Вхідний дифузний пристрій кільцевої камери згоряння газотурбінного двигуна

Реферат: Вхідний дифузний пристрій кільцевої камери згоряння газотурбінного двигуна розміщений у корпусі камери згоряння за напрямним апаратом компресора, з послідовно розміщеними перед жаровою трубою оболонками преддифузора плавного розширення і дифузором, взаємопов'язаним з обтічником повітрозабірника, між якими утворена порожнина розширення. Причому оболонки обтічника взаємопов'язані з оболонками фронтового пристрою жарової труби з форсунками, а згаданий преддифузор на виході взаємопов'язаний своєю зовнішньою оболонкою із зовнішньою оболонкою зазначеного обтічника повітрозбірника. На вході й усередину згаданого обтічника убудований дифузор плавного розширення, а на виході останнього також утворена порожнина раптового розширення робочого тіла перед згаданими форсунками у фронтовому пристрої жарової труби. UA 83105 U (12) UA 83105 U UA 83105 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до газотурбінних двигунів, особливо до їх камер згоряння і зокрема до кільцевих, де на виході з компресору забезпечена певна оптимізація параметрів повітря, яке подається, а саме за рахунок дифузора, що підводить повітря з компресора на вхід усередину і навколо жарової труби камери згоряння. До таких рішень зокрема належить відомий ряд комбінованих дифузорів із зонами плавного і раптового розширення, властивих камерам згоряння сучасних авіаційних газотурбінних двигунів, де в зоні виходу з компресора забезпечується плавне безвідривне попереднє гальмування потоку повітря з мінімальними втратами тиску. Далі перед повітрозабірником жарової труби слідує зона раптового розширення, де забезпечується зменшення швидкості потоку, і при цьому, значна частина повітря спрямовується й у зовнішній, і у внутрішній кільцеві канали камери згоряння. Третя зона, порожнина повітрозабірника, отримує іншу частину повітря через отвори в його стінках і через кільцевий зазор. Тиск в цій зоні, як негерметичній, мало чим відрізняється від тиску в оточуючих її кільцевих порожнинах. Дифузор за виходом з компресора на вході в жарову трубу, представлений в технічному рішенні фірми General Electric, патент US № 7 007 481, кл. US 60/752, аналоги ЕР № 1 515 090, кл. МКИ F23R 3/42, 3/08, F02C 7/18, JP № 2005 09 8687). На виході з дифузора забезпечено зсередини обтікання поверхні корпусу камери згоряння й, одночасно, по зовнішній поверхні жарової труби з перетіканням повітря всередину останньої через отвори та кільцеві щілини. Рішення компактне, раціональне, але конструктивно складне і не дозволяє уникнути збільшення сумарних втрат повного тиску повітря на виході з дифузора, що може викликати додаткові витрати пального. Дифузний пристрій кільцевої камери згоряння за спрямним апаратом компресора газотурбінного двигуна на вході в камеру згоряння, відомий з патентів US фірми United Technologies № 7 827 799 і № 7874158, кл. US 60/751. У порожнині дифузора і на його виході введені роздільники потоків аеродинамічної форми з додатковою функцією напрямку при обтіканні жарової труби зовні поряд з сепарацією можливих забруднень. Однак у цьому пристрої залишається недостатньо розкритим забезпечення повітрям паливної суміші для горіння форсунки. Слід зазначити сімейство патентів фірми SNECMA, що захищають кілька тісно пов'язаних технічних рішень, які стосуються вузла камери згоряння газотурбінного двигуна та її підсистем, в тому числі, дифузора. Це патенти Франції № 2 880 391, 2 881 813, 2 901 349 за класами МПК F23R 3/00, F23R 3/04, F23R 3/40, F23R 3/42, а також і патент Росії № 2 365 821 за класами МПК F23R 3/04, F01D 9/04. У сукупності кожного з цих технічних рішень за вихідним напрямним апаратом компресора також розміщений кільцевий дифузор. Останній своєю зовнішньою оболонкою разом з напрямним апаратом закріплений кільцевою стінкою на зовнішній частині корпусу турбіни, яка переходить у зовнішню частину корпусу камери згоряння. Внутрішня оболонка дифузора пов'язана з внутрішньою частиною корпусу кільцевої камери згоряння. Сам кільцевий канал дифузора включає тонколистову внутрішню вставку, що розподіляє останній на концентричні кільцеві канали - зовнішній і внутрішній. Таким чином, за компресором формуються потоки повітря, з яких один призначений обтікати зовнішню оболонку жарової труби, а інший - внутрішню її оболонку. Слід зазначити, що це рішення досить ефективне, але й настільки ж ускладнене. У праці А. Лефевра «Процеси в камерах згоряння ГТД». - М.: «Мир», 1986. - С. 118,. рис. 3.23-3.25 схематично представлені можливі кільцеві комбіновані дифузори. Так у схемі рис. 3.24 для потоку з компресора виділений канал 1 дифузора, а також частини потоку навколо дифузора, й далі в порожнину заспокоєння (вона ж порожнина повітрозабірника), і за нею - до фронтового пристрою жарової труби та навкруг останньої. Тим самим жарова труба обтікається повітрям з кільцевих каналів одночасно, як із компресора, так і з дифузорної порожнини заспокоєння. У схемі рис. 3.25 дифузор зміщений до входу в жарову трубу з її обтіканням по зовнішній і передній оболонкам з передбачуваними завихреннями. Ці відомі схеми можуть бути віднесені до пристрою, що заявляється, але не містять конкретних конструктивних технічних рішень. Відзначено, що дифузори в подібних схемах, на відміну від укорочених з різким розширенням, знижують втрати тиску поряд із спрощенням конструкції і зниженням ваги, але при достатньо високій робочій ефективності. 1 UA 83105 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Описана пропозиція Лефевра близька за ідеєю пропозиції, що заявляється, але схематична, тому як найближчий аналог вибрано деталізоване технічне рішення за патентом General Electric US № 6 843 059, кл. US 60/751 (див. фіг. 6-9) і його аналогам ЕР № 1426 688, кл. МПК F23R 3/10, JP № 2004170064, кл. МПК F23R 3/26). У цьому пристрої перед жаровою трубою кільцевої камери згоряння газотурбінного двигуна нерозривним подовженням кільцевих оболонок напрямного апарата компресора є кільцеві оболонки - зовнішня і внутрішня. Перевірочні газодинамічні розрахунки показали, що потік повітря до виходу напрямного апарата компресора набуває властивості дифузного. Канал, обмежений оболонками - це зона плавного попереднього гальмування, тобто преддифузор (Термін «преддифузор» див. у публікації «Вісник МАІ». - Т. 16, № 5. - С. 80, автор В.Н. Карасьов та ін., «Питання організації процесів в камері згоряння ПВРД», а також "prediffuser" позиція у патенті US № 7181914, кл. US 60/751). Тут преддифузор, частково тороїдальної форми, плавно розширений до виходу і кінцевими оболонками обмежує дифузний канал у корпусі камери згоряння. Цим формуються роздільні зворотні потоки з отворів у внутрішніх і зовнішніх стінках і від вказаного каналу під стінки назад, у зону загального дифузного потоку. Згаданий канал функціонально є зоною розширення і зниження швидкості потоку. Тут більша частина повітря знову розділяється на потоки по поверхнях корпусу камери згоряння і жарової труби в також в її порожнину. При цьому потік спочатку проходить на деякій відстані зону розширення, спрямується в загальний для всіх варіантів обтічник навкруги форсунок, а далі в порожнину жарової труби. За виходом з дифузного каналу, як зони розширення, на розрахунковій відстані, передбачена порожнина з конфігурацією дифузності й зі входом уже в оболонку корпусу камери згоряння. За своєю суттю це порожнина повного розширення, яка переходить в порожнину корпусу камери згоряння на вході в тороїдальну порожнину повітрозабірника. Останній оточує радіальну стінку жарової труби з форсунками з можливістю подачі до них повітря через окружні направляючі для підтримки горіння. Описаний відомий пристрій вхідного дифузора камери згоряння оцінений як функціонально ефективний, а його технічне рішення, незважаючи на його деяку конструктивну складність, може бути використане як найближчий аналог пристрою дифузора кільцевої камери згоряння авіаційного газотурбінного двигуна, що заявляється. При цьому у відомому пристрої зона між стінками та - це зона преддифузора з малим кутом розширення і безвідривним потоком. Перед авторами поставлена задача створити вхідний дифузний пристрій кільцевої камери згоряння газотурбінного двигуна з отриманням сукупного технічного результату, а саме: - забезпечення стабільної течії повітря на всіх ділянках необхідного гальмування потоку до камери згоряння газотурбінного двигуна з оптимальним розподілом повітря по каналах його подання до вузла камери згоряння і, у частковості, до її жарової труби, як у її внутрішність, і також навкруги її. - при підтримуванні рівномірного надходження повітря у повітрозбірник для направлення до фронтового пристрою жарової труби з мінімальними втратами тиску й мінімальною нерівномірністю потоку з повітрозбірника; - із забезпеченням надійного встановлення та кріплення частин вузла при взаємному розміщенні за компресором і далі до входу в жарову трубу; - наряду із конструктивним спрощенням технічного рішення. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому вхідному дифузному пристрої кільцевої камери згоряння газотурбінного двигуна, розташованому за вихідним напрямним апаратом компресора, та перед жаровою трубою, послідовно розміщені: преддифузор плавного розширення, і далі дифузор, взаємозв'язаний з обтічником повітрозабірника. Між ними утворена порожнина розширення, причому зовнішня й внутрішня оболонки обтічника взаємозв'язані з оболонками фронтового пристрою жарової труби в місцях встановлення форсунок. Щоб вирішити поставлену вище комплексну задачу, у цьому відомому вхідному дифузному пристрої зроблені вдосконалення, а саме. Згаданий преддифузор на його виході взаємозв'язаний своєї зовнішньої оболонкою із зовнішньою оболонкою обтічника повітрозабірника. Перед останнім і за виходом із преддифузора, утворена порожнина розширення робочого тіла. На виході з цієї порожнини й на вході у повітрозабірник забезпечується розділення потоку. Далі на вході усередину обтічника убудовано дифузор плавного розширення При цьому преддифузор на виході своєю зовнішньою оболонкою взаємозв'язаний із зовнішньою оболонкою зазначеного обтічника окремими, в основному, поздовжніми кронштейнами. 2 UA 83105 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У зовнішній оболонці обтічника повітрозабірника, у місцях його взаємозв'язку із зазначеними кронштейнами передбачені отвори, куди уведені кінцеві фланці кронштейнів, також з їх отворами, співвісними з отворами корпуса камери згоряння й обтічника. У зазначені співвісні отвори введені також порожні оболонки захисних патрубків, у кожному з яких, у свою чергу, розміщені форсунки підведення палива у жарову трубу. Технічне рішення, що заявляється, показано на сукупних кресленнях - фігурах 1 та 2 (1/2, 2/2) й фігурі 3, де представлений виділений фрагмент взаємозалежних внутрішньої й зовнішньої оболонок повітрозабірника. На виході з компресора газотурбінного двигуна розміщений статорний вузол лопаток компресора, а саме, його вихідний напрямний апарат 1 (див. визначення за ДСТ 23 851-79, п. 76), жорстко пов'язаний з корпусом 2 камери згоряння. За напрямним апаратом 1, зсередини корпуса 2 камери згоряння, під'єднаний кільцевий преддифузор із внутрішньою дифузною порожниною 3, обмеженою його оболонками, зовнішньою 4 і внутрішньою 5. Ця дифузна порожнина 3 всередині згаданих оболонок 4 і 5 - є ділянка плавного розширення робочого тіла - повітря. Порожнина 3 між оболонками 4 і 5 передбачається як преддифузор, обмежений на його виході загальним торцем 6, умовно, у вигляді зрізу. При цьому внутрішня оболонка 5 подовжена далі внутрішньою оболонкою 7, сумісно з корпусом 2 камери згоряння навкруги ділянки 8 порожнини раптового розширення на розрахунковій довжині L1 за зазначеним торцем 6 преддифузора 3. За ділянкою 8 встановлений повітрозабірник 9 з концентричними оболонками; зовнішньою 10 та внутрішньою 11, які, у свою чергу оточені взаємопов'язаними з ними зовнішньою 12, та внутрішньою 13 концентричними оболонками. Згадані оболонки 10, 11 повітрозабірника 9 усередині його порожнини утворюють на розрахунковій довжині його ділянку 14 плавного розширення. На її вихідному торці 15, також у вигляді зрізу цієї ділянки плавного розширення, і далі за ним, на розрахунковій довжині L2 передбачена ділянка порожнини 16 раптового розширення потоку в напрямку до повітряних каналів 17 навколо форсунок 18 у передню стінку фронтового пристрою 19 жарової труби 20 камери згоряння. До зовнішньої оболонки 4 преддифузора 3 жорстко прикріплені поздовжні кронштейни 21, взаємопов'язані далі із зовнішньою оболонкою 12 повітрозабірника 9. У місцях кріплення кронштейнів 21 з оболонкою 12 й за єдино з кожним з них, виконані фланці 22 із наскрізними отворами 23 усередину порожнини 16 біля введення головок форсунок 18 у стінку фронтового пристрою жарової труби 20. Отвори 23 співвісні з отворами 24 у корпусі 2 камери згоряння, що забезпечує введення захисного патрубка 25 у кожну пару отворів 23, 24. Скрізь кожен патрубок 25 й стінку фронтового пристрою 19 жарової труби 20 уведені головки форсунок 18, оточені зазначеними повітряними каналами 17 за ділянкою раптового розширення 16. Вертаючись до вказаної раніше ділянки 8, також раптового розширення, треба відзначити раціональність використання у таких місцях окружних концентричних западин 26, виконаних, як показано, у площині зрізу 6. При цьому до оболонки 4 преддифузора 3 й разом з нею прикріплено екран 27 підтиску частини потоку повітря в напрямку повітрозбірника 9 і, частково, жарової труби 20. Вхідний дифузний пристрій камери згоряння газотурбінного двигуна працює, як це показано далі, а саме: На виході з компресорного напрямного апарата 1 потік повітря надходить у порожнину 3 кільцевого преддифузора, закріпленого у корпусі 2 камери згоряння. У порожнині 3, обмеженій оболонками, зовнішньою 4 і внутрішньою 5, з помірним ступенем дифузності (≤1,6) відбувається гальмування потоку повітря. При цьому ділянка гальмування зазначеного преддифузора забезпечує безвідривний стабільний потік з мінімальною нерівномірністю й мінімальними втратами повного тиску повітря. З порожнини преддифузора 3 потік за зрізом 6 оболонок 4, 5 преддифузора надходить у порожнину 8. При цьому кільцеві западини 26, виконані у площині зрізу 6 на вході у порожнину 8, відкриті в напрямку й навколо загального потоку повітря, створюють за ними зони циркуляції. Завдяки цьому забезпечується стабільність потоків у процесі розширення повітря у порожнині 8 на розрахунковій відстані L1, на вході у повітрозабірник 9 і навколо нього. При цьому оптимізується утворення паливної суміші в жаровій трубі, що, у свою чергу, стабілізує роботу фронтового пристрою та її інших елементів, оскільки під час роботи камери згоряння, утворюються кільцеві потоки, створюючи зони рециркуляції, що охоплюють центральний потік. Це надає стабільності згаданому центральному потоку в процесі розширення повітря в порожнині 8 на розрахунковій відстані L1 на вході у повітрозабірник 9. За зрізом 6 оболонок 4, 5 порожнини 3 преддифузора, із порожнини 8 потік повітря, зустрічаючись з повітрозабірником 9, розподіляється на три потоки: А, В й С. Потік С за порожниною 8 обтікає внутрішню оболонку 7 корпуса камери згоряння й оболонку 13 повітрозабірника 9. Далі, потік С направляється у повітряний канал між продовженням 3 UA 83105 U 5 10 15 20 25 30 35 оболонки 7 і внутрішньою частиною поверхні жарової труби 20, звідки повітря надходить, як на охолодження стінок і організацію процесу горіння в жаровій трубі, так і на потреби вузла турбіни (не показано). При цьому потік повітря В спрямовується до повітрозабірника 9 у його кільцевий дифузний канал 14 плавного розширення. На виході 15 з каналу 14 повітрозабірника 9 повітря з помірним ступенем дифузності (≤1,6) надходить у порожнину 16. Цим забезпечується стабільна безвідривна течія потоку В з мінімальними втратами повного тиску повітря у каналі 14. А на цей час у порожнині 16 за повітрозабірником 9 відбувається подальше зниження швидкості потоку та його вирівнювання на розрахунковій відстані L2. Далі потік В прямує до фронтового пристрою 19 жарової труби 20 й до каналів 17 навколо форсунок 18, а потім, для підтримки горіння, усередину порожнини жарової труби 20. У той же час потік А (див. Фіг. 3) між оболонкою12 повітрозабірника 9 і внутрішньою поверхнею екрана 27 прямує у кільцевий канал між корпусом 2 та стінкою жарової труби 20, звідки повітря надходить, як на охолодження стінок жарової труби 20, так і для участі в процесі горіння, а також далі на потреби турбіни. За кільцевим дифузним каналом 14 плавного розширення в порожнині 16 і на вході головок форсунок 18 у фронтовому пристрої 19 жарової труби 20 тиск вище порівняно з тиском у кільцевих каналах. При тому збільшується й перепад тиску повітря при його надходженні через вказаний фронтовий пристрій 19 жарової труби. Для зниження перетікання повітря з порожнини 16 у зовнішній кільцевий канал навкруги форсунок 18 отвори в обтічнику 12 повітрозабірника 9 ущільнені захисними патрубками 25. При цьому повітря з порожнини 16 через фронтовий пристрій 19 надходить у порожнину жарової труби 20, забезпечуючи горіння паливоповітряної суміші. Визначальними в одержанні оптимальних характеристик роботи камери згоряння газотурбінного двигуна й, зокрема, її фронтового пристрою, є газодинамічні параметри її вхідного дифузного пристрою. Дослідження й випробування експериментального зразка пропонованого вхідного дифузного пристрою камери згоряння показали зниження втрат повного тиску повітря на ділянці від виходу із преддиффузора до входу у фронтовий пристрій жарової труби з 2 до 0,9 %. При тому сумарні втрати повного тиску на ділянці камери згоряння знизилися на величину 0,35 % і, крім того, забезпечено зменшення чутливості камери згоряння, зокрема, її жарової труби, до змін тиску, температури й швидкості потоку по висоті каналу за компресором при підвищенні стабільності характеристик камери згоряння. Пропонований вхідний дифузний пристрій камери згоряння в процесі роботи дозволив підвищити ефективність і стабільність роботи фронтового пристрою жарової труби за рахунок зменшення втрат тиску на ділянці від виходу з компресора до входу у фронтовий пристрій, а це означає, й самої камери згоряння, що забезпечує в цілому надійність роботи самого газотурбінного двигуна. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 1. Вхідний дифузний пристрій кільцевої камери згоряння газотурбінного двигуна, розміщений у корпусі камери згоряння за напрямним апаратом компресора, з послідовно розміщеними перед жаровою трубою оболонками преддифузора плавного розширення і далі дифузором, взаємопов'язаним з обтічником повітрозабірника, між якими утворена порожнина розширення, причому оболонки обтічника взаємопов'язані з оболонками фронтового пристрою жарової труби з форсунками, який відрізняється тим, що згаданий преддифузор на виході взаємопов'язаний своєю зовнішньою оболонкою із зовнішньою оболонкою зазначеного обтічника повітрозабірника, причому на вході й усередину згаданого обтічника убудований дифузор плавного розширення, а на виході останнього також утворена порожнина раптового розширення робочого тіла перед згаданими форсунками у фронтовому пристрої жарової труби. 2. Вхідний дифузний пристрій кільцевої камери згоряння за п. 1, який відрізняється тим, що згаданий преддифузор на його виході й згаданий обтічник взаємопов'язані між собою своїми зовнішніми оболонками за допомогою поздовжніх кронштейнів. 3. Вхідний дифузний пристрій кільцевої камери згоряння за п. 2, який відрізняється тим, що в згаданій зовнішній оболонці обтічника повітрозабірника в місцях кріплення зазначених кронштейнів утворені фланці з отворами, куди, сумісно з отворами, виконаними у згаданому корпусі камери згоряння, додатково встановлені захисні порожні оболонки із форсунками, введеними крізь них у середину жарової труби. 4. Вхідний дифузний пристрій кільцевої камери згоряння за п. 3, який відрізняється тим, що зазначені порожні оболонки жорстко пов'язані з корпусом камери згоряння. 4 UA 83105 U 5 UA 83105 U 6 UA 83105 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7