Спосіб поліпшення запалювання в форсажному пристрої двоконтурного турбореактивного двигуна та форсажний пристрій для двоконтурного турбореактивного двигуна

1. Спосіб поліпшення запалювання в форсажному пристрої двоконтурного турбореактивного двигуна, до якого надходить "гарячий" центральний первинний потік (10), що виходить з турбіни турбореактивного двигуна, та "холодний" зовнішній вторинний потік (20), який відрізняє ться тим, що зона (34) запалювання форсажного пристрою розташована у вторинному потоці, що надходить до форсажного пристрою, так, що функція запалювання зберігається у вторинному потоці, причому елемент запалювання розташований у зоні запалювання, та частину первинного потоку (10) відбирають і локально вводять у зону (34) запалювання форсажного пристрою для підняття температури в цій зоні до значення, що перевищує значення температури вторинного потоку для сприяння за рахунок цього здійсненню запалювання. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що частину первинного потоку (10) інжектують у передню частину зони (34) запалювання. 3. Спосіб за п. 2, де запалювання здійснюють у зоні, обмеженій кільцем (28) стабілізації полум'я, який відрізняється тим, що частину первинного потоку (10) інжектують у зону (34) запалювання крізь отвори (46), передбачені у стінці кільця стабілізації полум'я. 4. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що частину вторинного потоку (20) подають у передню частину зони (34) запалювання, при цьому до задньої частини зони запалювання подають частину первинного потоку (10), яка змішується із вказаною 2 (19) 1 3 84848 4 вання крізь отвори (46), передбачені в указаному сегменті кільця. 10. Пристрій за п. 7 або 8, де стабілізатори полум'я мають кільце (28) стабілізації полум'я, що має поперечний переріз, по суті, швелерний, один із сегментів (28 d) якого межує із зоною (34) запалюван ня, який відрізняється тим, що подавальний канал (50) має кінець (52), який відкривається поблизу задньої внутрішньої крайки вказаного сегмента кільця для подання частини первинного потоку (10) у задню частину зони запалювання. Галузь техніки, до якої відноситься винахід Цей винахід відноситься до форсажних пристроїв двоконтурних турбореактивних двигунів та, більш конкретно, до поліпшення запалювання у таких пристроях. Рівень техніки Двоконтурні турбореактивні двигуни військових літаків у цей час обладнують форсажними пристроями. Такий пристрій має форсажну камеру (форсажний канал), до якої з турбореактивного двигуна надходять центральний первинний "гарячий" потік і зовнішній вторинний "холодний" потік та ви хідний отвір якої з'єднаний із соплом. Первинний і вторинний потоки виникають у результаті поділу на два потоки повного вхідного (що набігає) потоку турбореактивного двигуна. Первинний потік проходить крізь компресор високого тиску, камеру згоряння та турбіни високого тиску і низького тиску турбореактивного двигуна, після чого потрапляє до форсажного пристрою, розташованого у напрямку руху потоку за турбіною низького тиску. Вторинний потік протікає по периферії турбореактивного двигуна та використовується, зокрема, для охолодження деяких деталей. Форсажний пристрій має також засоби упорскування палива у зону розташування елементів стабілізації (стабілізаторів) полум'я та елемент запалювання (як правило, свічу), розташований у зоні запалювання форсажного пристрою. У режимі форсажу додаткове паливо упорскується та спалюється при взаємодії із киснем, що міститься в обох потоках. У результаті цього досягається збільшення реактивної тяги. Пілот повинен мати можливість провести запалювання форсажного пристрою в усіх фазах польоту і впродовж вкрай короткого часу. Проте на деяких етапах польоту, на яких тиск, створюваний вхідним потоком турбореактивного двигуна, малий, та, відповідно, тиск у форсажному пристрої також невеликий, ефективність запалювання може виявитись недостатньою. Таке становище несумісне з функціональними вимогами до літака. Розкриття винаходу Задача, на вирішення якої спрямований цей винахід, полягає у поліпшенні запалювання з метою забезпечення його спрацьовування навіть за несприятливих умов, зокрема, при низькому тиску у зоні запалювання форсажного пристрою. Згідно з одним із аспектів винаходу для вирішення поставленої задачі запропонований спосіб поліпшення запалювання у форсажному пристрої двоконтурного турбореактивного двигуна, до якого надходить "гарячий" центральний первинний потік, що ви ходить з турбіни турбореактивного двигуна, та "холодний" зовнішній вторинний потік. У фор сажному пристрої є зона запалювання, розташована у вторинному потоку, що надходить до форсажного пристрою. При цьому спосіб за винаходом характеризується тим, що частину первинного потоку відбирають і локально вводять у зону запалювання з метою доведення температури у цій зоні до значення, що перевищує значення температури вторинного потоку. Таке рішення сприяє здійсненню запалювання. Нагрів зони запалювання, розташованої у ділянці надходження вторинного потоку, за рахунок подання у цю зону частини первинного потоку забезпечує просте й ефективне вирішення задачі поліпшення запалювання з наступних причин. При завданій геометрії ефективність запалювання тісно пов'язана з аеродинамічними характеристиками течії у зоні запалювання, з характеристиками розпилювання палива, упорскуваного у зону запалювання (і, відповідно, з характеристиками суміші повітря з парами палива), та з енергією, що її виробляє елемент запалювання. Тому можливість поліпшення пов'язана зі зміною аеродинамічних характеристик течії, які залежать від швидкості потоку, тиску суміші повітря з парами палива та температури цієї суміші. Якщо швидкість руху потоку, що оточує зону запалювання, зменшується, час перебування паливної суміші у цій зоні збільшується, що поліпшує запалювання. Проте запалювання звичайно відбувається у зоні турбулентного протитоку, яка розташована за стабілізаторами полум'я. У цій зоні, в якій швидкість течії нижче, ніж на інших ділянках потоку, важко точно виміряти швидкість і турбулентність потоку без проведення надзвичайно складних і дорогих обчислень. Крім того, можуть виникати нестійкі явища. Окрім цього, послідовність операцій запалювання включає різке відкривання сопла, що супроводжується тимчасовою зміною термодинамічних умов у турбореактивному двигуні, яка впливає на течію за стабілізаторами полум'я. Таким чином, ефективне контролювання локальної динаміки у зоні запалювання на практиці ускладнене. Підвищення тиску паливної суміші позитивно впливає на ефективність запалювання. Між тим, тиск у зоні запалювання прямо залежить від характеристик компресора високого тиску і не може бути збільшений понад граничне значення, якого необхідно дотримуватись для збереження мінімального запасу можливостей компресора. Крім того, оскільки тиски первинного і вторинного потоків, що надходять до форсажного пристрою, є приблизно рівними, не існує іншого джерела високого тиску, окрім первинного потоку. 5 84848 Підвищення температури паливної суміші також позитивно впливає на ефективність запалювання. Проте, на відміну від описаної вище ситуації з тиском, на вході форсажного пристрою є два джерела різних температур. Зона запалювання може бути розміщена у ділянці надходження гарячого первинного потоку. Але в цьому разі виникає необхідність охолодження елемента запалювання, для якого потрібна особлива локальна архітектура, що забезпечує можливість вентиляції елемента запалювання частиною вторинного потоку без порушення аеродинамічних характеристик у зоні запалювання. Спосіб за винаходом, який передбачає розміщення зони запалювання у ділянці надходження вторинного потоку та локальне нагрівання зони запалювання завдяки підведенню частини первинного потоку, має, таким чином, такі переваги: - підвищення ефективності запалювання на всіх етапах польоту завдяки підвищенню температури паливної суміші, - збереження функції запалювання у вторинному потоку, що звільняє від необхідності забезпечення додаткових засобів охолодження елемента запалювання без скорочення строку його служби, - компенсацію дефіциту тиску на тих етапах польоту, на яких тиск є низьким, що дозволяє збільшити ефективність запалювання до рівня, що відповідає експлуатаційним вимогам турбореактивного двигуна. Відповідно до одного з варіантів здійснення винаходу частин у первинного потоку інжектують у передню частину зони запалювання. Оскільки запалювання здійснюється у зоні, що межує з кільцем стабілізації полум'я, частина первинного потоку може бути введена у зону запалювання крізь отвори, передбачені у стінці кільця стабілізації полум'я. Згідно з іншим варіантом здійснення способу за винаходом частину вторинного потоку вводять у передню частину зони запалювання, а частину первинного потоку вводять у задню частину зони запалювання і змішують із зазначеною частиною вторинного потоку у зоні запалювання під впливом протитоку. Оскільки запалювання здійснюється у зоні, що межує з оточуючим її кільцем стабілізації полум'я, що має поперечний переріз, по суті, у формі літери С (тобто таким, що утворює канал), частина первинного потоку може бути подана у ділянку, близьку до внутрішньої задньої крайки кільця стабілізації полум'я. Температуру вторинного потоку, що надходить до зони запалювання, краще збільшують принаймні на 40°С. Згідно з іншим аспектом винаходу для вирішення поставленої задачі запропонований форсажний пристрій для двоконтурного турбореактивного двигуна, який має форсажну камеру, розташовану за турбореактивним двигуном так, що до неї надходить "гарячий" центральний первинний потік і "холодний" зовнішній вторинний потік, що виходять з турбореактивного двигуна і проходять по різні боки розділювальної стінки. Форсажний пристрій за винаходом має також за 6 соби упорскування палива, стабілізатори полум'я та елемент запалювання, розташований у зоні запалювання у ділянці циркуляції вторинного потоку, що надходить до форсажного пристрою. Згідно з винаходом у цьому пристрої передбачений принаймні один подавальний канал для введення частини первинного потоку у зону запалювання. Подавальний канал в оптимальному варіанті має один кінець, з'єднаний із внутрішньою поверхнею розділювальної стінки навкруг отвору, передбаченого у цій стінці, для відбирання вказаної частини первинного потоку. Якщо стабілізатори полум'я мають кільце стабілізації полум'я, один із сегментів якого межує із зоною запалювання, то другий кінець подавального каналу з'єднаний із передньою крайкою вказаного сегменту кільця і сполучається із передньою частиною зони запалювання крізь отвори, передбачені у вказаному сегменті кільця. Згідно з іншим варіантом здійснення винаходу, за наявності кільця стабілізації полум'я, що має поперечний переріз, по суті, у формі літери С, другий кінець подавального каналу відкривається поблизу задньої внутрішньої крайки вказаного сегмента кільця для подання частини первинного потоку до задньої частини зони запалювання. Короткий опис креслень Цей винахід буде більш зрозумілим з нижчеподаного опису, наведеного із посиланнями на креслення, що додаються, які ілюструють винахід, не накладаючи будь-яких обмежень. На кресленнях: - Фіг.1 вкрай схематично зображує у частковому розрізі частину задньої (позатурбінної) частини турбореактивного двигуна, обладнаного форсажним пристроєм; - Фіг.2 зображує у збільшеному масштабі деякі деталі зони запалювання форсажного пристрою за Фіг.1, виконаного відповідно до першого варіанту здійснення винаходу; - Фіг.3 являє собою перспективне зображення частини вузла за Фіг.2 на ви гляді у напрямку руху потоку; - Фіг.4 зображує у збільшеному масштабі деякі деталі зони запалювання форсажного пристрою за Фіг.1, виконаного відповідно до другого варіанту здійснення винаходу; - Фіг.5 являє собою перспективне зображення частини вузла за Фіг.4 на вигляді у напрямку, зустрічному відносно напрямку р уху потоку. Здійснення винаходу Розглянемо спочатку Фіг.1, на якій зображена частина зони запалювання форсажного пристрою для двоконтурного турбореактивного двигуна. Як це добре відомо, у двоконтурному турбореактивному двигуні потік повітря, який входить у турбореактивний двигун і стиснений вентилятором, розділяється на первинний, центральний потік і вторинний, зовнішній потік, які течуть в осьовому напрямку. Первинний потік проходить крізь компресор високого тиску, надходить до камери згоряння турбореактивного двигуна, а потім проходить крізь турбіну високого тиску і турбіну низького тиску. 7 84848 Вторинний потік проходить по зовнішньому контур у і використовується, зокрема, для охолодження елементів турбореактивного двигуна. Після турбіни високого тиску (терміни "перед" і "після", а також "передній" і "задній" характеризують положення відносно напрямку течії потоків у турбореактивному двигуні) "гарячий" первинний потік 10 потрапляє до дифузора 12, обмеженого із внутрішнього боку конусом 14, а із зовнішнього боку - розділювальною стінкою 16. "Холодний" вторинний потік 20 протікає у просторі, розташованому між розділювальною стінкою 16 і зовнішньою стінкою 18. Первинний потік 10 і вторинний потік 20, що виходять з турбореактивного двигуна, потрапляють до форсажного пристрою, який має форсажну камеру 22, обмежену зовнішньою стінкою 24 і з'єднану з дифузором 12, та змішуються у ній. Форсажний пристрій має засоби стабілізації (стабілізатори) полум'я, утворені радіальними лопатями 26, прикріпленими до зовнішньої стінки 18, та кільцем 28, прикріпленим до задніх крайок 26b лопатей 26. Кільце 28 стабілізації полум'я має поперечний переріз, по суті, у формі літери С. При цьому вершина 28а кільця утворює його передню крайку та продовжується внутрішньою ділянкою 28 b і зовнішньою ділянкою 28с. Канал 30, розташований у ділянці течії вторинного потоку, дозволяє подавати паливо до кругового розподільника 32, розташованого всередині кільця 28 стабілізації полум'я. Запалювання здійснюється у зоні 34 запалювання форсажного пристрою, що межує із частиною кільця 28 стабілізації полум'я, в якій розташований елемент запалювання (свіча) 36. Один кінець свічі 36 перетинає зовнішню ділянку 28с кільця 28 та утворює іскру у зоні 34 запалювання, розташованій у зоні протитоку за кільцем 28. Зона 34 запалювання розташована у ділянці течії вторинного потоку 20 у форсажному пристрої, причому кільце 28 прикріплене до лопатей 26 поблизу їх зовнішніх кінців. У результаті свіча 36 омивається, в основному, вторинним потоком 20. Відповідно до винаходу передбачені засоби уведення до зони запалювання форсажного пристрою частини "гарячого" первинного потоку. Ця частина первинного потоку відбирається з дифузора 12 перед його кінцем, з'єднаним із форсажною камерою 22, та вводиться локально й виключно у зону, в якій здійснюється запалювання. Згідно з першим варіантом здійснення (Фіг.2 і 3) канал 40 має перший кінець, з'єднаний з дифузором 12 крізь отвір 42, утворений у розділювальній стінці 16, та другий кінець, що утворює камеру 44 подання первинного потоку до зони 34 запалювання. Для цього канал 40 з'єднаний із зовнішньою стінкою кільця 28 стабілізації полум'я на протягу сегмента 28d кільця 28, який межує із зоною запалювання. Камера 44 подання сполучається із передньою частиною зоною 34 запалювання крізь отвори 46, передбачені у стінці сегмента 28d кільця. Частина вторинного потоку 20 надходить із внутрішнього боку кільця 28 стабілізації полум'я, 8 проходячи крізь отвори 48, передбачені у передній крайці 28а кільця за межами сегмента 28d. Крім того, частина вторинного потоку, що протікає вздовж зовнішніх поверхонь ділянок 28b, 28с кільця, також може надходити всередину кільця 28 під дією протитоку, що виникає поблизу задніх крайок ділянок 28b, 28с. Рухи протитоку, що виникають всередині кільця 28, викликають у зоні 34 запалювання змішування "гарячого" первинного потоку й "холодного" вторинного потоку. Таким чином, температура у зоні запалювання піднімається до значення, що є проміжним між температурами первинного і вторинного потоків. Порівняно із конструкцією, в якій запалювання здійснюється тільки у вторинному потоці, підвищення температури, викликане надходженням первинного потоку, дозволяє збільшити ефективність запалювання. Порівняно із конструкцією, в якій запалювання здійснюється тільки у первинному потоці, зникає необхідність використання спеціальних засобів для охолодження елемента 36 запалювання з метою запобігання його пошкодженню та збільшення строку його служби. Кількість і розміри отворів 46 визначають кількість повітря первинного потоку 10, інжектованого у зону запалювання. Цю кількість в оптимальному варіанті вибирають такою, щоб довести температуру у зоні запалювання перед запалюванням форсажного пристрою до значення, що перевищує температуру вторинного потоку принаймні на 40°С, а у кращому варіанті - принаймні на 60°С. Слід відзначити, що отвори 46 можуть бути передбачені у передній крайці 28а та прилеглих до неї частинах ділянок 28b, 28с сегмента 28d кільця 28, що дозволить викликати турбулентність, яка сприяє змішуванню палива з повітрям у зоні запалювання. Згідно з другим варіантом здійснення (Фіг.4 і 5) канал 50 має перший кінець, з'єднаний з дифузором 12 крізь отвір 52, утворений у розділювальній стінці 16, та другий кінець, що відкривається у напрямку руху потоку в районі внутрішньої ділянки 28b кільця 28 стабілізації полум'я, поблизу його сегмента 28d. Частина первинного потоку, що потрапила до каналу 50, проходить у задню частину зони 34 запалювання під впливом протитоку, що виникає поблизу задньої крайки ділянки 28b (див. стрілку 54 на Фіг.4). Вершина (тобто передня точка) 28а кільця стабілізації полум'я містить по всій своїй довжині, у тому числі, можливо, й у сегменті 28d, що межує із зоною 34 запалювання, отвори 48, так що до цієї зони надходить частина вторинного повітря, яка змішується із первинним повітрям, що надходить крізь канал 50. Як і в першому варіанті здійснення, кількість первинного повітря, що надходить до зони запалювання, вибирають такою, щоб підвищити температуру у зоні запалювання до значення, що перевищує температуру вторинного потоку принаймні на 40°С, а у кращому варіанті - принаймні на 60°С. 9 84848 Вищеописані варіанти здійснення показують, що до вже згаданих переваг винаходу додається низька вартість його промислового освоєння та виробництва, висока надійність, відсутність експлуатаційних витрат та зневажливо малий вплив 10 на загальні аеродинамічні характеристики форсажного пристрою, зокрема, пов'язані з простотою засобів, що дозволяють подавати частину первинного потоку до зони запалювання. 11 Комп’ютерна в ерстка Л.Литв иненко 84848 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601