ВХОДНОЕ ДИФФУЗОРНОЕ УСТРОЙСТВО КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Заявляемое техническое решение относится к газотурбинным двигателям, особенно к их камерам сгорания, в частности, к таковым, где на выходе за компрессором необходима определенная оптимизация параметров подаваемого воздуха, в частности, за счет диффузора, подводящего воздух от компрессора и далее на вход внутрь и вокруг жаровой трубы камеры сгорания.
К таким устройствам, в частности, относится известный ряд комбинированных диффузоров с зонами плавного и внезапного расширения, присущих камерам сгорания современных авиационных газотурбинных двигателей, где в зоне выхода из компрессора обеспечивается плавное безотрывное предварительное торможение потока воздуха с минимальными потерями давления. Далее, перед воздухозаборником жаровой трубы, следует зона внезапного расширения, с обеспечением снижения скорости потока. При этом, значительная часть воздуха направляется как в наружный, так и во внутренний кольцевые каналы камеры сгорания.
Третья зона - полость воздухозаборника, получает остальную часть воздуха через отверстия в его стенках и кольцевой зазор. Давление в этой зоне, как негерметичной, мало чем отличается от давления в окружающих ее кольцевых полостях.
Такой диффузор у выхода из компрессора на входе в жаровую трубу дан в техническом решении фирмы General Electric, патент US №7007481, кл. US 60/752, аналоги EP №1515090, кл. МКИ F23R 3/42, 3/08, F02C 7/18, №№2005098687).
На выходе из диффузора здесь обеспечено обтекание изнутри поверхности корпуса камеры сгорания и, одновременно, по наружной поверхности жаровой трубы, с перетеканием воздуха внутрь последней через отверстия и кольцевые щели.
Решение компактно, но конструктивно сложно и не позволяет избежать увеличения суммарных потерь полного давления воздуха на выходе диффузора, что может вызвать дополнительный расход горючего.
Диффузорное устройство кольцевой камеры сгорания за направляющим аппаратом компрессора газотурбинного двигателя на входе в камеру сгорания, известно из патентов US фирмы United Technologies №№7827799, 7874158, кл. US 60/751.
В полости диффузора, на его выходе встроены разделители потоков аэродинамической формы с дополнительной функцией направления при обтекании жаровой трубы снаружи наряду с сепарацией возможных загрязнений. Однако в этом устройстве недостаточно раскрыто обеспечение воздухом топливной смеси для горения форсунки.
Следует отметить семейство патентов фирмы SNECMA, защищающих несколько тесно связанных технических решений, касающихся узла камеры сгорания газотурбинного двигателя и ее подузлов, в том числе, диффузора.
Это патенты Франции №№2880391, 2881813, 2901349, классы МПК F23R 3/00, F23R 3/04, F23R 3/40, F23R 3/40, F23R 3/42. Сюда же относится патент РФ №2365821, классы МПК F23R 3/04, F01D 9/04.
В каждом из этих технических решений за выходным направляющим аппаратом компрессора размещен кольцевой диффузор. Последний своей внешней оболочкой вместе с направляющим аппаратом закреплен кольцевой стенкой 14 на внешней части корпуса турбины, переходящей в наружную часть корпуса камеры сгорания. Внутренняя оболочка диффузора связана также с внутренней частью 12 корпуса камеры сгорания.
Сам кольцевой канал диффузора включает тонколистовую внутреннюю вставку, разделяющую его на концентричные кольцевые каналы - наружный и внутренний.
Этим за компрессором формируются потоки воздуха, предназначенные обтекать оболочки жаровой трубы, один из них - наружную, а другой - внутреннюю.
Следует отметить, что решение достаточно эффективно, но усложнено.
А. Лефевр в труде «Процессы в камерах сгорания ГТД», М., «Мир», 1986 г, стр. 118, рис. 3.23-3.25 дает схематично возможные решения кольцевых комбинированных диффузоров. Так в схеме рис. 3.24 для потока из компрессора выделен канал 1 диффузора, а также отвод части потока вокруг диффузора и далее, в полость успокоения (она же полость воздухозаборника), а за ней - к фронтовому устройству жаровой трубы и вокруг последней.
Тем самым жаровая труба одновременно обтекается воздухом из кольцевых каналов, как из-за компрессора, так и из диффузорной полости успокоения. В схеме рис. 3.25 диффузор смещен ко входу в жаровую трубу с ее обтеканием по наружной и передней оболочкам, наряду с возможнвми завихрениями.
Эти известные схемы могут быть отнесены к заявляемому устройству, но не содержат конкретных конструктивных технических решений. Отмечено, что диффузоры в таких схемах, в отличие от укороченных с резким расширением, снижают потери давления, упрощают конструкцию и снижают ее вес при достаточно высокой рабочей эффективности.
По своей идее упомянутое предложение Лефевра близко заявляемому, но схематично, поэтому прототипом выбрано детализированное техническое решение по патенту General Electric US №6843059, кл. US 60/751 (Фиг. 6…9) и его аналоги EP №1426688, кл. МПК F23R 3/10, JP №200417 0064, кл. МПК F23R 3/26).
В этом устройстве перед жаровой трубой кольцевой камеры сгорания ГТД неразрывным продолжением кольцевых оболочек 31, 32 направляющего аппарата 42 компрессора являются кольцевые оболочки - наружная 38 и внуренняя 40.
Проверочные газодинамические расчеты показали, что поток воздуха на выходе направляющего аппарата 42 компрессора приобретает свойства диффузорного.
Канал 39, ограниченный оболочками 38, 40 - это зона плавного предваритеьного торможения, т.е. преддифузор. (Термин «преддиффузор» см. «Вестник МАИ», т. 16, №5, стр. 80, автор В.Н. Карасев и др. «Вопросы организации процессов в камере сгорания ПВРД», а также "pre-diffuser" позиция 40 в патенте US №7181914, кл. US 60/751). Здесь преддиффузор частично тороидальной формы плавно расширен к выходу, концевыми оболочками 240 ограничивая диффузорный канал 39 в корпусе камеры сгорания. Этим формируются раздельные обратные потоки из отверстий 238 во внутренних и наружных стенках и от канала 39 под стенки обратно, в зону общего диффузорного потока 50.
Упомянутый канал 39 функционально является зоной расширения и снижения скорости потока. Здесь большая часть воздуха снова разделяется на потоки по поверхностям корпуса камеры сгорания и жаровой трубы и внутрь последней.
При этом поток 141 сначала проходит некоторое расстояние зоны расширения и направляется в общий во всех вариантах обтекатель 120 вокруг форсунок, и затем в полость жаровой трубы. На выходе из зоны расширения диффузорного канала 39, на расчетном расстоянии, предусмотрена полость с конфигурацией диффузорности и со входом уже в оболочку корпуса камеры сгорания.
По своей сути это полость полного расширения, переходящая в полость корпуса камеры сгорания на входе в тороидальную полость воздухозаборника. Последний окружает радиальную стенку жаровой трубы с форсунками, обеспечивая подачу к ним воздуха через окружные направляющие для поддержания горения.
Описанное в патенте US №7181914, кл. US 60/751 устройство входного диффузора камеры сгорания оценено как функционально эффективное, а его техническое решение, несмотря на некоторую конструктивную сложность, может быть принято как прототип заявляемого диффузорного устройства камеры сгорания газотурбинного двигателя. Причем в известном устройстве зона 39 между стенками 38 и 40 - это зона преддиффузора с малым углом расширения и безотрывным потоком.
Перед авторами стояла задача создать входное диффузорное устройство для кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя с получением совокупного технического результата, а именно:
- обеспечение стабильного течения воздуха на всех участках необходимого торможения потока в камеру сгорания газотурбинного двигателя при оптимальном распределении воздуха по каналам его подачи в узел камеры сгорания, в частности, внутрь жаровой трубы и вокруг последней,
-- при поддержании равномерного поступления воздуха в воздухозаборник для его подвода к фронтовому устройству жаровой трубы с минимальными потерями давления и минимальной неравномерностью потока из воздухозаборника,
--- с обеспечением надежной установки и крепления частей заявляемого узла при взаимном размещении за компрессором и далее ко входу в жаровую трубу;
---- наряду с конструктивным упрощением технического решения.
Поставленная задача решается следующим образом, а именно:
В известном входном диффузорном устройстве кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, расположенном за выходным направляющим аппаратом компрессора, перед жаровой трубой, последовательно размещены:
преддиффузор плавного расширения, и далее диффузор, взаимосвязанный с обтекателем воздухозаборника. Между ними образована полость расширения, причем наружная и внутренняя оболочки обтекателя взаимосвязаны с оболочками фронтового устройства жаровой трубы в местах установки форсунок.
Чтобы решить поставленную выше комплексную задачу, в известном входном диффузорном устройстве произведены усовершенствования, а именно:
Упомянутый преддифузор на его выходе взаимосвязан своей наружной оболочкой с наружной оболочкой обтекателя воздухозаборника. Перед последним и за выходом из преддиффузора, образована полость расширения рабочего тела. На выходе этой полости и на входе в воздухозаборник обеспечивается разделение потока. Далее на входе внутрь обтекателя встроен диффузор плавного расширения. При этом преддифузор на выходе своей наружной оболочкой взаимосвязан с наружной оболочкой указанного обтекателя отдельными, в основном, продольными кронштейнами.
В наружной оболочке обтекателя воздухозаборника, в местах его взаимосвязи с указанными кронштейнами предусмотрены отверстия, куда введены концевые фланцы кронштейнов также с отверстиями, соосными с отверстиями в корпусе камеры сгорания и обтекателя.
В указанные соосные отверстия введены полые оболочки защитных патрубков, внутри каждого из которых, в свою очередь, размещены форсунки подвода топлива внутрь жаровой трубы.
Заявляемое техническое решение показано на совокупных фигурах 1, 2 (1/2, 2/2) и фигуре 3, где представлен выделенный фрагмент взаимосвязанных внутренней и наружной оболочек воздухозаборника.
На выходе из компрессора газотурбинного двигателя размещен статорный узел лопаток компрессора, а именно, его выходной направляющий аппарат 1 (см. определение по ГОСТ 23851-79, п. 76), жестко связанный с корпусом 2 камеры сгорания.
1
За направляющим аппаратом 1, изнутри корпуса 2 камеры сгорания, присоединен кольцевой преддиффузор с внутренней диффузорной полостью 3, ограниченной его оболочками, наружной 4 и внутренней 5. Эта диффузорная полость 3 внутри упомянутых оболочек 4 и 5 - есть участок плавного расширения рабочего тела - воздуха. Полость 3 между оболочками 4 и 5 предусматривается как преддиффузор, ограниченный на его выходе общим торцем 6, условно, в виде среза. При этом внутренняя оболочка 5 продолжена далее внутренней оболочкой 7, соместно с коррпусом 2 камеры сгорания окружающими участок 8 полости внезапного расширения на расчетной длине L за указанным торцем 6 преддиффузора 3.
За участком 8 установлен воздухозаборник 9 с концентричными оболочками, наружной 10 и внутренней 11, которые, в свою очередь окружены снаружи и изнутри и плавно взаимосвязаны с концентричными оболочками - наружной 12 и внутренней 13.
2
Упомянутые оболочки 10, 11 воздухозаборника 9 внутри его полости образуют на расчетной длине его участок 14 плавного расширения. На его выходном торце 15, также в виде среза этого участка плавного расширения, и далее за ним, на расчетной длине L предусмотрен участок 16 внезапного расширения потока в направлении к воздушным каналам 17 вокруг форсунок 18 в переднюю стенку 19 фронтового устройства жаровой трубы 20 узла камеры сгорания.
К наружной оболочке 4 преддиффузора 3 жестко прикреплены продольные кронштейны 21, взаимосвязанные далее с наружной оболочкой 12 воздухозабоника 9.
В местах крепления кронштейнов 21 в оболочке 12 и заодно с каждым из них, выполнены фланцы 22 со сквозными отверстиями 23 внутрь полости 16 у ввода головок форсунок 18 в стенку 19 фронтового устройства жаровой трубы 20.
Отверстия 23 соосны с отверстиями 24 в корпусе 2 камеры сгорания, что обеспечивает ввод защитного патрубка 25 в каждую пару отверстий 23, 24. Через каждый патрубок 25 во фронтовом устройстве 19 жаровой трубы 20 введены головки 18 форсунок, окруженные указанными воздушными каналами 17 за участком внезапного расширения 16.
Возвращаясь к указанному ранее участку 8, так же внезапного расширения, следует отметить рациональность использования в таких местах окружных концентричных впадин 26, выполненных, как показано, в плоскости среза 6.
При этом к оболочке 4 преддиффузора и совместно с последней закреплен экран 27 поджатия части потока воздуха в направлении воздухозаборника 9 и частично жаровой трубы 20.
Заявляемое входное диффузорное устройство камеры сгорания газотурбинного двигателя работает следующим образом.
На выходе из компрессорного направляющего аппарата 1 поток воздуха поступает в полость 3 кольцевого преддиффузора, закрепленного в корпусе 2 камеры сгорания. В полости 3, ограниченной оболочками - наружной 4 и внутренней 5, с умеренной степенью диффузорности (≤1,6) происходит торможение потока воздуха. При этом участок торможения указанного преддиффузора обеспечивает безотрывное стабильное течение потока с минимальной неравномерностью и минимальными потерями полного давления воздуха.
Из полости преддиффузора 3 поток за срезом 6 облочек 4, 5 преддиффузора поступает в полость 8. При этом кольцевые впадины 26, выполненные в плоскости среза 6 на входе в полость 8, будучи открытыми в направлении и вокруг общего потока воздуха, создают за ними зоны циркуляции.
1
1
Благодаря этому обеспечивается стабильность потоков в процессе расширения водуха в полости 8 на расчетном расстоянии L на входе в воздухозаборник 9 и вокруг него. При этом оптимизируется образование топливной смеси в жаровой трубе, что, в свою очередь, стабилизирует работу фронтового устройства и ее других элементов, поскольку во время работы камеры сгорания образующиеся кольцевые потоки создают зоны рециркуляции, охватывающие центральный поток. А это придает стабильность упомянутому центральному потоку в процессе расширения воздуха в полости 8 на расчетном расстоянии L на входе в воздухозаборник 9.
За срезом 6 оболочек 4, 5 полости 3 преддиффузора, и из полости 8 поток воздуха, встречаясь с воздухозаборником 9, разделяется на три потока: A, B и C.
Поток С за полостью 8, обтекает внутреннюю оболочку 7 корпуса камеры сгорания и оболочку 13 воздухозаборника 9. Далее, поток С направляется в воздушный канал между продолжением оболочки 7 и поверхностью жаровой трубы 20, откуда воздух поступает, как на охлаждение стенок и организацию процесса горения в жаровой трубе, так и на нужды узла турбины (не показано).
При этом поток воздуха В направляется к воздухозаборнику 9 в его кольцевой диффузорный канал 14 плавного расширения. На выходе 15 из канала 14 воздухозаборника 9 воздух с умеренной степенью диффузорности (≤1,6) поступает в полость 16. Этим обеспечивается стабильное безотрывное течение потока В с минимальными потерями полного давления воздуха в канале 14.
2
В полости 16 за воздухозаборником 9 происходит дальнейшее снижение скорости потока и его выравнивание на расчетном расстояния L. Далее поток В направляется к фронтовому устройству 19 жаровой трубы 20 в каналы 17 вокруг форсунок 18 и затем, для поддержания горения, внутрь полости жаровой трубы 20.
В то же время поток A между оболочкой 12 воздухозаборника 9 и внутренней поверхностью экрана 27 направляется в кольцевой канал между корпусом 2 и стенкой жаровой трубы 20, откуда воздух поступает как на охлаждение стенок жаровой трубы 20, так и для участия в процессе горения, а также на нужды турбины.
За кольцевым диффузорным каналом 14 плавного расширения в полости 16 и на входе головок форсунок 18 во фронтовом устройстве 19 жаровой трубы 20 давление выше в сравнении с таковым в кольцевых каналах. При этом увеличивается и перепад давления воздуха при его поступлении через фронтовое устройство жаровой трубы.
Для снижения перетекания воздуха из полости 16 в наружный кольцевой канал у входа форсунок 18 отверстия в обтекателе 12 воздухозаборника 9 уплотнены защитными патрубками 25. При этом из полости 16 воздух через фронтовое устройства 19 поступает в полость жаровой трубы 20 для обеспечения горения топливо-воздушной смеси.
Определяющими в получении оптимальных характеристик работы камеры сгорания газотурбинного двигателя и, в частности, ее фронтового устройства, являются газодинамические параметры ее входного диффузорного устройства.
Исследования и испытания опытного образца предлагаемого входного диффузорного устройства камеры сгорания показали снижение потерь полного давления воздуха на участке от выхода из преддиффузора до входа во фронтовое устройство жаровой трубы с 2-х до 0,9%%. При этом суммарные потери полного давления на участке камеры сгорания снизились на величину 0,35% и, кроме того, обеспечено уменьшение чувствительности камеры сгорания, в частности, ее жаровой трубы, к изменениям давления, температуры и скорости по высоте канала за компрессором, а также повышении стабильности характеристик камеры сгорания.
Предлагаемое входное диффузорное устройство камеры сгорания в процессе работы позволило повысить эффективность и стабильность работы фронтового устройства жаровой трубы за счет уменьшения потерь давления на участке от выхода из-за компрессора до входа во фронтовое устройство, а, следовательно, и самой камеры сгорания, что обеспечивает в целом надежность работы самого газотурбинного двигателя.