Жаровая труба камеры сгорания

Предлагаемая полезная модель относится к области турбомашиностроения, в частности двигателестроения, и может найти применение в конструкциях жаровых труб кольцевых камер сгорания.
В жаровых трубах современных газотурбинных двигателей максимальная температура газа превышает 2000К, что вызывает дефекты стенок связанные, в частности, с малоцикловой усталости материала стенок. Хорошо известны причины, ее вызывающие. Для повышения сопротивления усталости материала необходимо: 1) уменьшить градиенты температуры на стенке жаровой трубы; 2) снизить максимальную температуру стенки жаровой трубы; 3) обеспечить возможность теплового расширения элементов конструкции жаровой трубы.
Известна жаровая труба камеры сгорания, содержащая первичную зону и вторичную зону, при этом каждая зона содержит системы охлаждений, выполненные в виде отверстий, так же первичная зона и вторичная зона содержат наружную стенку и внутреннею стенку, закрепленные друг относительно друга с помощью крепежных элементов (Патент США US 2017159936 от 25.03.2016, опубл. 08.06.2017, МПК F02C 7/18; F23R 3/00)
Данная конструкция жаровой трубы, представляющая собой двустенную конструкцию, позволяет обеспечить возможность теплового расширения конструктивных деталей внутренних стенок без возникновения в них напряжений и малоцикловой усталости, а воздух, идущий на охлаждение стенок, используется с высокой степенью эффективности.
Недостатком данной конструкции является увеличенная масса конструкции жаровой трубы, связанная с тем, что обе зоны (первичная и вторичная) жаровой трубы состоят из наружной и внутренней стенок. Данное увеличение массы является существенным недостатком для жаровых труб, и, следовательно, для камер сгорания авиационных ГТД. Кроме того, увеличивается количество деталей в жаровой трубе, трудоемкость ее изготовления и сборки, связанные с точностью изготовления деталей и их взаимного прилегания.
Наиболее близкой является жаровая труба камеры сгорания, содержащая оболочку, в которой имеется первичная зона, расположенная вблизи фронтового устройства камеры сгорания, и вторичная зона, расположенная за первичной зоной, причем оболочка в первичной зоне выполнена в виде точеных секций с козырьками и охлаждающими отверстиями (Н.Н. Сиротин, А.С. Новиков, А.Г. Пайкин, А.Н. Сиротин, Основы конструирования производства и эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей и энергетических установок в системе CALS технологий, М.: Наука, 2011 г., стр. 403 рис. 9.6).
Недостатком известной конструкции, представляющую собой одностенную оболочку, является то, что такая жаровая труба эффективна при температуре газа не выше 1500К. При больших значениях температуры газа для охлаждения материала стенок до рабочих температур (~900°С) потребуется более интенсивное пленочное охлаждение со значительным увеличением воздуха, идущего на охлаждение стенок. Также потребуется уменьшение длины точеных секций с увеличением их количества и, соответственно, массы стенок. Кроме того, увеличение общей доли охлаждающего воздуха может оказаться неприемлемым из-за того, что часть воздуха, предназначавшегося для вторичной зоны, пойдет на пристеночную завесу. Эти факторы делают данную конструкцию жаровой трубы в зоне экстремальных температур газа неэффективной.
1
2
1
2
Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является обеспечение работоспособности и ресурса жаровой трубы при повышении технологичности ее изготовления, связанное с оптимизацией системы охлаждения для получения равномерного температурного состояния стенок, а также снижение количества элементов и массы жаровой трубы по сравнению с двустенными жаровыми трубами благодаря тому, что каждая стенка жаровой трубы в первичной зоне выполнена одностенной в виде тонкостенных цилиндрических секций, во вторичной зоне - двустенной в виде внешней обечайки, являющейся продолжением оболочки первичной зоны, и внутренних сегментов, образующих внутреннюю стенку, закрепленных на внутренней поверхности внешней обечайки, и соотношение длины первичной зоны L к длине вторичной зоны L должно быть равно 0,5…1,5: L/L = 0,5 … 1,5.
1
2
1
2
Технический результат достигается тем, что жаровая труба камеры сгорания, содержащая оболочку, в которой имеется первичная зона, расположенная вблизи фронтового устройства камеры сгорания, и вторичная зона, расположенная за первичной зоной, причем оболочка в первичной зоне выполнена в виде тонкостенных цилиндрических точеных секций с козырьками и охлаждающими отверстиями, в отличие от известной оболочка во вторичной зоне выполнена в виде внешней обечайки, на внутренней поверхности которой с помощью крепежных элементов установлены внутренние сегменты с охлаждающими отверстиями, образующие внутреннюю стенку, при этом соотношение длины первичной зоны L к длине вторичной зоны L должно быть равно 0,5…1,5: L/L = 0,5 … 1,5.
На фигуре показана конструкция предлагаемой жаровой трубы камеры сгорания.
Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит корпус 1 с закрепленной на нем форсункой 2 и жаровой трубой 3.
Непосредственно жаровая труба 3 содержит оболочку 4, в которой имеются первичная зона 5 и вторичная зона 6.
Первичная зона 5 расположена вблизи фронтового устройства 7 камеры сгорания. Вторичная зона 6 расположена за первичной зоной 5 оболочки 4.
Оболочка 4 в первичной зоне 5 выполнена в виде тонкостенных цилиндрических точеных секций 8 с козырьками 9 и охлаждающими отверстиями 10.
Оболочка 4 во вторичной зоне 6 выполнена в виде внешней обечайки 11 с отверстиями для воздуха, на внутренней поверхности которой с помощью крепежных элементов 12 установлены внутренние сегменты 13 с отверстиями 14 для выхода охлаждающего воздуха.
Крепежными элементами 12 могут являться заклепки, либо самоконтрящимися гайки на резьбовых бобышках сегментов.
Внутренние сегменты образуют внутреннюю стенку оболочки 4.
Количество и размеры секций 8 в первичной зоне 5 жаровой трубы 3 и сегментов 13 во вторичной зоне 6 определяется в зависимости от параметров камеры сгорания и габаритов жаровой трубы 3.
Тонкостенные цилиндрические точеные секции 8 первичной зоны 5 и внешняя обечайка 11 вторичной зоны 6 выполнены единой деталью, представляющей собой оболочку 4 жаровой трубы 3.
В первичной зоне 4 жаровой трубы 3 температура переобогощенной топливо-воздушной смеси является незначительной. Максимальное значение температуры газа достигается с дальнейшей подачей воздуха в начале вторичной зоны 6. Омывающий поток холодного воздуха имеет наибольшие скорости и давление. Поэтому возможно изготовление жаровой трубы 3 в первичной зоне 5 только в виде тонкостенных цилиндрических точеных секций 8 с козырьками 9. В результате, можно снизить массу жаровой трубы 3 примерно на 20-30%, а так же уменьшить количество деталей и трудоемкость изготовления, сборки и ремонта.
Во вторичной зоне 6 состав топливо-воздушной смеси изменяется от переобогащенного до оптимального. Причем в конце камеры сгорания эффективность конвективно-пленочного охлаждения за счет использования охлаждающего ресурса воздуха существенно снижается из-за падения скоростей омывающего воздуха и, наоборот, повышения скорости и температуры газа в жаровой трубе 3. Поэтому, на выходном участке жаровой трубы 3 необходимо использовать более эффективную конструкцию, а именно оболочку 4 во вторичной зоне 6 выполнить в виде внешней обечайки, внутрь которой устанавливаются внутренние сегменты 13, образующие внутреннюю стенку.
1
2
1
2
Соотношение длины первичной зоны 5 L к длине вторичной зоны 6 L должно быть равно 0,5…1,5: L/L = 0,5 … 1,5, что обеспечивает эффективное охлаждение и равномерное температурное состояние стенок жаровой трубы и, следовательно, повышает эффективность работы и надежность жаровой трубы 3 и камеры сгорания в целом.
1
2
1
2
Если соотношение длины первичной зоны 5 L к длине вторичной зоны 6 L будет меньше 0,5: L/L < 0,5, то вторичная зона жаровой трубы 3 имеет избыточную длину, и, следовательно, увеличенную массу жаровой трубы 3 и более сложную конструкцию, в результате чего может снизиться надежность работы (фактор увеличения количества элементов), а так же повышается трудоемкость изготовления и ремонта.
1
2
1
2
Если соотношение длины первичной зоны 5 L к длине вторичной зоны 6 L будет больше 1,5: L/L > 1,5, то вторичная зона 6 жаровой трубы 3 имеет малую длину, по сравнению с первичной зоной 5, следовательно, максимальная температура газа будет в первичной зоне 5. При этом первичная зона 5 имеет менее эффективную систему охлаждения по сравнению со вторичной зоной 6, следовательно возможен перегрев элементов конструкции жаровой трубы 3 в первичной зоне 5, что снижает надежность и ресурс жаровой трубы 3.
Применение разной конструкции оболочки 4 жаровой трубы 3 в зависимости от зон, а именно в первичной зоне 5 - в виде тонкостенных цилиндрических точеных секций 8 с козырьками 9 и охлаждающими отверстиями 10, а во вторичной зоне 6 - в виде внешней обечайки 11, внутрь которой с помощью крепежных элементов 12 устанавливаются внутренние сегменты 13 с охлаждающими отверстиями 14, позволяет обеспечить условие равномерной рабочей температуры материала стенок жаровой трубы 3 и оптимизировать количество ее конструктивных элементов, тем самым снижая массу.
Жаровая труба 3 работает следующим образом.
Воздух в первичную зону 5 подводится из компрессора через фронтовое устройство 7 и первый ряд основных отверстий в стенках жаровой трубы 3, где смешивается с топливом из форсунки 2. В первичной зоне 5 происходит розжиг и горение богатой топливо-воздушной смеси, конвективно-пленочное охлаждение стенок оболочки 4 обеспечивается потоком воздуха снаружи и заградительной пеленой из-под козырьков 9 секций 8 жаровой трубы 3. Далее дополнительно разбавленный воздухом газ попадает во вторичную зону 6, где температура газа достигает максимальных значений. Здесь реализована более эффективная система охлаждения с двойными стенками (внешняя обечайка 11 и внутренние сегменты 13) и возможностью теплового расширения сегментов 13 без возникновения в них напряжений и малоцикловой усталости. Во внутреннюю полость каждого сегмента 13 через отверстия во внешней обечайке 11 поступает охлаждающий воздух, который затем через отверстия в сегментах 13 подмешивается к потоку газа в жаровой трубе 3.
Таким образом, температурное состояние стенок жаровой трубы 3 данной конструкции обеспечит необходимую надежность и ресурс камеры сгорания без избыточного увеличения количества ее элементов и массы.
1
2
1
2
Благодаря тому, что жаровая труба камеры сгорания содержит обечайку, в которой имеется первичная зона, расположенная вблизи фронтового устройства камеры сгорания, и вторичная зона, расположенная за первичной зоной, причем обечайка в первичной зоне выполнена в виде тонкостенных цилиндрических точеных секций с козырьками и охлаждающими отверстиями, в отличие от известной, обечайка во вторичной зоне выполнена в виде внешней оболочки, на внутренней поверхности которой с помощью крепежных элементов установлены внутренние сегменты с охлаждающими отверстиями, образующие внутреннюю стенку, при этом соотношение длины первичной зоны L к длине вторичной зоны L должно быть равно 0,5…1,5: L/L = 0,5 … 1,5, обеспечиваются надежность и ресурс жаровой трубы за счет достаточной эффективности охлаждения стенок жаровой трубы, а также снижение массы и повышение технологичности изготовления жаровой трубы.