СМЕСИТЕЛЬ ФОРСАЖНОЙ КАМЕРЫ ДВУХКОНТУРНОГО ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области авиационного двигателестроения, а именно к форсажным камерам двухконтурных турбореактивных двигателей.
Из уровня техники известно устройство по патенту SU 934739, выбранное в качестве аналога. Устройство предназначено для смешения потоков двухконтурного турбореактивного двигателя и содержит соединенный с разделителем контуров гофрированный смеситель, снабженный закрепленным на его выходном срезе стержнем жесткости и выполненными в боковых стенках вырезами, расположенными по всей длине смесителя. Недостатком аналога является то, что температура газа в зоне смешения и в периферийном (пристеночном) слое диффузора остается неизменной.
Из уровня техники известно устройство по патенту SU 1015706, выбранное в качестве аналога. Устройство представляет из себя лепестковый смеситель двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащий радиальные и окружные стенки, образующие чередующиеся по окружности диффузорные каналы для потоков наружного и внутреннего контуров, с выполненными в окружных стенках перепускными отверстиями и установленными в них дефлекторами, образующими с окружной стенкой щелевые каналы. Недостатком аналога является то, что температура газа в зоне смешения и в периферийном (пристеночном) слое диффузора остается также неизменной.
Из уровня техники известно устройство по патенту RU 2270354, выбранное в качестве наиболее близкого аналога (прототипа). Устройство представляет из себя смеситель форсажной камеры двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащий гофры, образующие чередующиеся каналы внутреннего и наружного контуров, выходные кромки которых наклонены к продольной оси смесителя под различными углами, а угол наклона каждой последующей кромки гофра отличается от предыдущего на угол в 4-90 градусов. Недостатком прототипа является то, что существенного снижения температуры газа в периферийном (пристеночном) слое диффузора не происходит.
Предлагаемое техническое решение заключается в улучшении охлаждения теплозащитного экрана форсажной камеры двухконтурного турбореактивного двигателя.
Сущность технического решения заключается в том, что смеситель форсажной камеры двухконтурного турбореактивного двигателя, содержит корпус, гофры которого образуют чередующиеся каналы наружного и внутреннего контуров. Плоскости срезов гофров смесителя наклонены к продольной оси смесителя. Со стороны каналов внутреннего контура периферийные участки гофров снабжены дефлекторами, образующими щелевые каналы, ориентированные выходными отверстиями к выходу смесителя. В периферийных участках гофров выполнены отверстия, соединяющие наружный контур с щелевыми каналами. Дефлекторы герметично закреплены на корпусе, при этом суммарная площадь поперечных сечений щелевых каналов на их выходе составляет 4-16 процентов суммарной площади срезов гофров смесителя, а площадь каждого из отверстий, выполненных в периферийных участках гофров на 10-90 процентов превышает площадь поперечного сечения щелевого канала на его выходе.
Сущность полезной модели поясняется следующими иллюстрациями:
На фиг. 1 - продольный разрез форсажной камеры;
На фиг. 2 - продольный разрез смесителя;
На фиг. 3 - сечение по отверстиям, выполненным в периферийных участках гофров;
На фиг. 4 - вид на наружную поверхность периферийных участков гофров с выполненными в них отверстиями.
Устройство смесителя форсажной камеры двухконтурного турбореактивного двигателя содержит корпус форсажной камеры 1, теплозащитный экран 2, топливные коллекторы с форсунками 3, стабилизаторы пламени 4, пламяперебрасывающие стойки 5, корпус 6, смеситель 8, периферийные участки гофров 9, каналы наружного контура 10, отверстия 11, дефлекторы 12, щелевые каналы 13, выходные отверстия 14, кольцо смесителя 15.
Форсажная камера двухконтурного турбореактивного двигателя содержит корпус форсажной камеры 1 с теплозащитным экраном 2 и смонтированные в полости экрана топливные коллекторы с форсунками 3, стабилизаторы пламени 4 и пламяперебрасывающие стойки 5. К корпусу форсажной камеры 1 пристыкован корпус 6, в котором смонтирован смеситель 8. На смесителе 8 выполнены обращенные к форсажной камере гофры, образующие чередующиеся каналы наружного 10 и внутреннего 7 контуров. Плоскости срезов гофров наклонены к продольной оси смесителя. При этом под плоскостью среза гофр следует понимать плоскость, ограниченную выходными кромками гофр и кольцом смесителя 15. Со стороны каналов внутреннего контура периферийные участки гофров 9 снабжены дефлекторами 12, образующими щелевые каналы 13, ориентированные выходными отверстиями к выходу смесителя. В периферийных участках гофров 9 выполнены отверстия 11, соединяющие наружный контур с щелевыми каналами 13. Щелевые каналы 13 ориентированы выходными отверстиями 14 к выходу смесителя.
Выполнение отверстий 11 в периферийных участках гофров 9 позволяет создать дополнительную (третью) зону смешения холодного воздуха наружного контура с горячим затурбинным газом внутреннего контура (первая зона смешения образуется на выходе из смесителя за счет чередования каналов внутреннего и наружного контура, вторая - за счет наклона плоскостей срезов гофров к продольной оси смесителя). Однако, без дефлекторов, расположенных со стороны каналов внутреннего контура на периферийных участков гофров, и образующих с гофрами щелевые каналы, воздух наружного контура через отверстия практически не поступает (это установлено экспериментально). Таким образом, введение в конструкцию смесителя указанных отверстий с дефлекторами, герметично закрепленными на корпусе, позволяет увеличить приток холодного воздуха в зону смешения. Под дефлекторами понимаются приспособления для изменения направления потока воздуха, выполненные, например, в виде вставок, герметично установленных со стороны каналов внутреннего контура в периферийных участках гофров.
Суммарная площадь поперечных сечений щелевых каналов на их выходе предпочтительно составляет 4-16 процентов суммарной площади срезов гофров смесителя. При выполнении щелевых каналов, суммарная площадь поперечных сечений которых на их выходе будет меньше 4 процентов, дополнительный поток воздуха наружного контура будет незначительным и снижение температуры на входе в канал, образованный корпусом двигателя и теплозащитными экранами, будет несущественным. Выполнение щелевых каналов, суммарная площадь поперечных сечений которых на выходе, будет превышать 16 процентов, снизит температуру в зоне смешения, что, в свою очередь, снизит полноту сгорания топлива в форсажной камере (поскольку при этом уменьшается скорость испарения, увеличивается время задержки воспламенения топлива, замедляется реакция горения и уменьшается скорость распространения фронта пламени).
Щелевой канал должен обеспечивать приток воздуха и, вместе с тем, площадь его поперечного сечения на выходе должна быть меньше площади отверстия, выполненного в периферийном участке гофра со стороны канала наружного контура. Это условие необходимо для обеспечения тока воздуха из наружного контура во внутренний контур, и поэтому площадь каждого из отверстий, выполненных в периферийных участках гофров на 10-90 процентов превышает площадь поперечного сечения щелевого канала на его выходе. Выполнение отверстий, размеры которых превышают указанные, не целесообразно ввиду ослабления стенок корпуса смесителя.
Дефлекторы могут быть закреплены на корпусе смесителя, например, посредством сварки, а смеситель может быть снабжен средствами регулировки площади поперечного сечения выходных отверстий щелевых каналов для настройки необходимого параметра в рамках указанных выше условий.
В целях минимизации ослабления конструкции смесителя с выполненными в периферийных участках гофров отверстиями, предпочтительно, чтобы данные отверстия имели форму прямоугольника со скругленными торцевыми сторонами и были ориентированы вдоль воздушного потока. Также предпочтительно, чтобы отверстия были расположены на расстоянии 1-3 ширин отверстия от кольца смесителя. Наличие отбортовок отверстий также целесообразно для увеличения прочности периферийных участков гофров.
В таблице 1 показана зависимость снижения температуры на входе в канал, образованный корпусом и теплозащитными экранами, от суммарной площади поперечных сечений щелевых каналов на их выходе на примере испытаний, проведенных на двигателе АЛ-31Ф.
Форсажная камера турбореактивного двухконтурного двигателя работает следующим образом.
Воздух наружного контура и газ внутреннего поступают в смеситель, где происходит смешение потоков и выравнивание их параметров по давлению, температуре и скорости. Далее, поток тормозится в расширяющемся канале, образованным кольцевым диффузором (на рисунках не показан). Снижение скорости потока позволяет создать на выходе из диффузора циркуляционные зоны, в которые из коллекторов с форсунками подается топливо. Образовавшаяся топливовоздушная смесь воспламеняется с помощью специальной системы розжига. Ориентация щелевых каналов выходными отверстиями в сторону выхода смесителя позволяет направить дополнительный поток воздуха наружного контура к стенкам диффузора, откуда часть относительно холодного воздуха (газа) из периферийного (пристеночного) слоя «забирается» в канал, образованный корпусом форсажной камеры и теплозащитными экранами. Это позволяет снизить температуру газа, поступающего в канал между корпусом форсажной камеры и теплозащитными экранами, и снизить вероятность подсоса горячего газа внутреннего контура в указанный канал. По данному каналу воздух далее поступает на охлаждение элементов проточной части регулируемого сопла. Следовательно, улучшение теплозащитного экрана достигается за счет снижения температуры газового потока в периферийном (пристеночном) слое диффузора форсажной камеры двухконтурного турбореактивного двигателя.