охлаждающего воздуха через входные отверстия 8 поступает в прямолинейный участок 5 верхнего уровня в плитке 1, ударяется об основание общей стенки 3 плиток 1 и 2 параллельных прямолинейных участков 5 и 6 и тормозится, после чего продвигается внутри прямолинейного участка 5, доходит до окончания последнего, и попадает в поворотный участок 7 патрубка 4, который обеспечивает переход потока охлаждающего воздуха в параллельный прямолинейный участок 6 нижнего уровня в плитке 2. За счет смещения прямолинейных участков 5 и 6 в радиальном направлении и соединения последних в шахматном порядке относительно друг друга, а также за счет выполнения поворотного участка 7 патрубка 4 по винтовой линии, осуществляется дополнительная турбулизация потока охлаждающего воздуха. При этом в результате прохождения потока охлаждающего воздуха по прямолинейному участку 6 плитки 2 в результате конвективного теплообмена происходит отбор тепла, идущего от стенки плитки 2, соприкасающейся с потоком горячих продуктов сгорания. После этого поток охлаждающего воздуха покидает элемент системы охлаждения через расположенные под углом к оси жаровой трубы выходные отверстия 9 прямолинейного участка 6. При этом возникает воздушная пленка, распространяющаяся в направлении движения потока продуктов сгорания вдоль нижней плоскости плитки 2, т.е. реализуется пленочное охлаждение. За счет торможения потока охлаждающего воздуха об общую стенку 3 плиток 1 и 2, а также малой разности температур между стенками параллельных прямолинейных участков 5 и 6 достигается равномерность охлаждения стенки основания корпуса, значительно снижаются локальные зоны высоких градиентов температур в местах торможения потока охлаждающего воздуха, что в результате повышает долговечность жаровой трубы. При этом часть воздуха через входное отверстие 11 проходит в дополнительный канал 10 патрубка 4 и через выходное отверстие 12 подается в камеру сгорания, обеспечивая при этом создание дополнительной охлаждающей пленки вдоль соответствующего торца плитки 2 за счет выполнения оси выходного отверстия 12 аналогично оси выходных отверстий 9 прямолинейного участка 6, т.е. под углом к оси жаровой трубы.
Кольцевую жаровую трубу собирают путем последовательного соединения элементов соответствующими боковыми гранями (см. фиг. 6).
Таким образом, выполнение прямолинейных участков U-образного канала в плитках, установленных в шахматном порядке и жестко связанных между собой по одному из ребер с образованием общей стенки и при помощи патрубка, жестко связанного с обращенными в одну сторону торцами плиток и включающего поворотный участок U-образного канала, выполненный по винтовой линии, сообщение входа и выхода поворотного участка с соответствующими входом и выходом прямолинейных участков обеспечивает повышение долговечности жаровой трубы за счет равномерности охлаждения стенки жаровой трубы, соприкасающейся с продуктами сгорания, и предотвращения образования зон с локально высоким градиентом температур.