RU2241177C2

RU2241177C2 - Combustion chamber

Info

Publication number: RU2241177C2
Application number: RU2002117849/06A
Authority: RU
Inventors: Р.С. Кашапов (RU); Р.С. Кашапов; Д.А. Максимов (RU); Д.А. Максимов; Д.В. Скиба (RU); Д.В. Скиба; С.В. Куликов (RU); С.В. Куликов; М.Н. Баштанников (RU); М.Н. Баштанников
Original assignee: Кашапов Рафаэль Салихзянович
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-11-27
Also published as: RU2002117849A

Abstract

FIELD: generating combustion products of high pressure and high velocity.

SUBSTANCE: combustion chamber of the gas-turbine engine has cylindrical hosing, fire tube which is axially aligned with respect to the housing and forms flowing space for air supply, cylindrical shield, periphery burners, central burner, and lid of the combustion chamber which covers the housing of the combustion chamber from the face. The cylindrical shield is mounted coaxially inside the fire pipe and forms a ring passage for flowing cooling air. The periphery burners are arranged uniformly over the periphery in the frontal device. All burners provide preliminary preparation of fuel-air mixture. The central burner is mounted on the fire pipe and set in the fire pipe behind the periphery burners. The frontal device is provided with cooling dumpers made of hollow bodies of arbitrary cross-section whose open face points in the direction to the combustion zone. The opposite faces of the cooling dumpers are covered with lids provided with axial openings for flowing of cooling air, the area of which is essentially smaller than that of the cross-section of the space of the cooling dumper. The frontal device is spaced from the lid at a distance determined from the relationship proposed.

EFFECT: prolonged service life.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в газотурбинных двигателях.The invention relates to the field of engine building and can be used in gas turbine engines.

При создании камер сгорания газотурбинных двигателей, как правило, возникают трудности с охлаждением фронтового устройства. Одним из путей преодоления указанных затруднений является использование керамических материалов. Однако в настоящее время до конца не решенными остаются значительная усадка при изготовлении, повышенная хрупкость, практическое отсутствие пластических деформаций при нагружении. Также возможно использование материалов с транспирационным охлаждением. Эти материалы в сравнении с керамическими имеют ряд преимуществ, однако имеются и недостатки. Величина площади проходного сечения отдельных отверстий и каналов имеет ограничение исходя из условий достаточной прочности, что ведет к возможности засорения каналов и вследствие чего к уменьшению теплоотвода.When creating combustion chambers of gas turbine engines, as a rule, difficulties arise with cooling of the front-mounted device. One way to overcome these difficulties is to use ceramic materials. However, at present, significant shrinkage during manufacture, increased fragility, and the practical absence of plastic deformations under loading remain unsolved. It is also possible to use materials with transpiration cooling. These materials in comparison with ceramic have several advantages, but there are also disadvantages. The size of the passage area of individual holes and channels has a limitation based on the conditions of sufficient strength, which leads to the possibility of clogging of the channels and, as a result, to a decrease in heat dissipation.

В большинстве камер сгорания газотурбинных двигателей, работающих на предварительно подготовленных топливовоздушных смесях, возникают пульсации давления, ведущие к снижению ресурса двигателя. Основным методом борьбы с пульсациями давления в настоящее время является введение систем активного управления. Применение систем активного управления позволяет обеспечить статическую и динамическую устойчивость камеры сгорания, однако подобные системы содержат высокочастотные подвижные элементы, что сводит к нулю положительный эффект от их применения, поскольку данные системы, в свою очередь, имеют низкий ресурс.In most combustion chambers of gas turbine engines running on pre-prepared air-fuel mixtures, pressure pulsations occur, leading to a decrease in engine life. The main method of dealing with pressure pulsations is currently the introduction of active control systems. The use of active control systems makes it possible to provide static and dynamic stability of the combustion chamber, however, such systems contain high-frequency moving elements, which nullifies the positive effect of their use, since these systems, in turn, have a low resource.

Известен проницаемый материал ламиллой [Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. - М.: Мир, 1986], изготавливаемый из нескольких металлических листов с отверстиями, получаемый методом фототравления. Листы соединяются между собой посредством диффузионной пайки. Применение транспирационного охлаждения фронтовых устройств камер сгорания наземных газотурбинных двигателей является затруднительным по нескольким причинам. Большое содержание твердых частиц в приземном слое атмосферы, которые засоряют отверстия, что приводит к снижению теплоотвода, неоправданно высокая стоимость материала, низкие эксплуатационные свойства.Known permeable material by lamilla [Lefebvre A. Processes in the combustion chamber of a gas turbine engine. - M .: Mir, 1986], made of several metal sheets with holes, obtained by photo-etching. The sheets are interconnected by diffusion soldering. The use of transpirational cooling of front-end devices of the combustion chambers of ground-based gas turbine engines is difficult for several reasons. The high content of solid particles in the surface layer of the atmosphere, which clog the holes, which leads to a decrease in heat dissipation, unreasonably high cost of material, low operational properties.

Известна камера сгорания [А.И. Крюков. Некоторые вопросы проектирования ГТД. - М.: МАИ, 1993], содержащая корпус, жаровую трубу, фронтовое устройство, имеющее внутренний экран, выполненный из нитрида кремния, наружную стенку, пальцы крепления внутреннего экрана к наружной стенке. Применение керамических материалов для снижения тепловой нагрузки на фронтовое устройство имеет ряд недостатков, таких, как высокая стоимость, низкие эксплуатационные свойства, ряд специальных конструктивных элементов и решений, усложняющие конструкцию, что также ведет к удорожанию и усложнению конструкции камеры сгорания.Known combustion chamber [A.I. Hooks. Some issues of designing a gas turbine engine. - M .: MAI, 1993], comprising a housing, a heat pipe, a front-end device having an inner screen made of silicon nitride, an outer wall, fingers attaching the inner screen to the outer wall. The use of ceramic materials to reduce the thermal load on the front-mounted device has a number of disadvantages, such as high cost, low operational properties, a number of special structural elements and solutions that complicate the design, which also leads to an increase in the cost and complexity of the design of the combustion chamber.

Известна камера сгорания фирмы Rolls-Royce [Патент GB № 2278431, кл. F 23 R 3/34, 1994 г.], которая содержит первичную и вторичную зону горения, созданную множеством вторичных смесительных топливовоздушных трубок, расположенных вокруг первичной зоны горения. Вторичные смесительные топливовоздушные трубки ограничены парой кольцевых стенок и множеством стенок расположенных равномерно между кольцевыми стенками. Каждый канал смешения вторичного топлива с воздухом имеет отверстия для направления топливовоздушной смеси во вторичную зону горения. Эти отверстия имеют одинаковую проходную площадь. Каждый смеситель имеет один или более топливный инжектор для впрыска топлива вверх по потоку от смесителя. Эта компоновка предполагает, что отношение топливо/воздух в смеси, выбрасываемой через каждое отверстие, отличается примерно на 3% от среднего отношения топливо/воздух, даже если поле скоростей воздушного потока в смесителе неравномерное. Недостатком данной камеры сгорания, помимо узкого рабочего диапазона, является склонность к динамической неустойчивости, что ведет к снижению ресурса.Known combustion chamber of the company Rolls-Royce [GB Patent No. 2278431, cl. F 23 R 3/34, 1994], which comprises a primary and secondary combustion zone created by a plurality of secondary fuel and air mixing tubes arranged around the primary combustion zone. Secondary air-fuel mixing tubes are limited by a pair of annular walls and a plurality of walls located evenly between the annular walls. Each channel for mixing secondary fuel with air has openings for directing the air-fuel mixture into the secondary combustion zone. These holes have the same passage area. Each mixer has one or more fuel injectors for injecting fuel upstream of the mixer. This arrangement assumes that the fuel / air ratio in the mixture discharged through each hole differs by about 3% from the average fuel / air ratio, even if the airflow velocity field in the mixer is uneven. The disadvantage of this combustion chamber, in addition to a narrow operating range, is the tendency to dynamic instability, which leads to a decrease in resource.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является камера сгорания [Кашапов Р.С. Концепция создания низкоэмиссионной камеры сгорания. Газотурбинные технологии. - Рыбинск, 2000, №9, стр.16-19], содержащая цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу, образующие проточную полость для подвода воздуха, цилиндрический экран, расположенный соосно, внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, периферийные горелочные устройства, расположенные равномерно по окружности во фронтовом устройстве, центральное горелочное устройство, расположенное на оси жаровой трубы и задвинутое в жаровую трубу глубже, чем периферийные горелочные устройства, при этом все горелочные устройства выполнены с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, крышку камеры сгорания, закрывающую корпус камеры сгорания с торца. Недостатком данной конструкции является высокая теплонапряженность фронтовой доски, что снижает ресурс камеры сгорания, а так же возникновение пульсаций давления на некоторых режимах работы, что снижает ресурс газотурбинного двигателя в целом.The closest technical solution, selected as a prototype, is a combustion chamber [Kashapov RS The concept of creating a low emission combustion chamber. Gas turbine technology. - Rybinsk, 2000, No. 9, pp. 16-19], containing a cylindrical body, a heat pipe coaxial with it, forming a flow cavity for air supply, a cylindrical screen located coaxially inside the flame tube and forming an annular channel with it for passage of cooling air, peripheral burner devices located uniformly around the circumference in the front device, a central burner device located on the axis of the flame tube and retracted into the flame tube deeper than the peripheral burner devices, while all burner These devices are made with preliminary preparation of the air-fuel mixture, the cover of the combustion chamber that covers the end of the combustion chamber. The disadvantage of this design is the high heat stress of the front plate, which reduces the life of the combustion chamber, as well as the occurrence of pressure pulsations in some operating modes, which reduces the resource of the gas turbine engine as a whole.

Технический результат заявляемого изобретения - увеличение ресурса газотурбинного двигателя за счет выполнения на фронтовом устройстве охлаждающих глушителей в виде полых тел произвольного поперечного сечения, направленных открытым торцом к зоне горения, при этом противоположные торцы глушителей закрыты крышками, имеющими осевые отверстия для прохода охлаждающего воздуха, значительно меньшей площади, чем площадь поперечного сечения полости охлаждающего глушителя, а также установки фронтового устройства на известном расстоянии от крышки камеры сгорания.The technical result of the claimed invention is an increase in the resource of a gas turbine engine due to the implementation of cooling silencers on the front device in the form of hollow bodies of arbitrary cross section directed with an open end to the combustion zone, while the opposite ends of the silencers are closed with caps having axial openings for cooling air to pass much less area than the cross-sectional area of the cavity of the cooling silencer, as well as the installation of the front-end device at a known distance from combustion chamber covers.

Технический результат достигается тем, что в камере сгорания, содержащей цилиндрический корпус, соосную с ним жаровую трубу, образующие проточную полость для подвода воздуха, цилиндрический экран, расположенный соосно, внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха, периферийные горелочные устройства, расположенные равномерно по окружности во фронтовом устройстве, центральное горелочное устройство, расположенное на оси жаровой трубы и задвинутое в жаровую трубу глубже, чем периферийные горелочные устройства, при этом все горелочные устройства выполнены с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси, крышку камеры сгорания, закрывающую корпус камеры сгорания с торца, в отличие от прототипа на фронтовом устройстве выполнены охлаждающие глушители в виде полых тел произвольного поперечного сечения, направленных открытым торцом к зоне горения, при этом противоположные торцы охлаждающих глушителей закрыты крышками, имеющими осевые отверстия для прохода охлаждающего воздуха, значительно меньшей площади, чем площадь поперечного сечения полости охлаждающего глушителя, а также само фронтовое устройство установлено на расстоянии l₁ от крышки камеры сгорания, выполненном из соотношенияThe technical result is achieved in that in a combustion chamber containing a cylindrical body, a heat pipe coaxial with it, forming a flowing cavity for air supply, a cylindrical screen located coaxially inside the heat pipe and forming an annular channel with it for the passage of cooling air, peripheral burner devices located uniformly around the circumference in the front device, a central burner device located on the axis of the flame tube and retracted into the flame tube deeper than the peripheral burners devices, while all burner devices are made with preliminary preparation of the air-fuel mixture, the cover of the combustion chamber that covers the housing of the combustion chamber from the end, in contrast to the prototype, cooling silencers are made in the front device in the form of hollow bodies of arbitrary cross section, directed with the open end to the combustion zone while the opposite ends of the cooling silencers are closed with covers having axial openings for the passage of cooling air, a much smaller area than the area of pop river cavity section cooling the muffler, and the front device itself is set at a distance l ₁ from the combustion chamber cover, taken from the relation

где f - частота продольных колебаний в камере сгорания, Гц; T - температура воздуха перед камерой сгорания, К;where f is the frequency of longitudinal vibrations in the combustion chamber, Hz; T is the air temperature in front of the combustion chamber, K;

k=2,4-2,7, К^-1/2м/с,k = 2.4-2.7, K ^-1/2 m / s,

n = 0, 1, 2, 3 и т.д.n = 0, 1, 2, 3, etc.

Существо конструкции поясняется чертежом, на котором изображена схема заявляемой камеры сгорания.The essence of the design is illustrated by the drawing, which shows a diagram of the inventive combustion chamber.

Заявляемая камера сгорания содержит цилиндрический корпус 1, соосную с ним жаровую трубу 2, образующих проточную полость для подвода воздуха 3, цилиндрический экран 4, расположенный соосно внутри жаровой трубы и образующий с ней кольцевой канал 5 для прохода охлаждающего воздуха, фронтовое устройство 6, периферийные горелочные устройства 7, расположенные равномерно по окружности во фронтовом устройстве, центральное горелочное 8, расположенную на оси жаровой трубы и задвинутую в жаровую трубу глубже, чем периферийные горелочные устройства, охлаждающие глушители 9, установленные на фронтовом устройстве, выполненные в виде полых тел произвольного поперечного сечения, направленных открытым торцом к зоне горения, при этом противоположные торцы охлаждающих глушителей закрыты крышками 10, имеющими осевые отверстия для прохода охлаждающего воздуха 11, значительно меньшей площади, чем площадь поперечного сечения полости охлаждающего глушителя, крышку камеры сгорания 12, закрывающую корпус камеры сгорания с торца.The inventive combustion chamber contains a cylindrical body 1, a heat pipe 2 coaxial with it, forming a flow cavity for air supply 3, a cylindrical screen 4, located coaxially inside the heat pipe and forming an annular channel 5 for the passage of cooling air with it, frontal device 6, peripheral burner devices 7 arranged uniformly around the circumference in the front device, the central burner 8 located on the axis of the flame tube and retracted into the flame tube deeper than the peripheral burner devices, cooling silencers 9 installed on the front device, made in the form of hollow bodies of arbitrary cross-section, directed with an open end to the combustion zone, while the opposite ends of the cooling silencers are closed by covers 10 having axial openings for the passage of cooling air 11, much smaller than the area the cross section of the cavity of the cooling silencer, the cover of the combustion chamber 12, covering the housing of the combustion chamber from the end.

Работа камеры сгорания осуществляется следующим образом. Часть воздуха, проходя по проточной полости для подвода воздуха 3, подается в кольцевой канал для прохода охлаждающего воздуха 5, проходя по которому охлаждает экран 4 и далее смешивается с продуктами сгорания. Другая часть воздуха, проходя по проточной полости для подвода воздуха 3 через отверстия 11, поступает в охлаждающие глушители 9 и, охлаждая их, проходит к зоне горения. Оставшаяся часть воздуха, проходя по проточной полости для подвода воздуха 3, мимо охлаждающих глушителей 9 и дополнительно охлаждая их, поступает в горелочные устройства с предварительной подготовкой топливовоздушной смеси 7 и 8, где смешивается с подведенным топливом и далее поступает в зону горения. Возникающие пульсации давления частично подавляются охлаждающими глушителями 9, а частично объемом, образованным между крышкой камеры сгорания 12 и фронтовым устройством 6. Температура фронтовой доски снижается за счет теплоотвода по охлаждающим глушителям 9.The combustion chamber is as follows. Part of the air passing through the flowing cavity for supplying air 3 is fed into the annular channel for the passage of cooling air 5, passing through which it cools the screen 4 and then mixes with the combustion products. Another part of the air, passing through the flowing cavity for supplying air 3 through the holes 11, enters the cooling silencers 9 and, cooling them, passes to the combustion zone. The rest of the air, passing through the flowing cavity for air supply 3, past the cooling mufflers 9 and additionally cooling them, enters the burner with preliminary preparation of the air-fuel mixture 7 and 8, where it is mixed with the supplied fuel and then enters the combustion zone. The resulting pressure pulsations are partially suppressed by cooling silencers 9, and partially by the volume formed between the cover of the combustion chamber 12 and the front device 6. The temperature of the front plate is reduced due to heat removal through the cooling silencers 9.

Таким образом, в заявляемой камере сгорания благодаря выполнению новых конструктивных признаков, а именно размещению на фронтовом устройстве охлаждающих глушителей, а также установки фронтового устройства на расстоянии l₁ от крышки камеры сгорания, обеспечивается увеличение ресурса газотурбинного двигателя.Thus, in the inventive combustion chamber due to the implementation of new design features, namely the placement on the front device of cooling silencers, as well as the installation of the front device at a distance l ₁ from the cover of the combustion chamber, an increase in the life of the gas turbine engine is provided.

Claims

A combustion chamber containing a cylindrical body, a heat pipe coaxial with it, forming a flow cavity for air supply, a cylindrical screen located coaxially inside the heat pipe and forming an annular channel with it for the passage of cooling air, peripheral burner devices arranged uniformly around the front device, a central burner device located on the axis of the flame tube and retracted into the flame tube deeper than peripheral burner devices, while all burner devices The properties are made with preliminary preparation of the air-fuel mixture, the cover of the combustion chamber covering the housing of the combustion chamber from the end, characterized in that cooling front silencers are made on the front device in the form of hollow bodies of arbitrary cross section directed with the open end to the combustion zone, while the opposite ends of the cooling silencers cover with covers having axial openings for the passage of cooling air, a much smaller area than the cross-sectional area of the cooling cavity la, as well as the front-mounted device itself is installed at a distance l ₁ from the cover of the combustion chamber, made from the ratio

where f is the frequency of longitudinal vibrations in the combustion chamber (Hz);

T is the air temperature in front of the combustion chamber (K);

k = 2.4-2.7 (K ^-1/2 m / s);

n = 0, 1, 2, 3, etc.