RU2243448C2

RU2243448C2 - Combustion chamber

Info

Publication number: RU2243448C2
Application number: RU2002133943/06A
Authority: RU
Inventors: Н.Г. Бычков (RU); Н.Г. Бычков; А.В. Першин (RU); А.В. Першин; А.Д. Рекин (RU); А.Д. Рекин; В.А. Скибин (RU); В.А. Скибин
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2004-12-27

Abstract

FIELD: gas turbine engines, namely combustion chambers for them.

SUBSTANCE: combustion chamber includes fire tube having in walls of its sections openings for feeding cooling air. Wall of section in zone of arrangement of cooling air openings made at relation of wall thickness to diameter of openings in range 1.3 - 1.6 is inclined towards generatrix in the form of annular step. Inclination angle of perforated surface to generatrix of wall of fire tube is selected in range 90 + - 10°. Axes of cooling air openings in walls of fire tube are inclined in two planes, namely: to line normal relative to perforated surface of step in radial direction towards side of generatrix by angle 0-20° and in tangential direction (-20) - (+30)°.

EFFECT: lowered concentration of stresses, enhanced insulation of wall by means of air from hot gas flow, increased rigidity of wall of fire tube, improved thermal-cycle resource of fire tube.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам, предназначенным для сжигания топливно-воздушной смеси, в которых применяется пленочное охлаждение, организуемое с помощью отверстий в стенке, направляющих воздух вдоль охлаждаемой поверхности, а также и других отраслях техники, например в ГТД, в котельных установках и т.п.The invention relates to mechanical engineering, and in particular to devices intended for burning a fuel-air mixture, in which film cooling is used, which is organized by means of openings in the wall directing air along the cooled surface, as well as other branches of technology, for example, in gas turbine engines installations, etc.

При горении распыленного топлива в потоке воздуха внутри жаровой трубы камеры сгорания образуется факел, температура которого может превышать температуры, допустимые для материала жаровой трубы. Известны конструкции, в которых организуется охлаждение стенки с помощью потока холодного воздуха, изолирующего факел от стенки и уносящего тепло, передаваемое от газового потока (т.н. пленочное охлаждение). Для этого в стенке жаровой трубы делаются пояса отверстий или щели, а для придания потоку охлаждающего воздуха нужного направления над отверстиями изготавливаются отклоняющие козырьки (авторское свидетельство №1760254, кл. F 23 R 3/44 от 1992 г.).When atomized fuel is burned in an air stream, a torch is formed inside the flame tube of the combustion chamber, the temperature of which can exceed the temperatures allowed for the material of the flame tube. Known designs in which cooling of the wall is organized using a stream of cold air that isolates the torch from the wall and carries away heat transferred from the gas stream (so-called film cooling). To do this, holes or slots are made in the wall of the flame tube, and deflecting visors are made above the holes to give the cooling air flow the desired direction (copyright certificate No. 1760254, class F 23 R 3/44 of 1992).

Недостатком существующих конструкций является их высокая термонапряженность, приводящая к существенному ограничению циклического ресурса жаровой трубы. Большие термические напряжения в секциях жаровых труб, изготовленных из одного материала, возникают из-за большой разницы температур стенки и козырька в процессе цикла "Запуск-Полный газ-Отключение двигателя".A disadvantage of existing structures is their high thermal stress, which leads to a significant limitation of the cyclic resource of the flame tube. Large thermal stresses in sections of flame tubes made of the same material occur due to the large difference in wall and visor temperatures during the “Start-Full Gas-Engine Shutdown” cycle.

Одним из наиболее близких технических решений, выбранным прототипом, является камера сгорания, включающая жаровую трубу, в стенке которой проделаны пояса отверстий малого диаметра или щелей, имеющих малую ширину, наклоненные вдоль оси камеры, располагаемые в шахматном порядке (патент РФ № 2173819, кл. F 23 R 3/60 от 1999 г.).One of the closest technical solutions chosen by the prototype is a combustion chamber, including a flame tube, in the wall of which are made belts of holes of small diameter or slits having a small width, tilted along the axis of the chamber, arranged in a checkerboard pattern (RF patent No. 2173819, cl. F 23 R 3/60 from 1999).

Отношение толщины стенки δ к диаметру отверстия или ширине щели d составляет 1,3-1,6, что обеспечивает формирование струи охлаждающего воздуха с заданным направлением. Для увеличения жесткости относительно тонкой стенки ее обратная сторона усилена ребрами.The ratio of the wall thickness δ to the diameter of the hole or the width of the slit d is 1.3-1.6, which ensures the formation of a stream of cooling air with a given direction. To increase the stiffness of a relatively thin wall, its reverse side is reinforced with ribs.

Поток воздуха из компрессора разделяется и его часть, предназначенная для охлаждения, направляется на противоположную газовому потоку стенку жаровой трубы, отбирает тепло у нагретого металла стенки и проходит через сильно наклоненные отверстия в зону горения, образуя сплошную завесу из охлаждающего воздуха, изолируя стенку жаровой трубы камеры сгорания от потока горячего газа. Поскольку эффективность изоляции растет с увеличением угла наклона оси отверстий к нормали стенки, угол наклона делается 55-70°. Кроме того, проходя через стенку жаровой трубы, воздух также отнимает тепло у металла, снижая его рабочую температуру.The air stream from the compressor is separated and its part intended for cooling is directed to the wall of the flame tube opposite to the gas stream, removes heat from the heated metal of the wall and passes through strongly inclined openings into the combustion zone, forming a continuous curtain of cooling air, insulating the wall of the flame tube of the chamber combustion from a stream of hot gas. Since the insulation efficiency increases with the angle of inclination of the axis of the holes to the normal to the wall, the angle of inclination is 55-70 °. In addition, passing through the wall of the flame tube, air also takes away heat from the metal, lowering its operating temperature.

Существенным недостатком такой конструкции является то, что термические напряжения, возникающие непосредственно в корпусе жаровой трубы вследствие большого температурного перепада по толщине стенки (особенно вблизи охлаждающих каналов), увеличиваются в несколько раз в зонах концентрации напряжений, каковыми являются наклонные отверстия и края щелей. Эффективный коэффициент концентрации напряжений особенно высок на острых кромках, образующихся в местах выхода наклонных отверстий из материала. Этот коэффициент в 2-2,5 раза выше, чем на краях отверстий, перпендикулярных к поверхности, на которой они находятся. Применение сильно наклоненных отверстий, возле которых неизбежно образование трещин, снижает термоциклический ресурс секций жаровой трубы в 4...5 раз. Струи охлаждающего воздуха направлены от стенки, что приводит к его перемешиванию с горячим газовым потоком, ввиду чего обеспечивается лишь небольшая площадь защиты стенки струей воздуха, что вынуждает располагать отверстия в шахматном порядке на небольшом расстоянии друг от друга. Кроме того, вследствие поступления в горячий газ большого количества воздуха нарушается процесс горения топлива, что ухудшает характеристики двигателя.A significant drawback of this design is that the thermal stresses that occur directly in the flame tube body due to the large temperature difference across the wall thickness (especially near the cooling channels) increase several times in stress concentration zones, which are inclined holes and edges of the slits. The effective stress concentration coefficient is especially high on sharp edges formed at the exit points of inclined holes from the material. This coefficient is 2-2.5 times higher than at the edges of the holes perpendicular to the surface on which they are located. The use of strongly inclined holes, near which crack formation is inevitable, reduces the thermocyclic resource of the sections of the flame tube by 4 ... 5 times. The jets of cooling air are directed away from the wall, which leads to its mixing with the hot gas stream, which ensures only a small area of wall protection with a jet of air, which forces the holes to be staggered at a small distance from each other. In addition, due to the influx of large amounts of air into the hot gas, the fuel combustion process is disrupted, which degrades engine performance.

Технической задачей предлагаемого устройства является увеличение термоциклического ресурса жаровой трубы камеры сгорания путем снижения температурных напряжений и улучшения ее защиты от конвективного теплового потока горячего газа.The technical task of the proposed device is to increase the thermal cyclic resource of the flame tube of the combustion chamber by reducing temperature stresses and improving its protection against convective heat flow of hot gas.

Технический результат в заявляемом техническом решении достигается тем, что камера сгорания ГТД, включающая жаровую трубу с отверстиями в стенках секций, через которые поступает охлаждающий их воздух, выполнена таким образом, что стенка секции в местах расположения охлаждающих отверстий, выполненных с отношением толщины стенки к диаметру отверстий 1,3-1,6, делается наклонной к образующей в виде кольцевой ступени, причем угол наклона перфорированной поверхности к образующей стенки жаровой трубы выбирают в диапазоне 90±10°, при этом оси охлаждающих отверстий в стенках жаровой трубы имеют наклон в двух плоскостях: к нормали перфорированной поверхности ступени в радиальном направлении в сторону образующей 0-20° и в тангенциальном - 20-30°. Кроме того, охлаждающие отверстия в секциях расположены в один ряд, а в соседних секциях выполнены с одинаковым шагом по окружности. При этом охлаждающие отверстия в соседних секциях так же могут быть выполнены с различным шагом по окружности.The technical result in the claimed technical solution is achieved by the fact that the combustion chamber of the gas turbine engine, including a fire tube with holes in the walls of the sections through which their cooling air enters, is made in such a way that the wall of the section at the locations of the cooling holes made with the ratio of wall thickness to diameter holes 1.3-1.6, is inclined to the generatrix in the form of an annular step, and the angle of inclination of the perforated surface to the generatrix of the wall of the flame tube is selected in the range of 90 ± 10 °, while the cooling axis giving the holes in the walls of the flame tube are inclined in two directions: normal to the perforated surface in a radial direction toward the forming step 0-20 ° in the tangential and - 20-30 °. In addition, the cooling holes in the sections are arranged in one row, and in adjacent sections are made with the same pitch around the circumference. Moreover, the cooling holes in adjacent sections can also be made with different pitch around the circumference.

Отношение толщины стенки к диаметру охлаждающего отверстия в диапазоне 1,3...1,6 определяется тем, что используемый для жаровых труб материал имеет толщину, как правило, 1...2 мм, и применение охлаждающих отверстий, имеющих диаметр, меньший нижней границы указанного диапазона, ведет к их "зарастанию" вследствие окисления стенок, а при диаметре, большем его верхней границы, применение нецелесообразно из-за увеличения расхода воздуха через перфорированную стенку, и связанное с этим возрастание количества воздуха, поступающего в поток горячего газа вне зоны горения, ведущее к нарушению процессов сжигания топлива, ухудшает характеристики двигателя.The ratio of the wall thickness to the diameter of the cooling hole in the range 1.3 ... 1.6 is determined by the fact that the material used for flame tubes has a thickness of, as a rule, 1 ... 2 mm, and the use of cooling holes having a diameter smaller than the lower the boundaries of this range leads to their "overgrowing" due to oxidation of the walls, and with a diameter larger than its upper boundary, the use is impractical due to an increase in air flow through the perforated wall, and the associated increase in the amount of air entering the hot ha flow beyond the combustion zone, leading to disruption of the combustion process, impairs engine performance.

Использование кольцевых ступеней с углом наклона α в диапазоне 90±10° позволяет направить воздух через изготовленные в них охлаждающие отверстия вдоль стенки или направить непосредственно на стенку секции жаровой трубы, что значительно увеличивает эффективность пленочной защиты и позволяет эффективно отводить тепло от стенки, обращенной к горячему газу. Кольцевые ступени существенно увеличивают жесткость жаровой трубы, обеспечивая ее геометрическую стабильность, улучшают газодинамические характеристики камеры сгорания, стабилизируют температурное поле в процессе эксплуатации.The use of ring steps with an angle of inclination α in the range of 90 ± 10 ° allows directing air through the cooling holes made in them along the wall or directing them directly to the wall of the heat pipe section, which significantly increases the efficiency of the film protection and allows heat to be effectively removed from the wall facing the hot gas. Ring steps significantly increase the stiffness of the flame tube, ensuring its geometric stability, improve the gas-dynamic characteristics of the combustion chamber, and stabilize the temperature field during operation.

Диапазон угла наклона отверстий относительно образующей β определяется тем, что при его значении 0...20° из струй воздуха формируется наиболее эффективная заградительная пелена, препятствующая попаданию потока горячего газа на стенку жаровой трубы, причем направленный на нее холодный воздух отнимает часть тепла с "горячей" (обращенной к газу) поверхности жаровой трубы, что снижает действующий температурный градиент. Увеличение угла β>20° нецелесообразно, вследствие роста концентрации напряжений и снижения толщины заградительной воздушной пленки. Диапазон угла тангенциального наклона γ20...30° также ограничен из-за того, что при углах наклона отверстий <20° не улучшаются защитные свойства воздушной пленки, определяемые ее лучшим распределением по защищаемой поверхности жаровой трубы, а при углах >30° с учетом наклона отверстия относительно образующей β значительно возрастает концентрация напряжений.The range of the angle of inclination of the holes relative to the generatrix β is determined by the fact that at its value 0 ... 20 ° the most effective barrier sheet is formed from the air jets, which prevents the flow of hot gas on the wall of the flame tube, and the cold air directed to it takes away some of the heat from hot (facing the gas) surface of the flame tube, which reduces the current temperature gradient. An increase in the angle β> 20 ° is impractical, due to an increase in the concentration of stresses and a decrease in the thickness of the barrier air film. The range of the angle of tangential inclination γ20 ... 30 ° is also limited due to the fact that at the angle of inclination of the holes <20 ° the protective properties of the air film, determined by its best distribution on the protected surface of the flame tube, do not improve, and at angles> 30 ° taking into account the inclination of the hole relative to the generatrix β, the stress concentration increases significantly.

Предлагаемое устройство существенно повышает теплозащиту поверхности секции жаровой трубы камеры сгорания, не увеличивая концентрацию напряжений на охлаждающих отверстиях, дополнительно увеличивая изолируемую площадь стенки. При этом снижается количество воздуха, которое требуется для изоляции такой же площади стенки, как на прототипе.The proposed device significantly increases the thermal protection of the surface of the section of the flame tube of the combustion chamber, without increasing the concentration of stresses on the cooling holes, further increasing the insulated wall area. This reduces the amount of air required to isolate the same wall area as in the prototype.

Охлаждающие отверстия на кольцевой ступени секции выполняют в один ряд, что снижает расход воздуха, без ухудшения образования воздушной пленки и уменьшает высоту ступени.The cooling holes in the annular stage of the section are performed in one row, which reduces air consumption, without impairing the formation of an air film and reduces the height of the stage.

Для улучшения технологичности конструкции охлаждающие отверстия в соседних секциях выполняют с одинаковым шагом по окружности.To improve the manufacturability of the design, the cooling holes in adjacent sections are performed with the same pitch around the circumference.

Однако, при высокой неравномерности теплопритока по длине, охлаждающие отверстия в соседних секциях выполняют с различным шагом, учитывая необходимость усиления теплозащиты.However, with high non-uniformity of heat inflow along the length, cooling holes in adjacent sections are performed with different steps, given the need to strengthen thermal protection.

На фиг.1 представлен продольный разрез камеры сгорания (без фронтового устройства).Figure 1 shows a longitudinal section of a combustion chamber (without front-end device).

На фиг.2 - увеличенный элемент стенки жаровой трубы.Figure 2 is an enlarged element of the wall of the flame tube.

На фиг.3 - изображение вида сверху этого элемента.Figure 3 - image of a top view of this element.

Камера сгорания на фиг.1 включает в себя жаровую трубу 1, стенки которой изготовлены в виде кольцевых ступеней 2, перфорированные поверхности 3 которых расположены под углом к образующей α, составляющего 90±10°. В них изготавливается ряд наклонных охлаждающих отверстий 4. Отношения толщины перфорированной стенки ступени к диаметру отверстия составляет 1,3-1,6. Данные охлаждающие отверстия имеют наклон в двух плоскостях: угол наклона оси охлаждающих отверстий относительно нормали стенки n составляет 0-20° в радиальном направлении и 20-30° в тангенциальном.The combustion chamber in figure 1 includes a flame tube 1, the walls of which are made in the form of annular steps 2, the perforated surfaces 3 of which are located at an angle to the generatrix α of 90 ± 10 °. They make a series of inclined cooling holes 4. The ratio of the thickness of the perforated wall of the step to the diameter of the hole is 1.3-1.6. These cooling holes have an inclination in two planes: the angle of inclination of the axis of the cooling holes relative to the normal to the wall n is 0-20 ° in the radial direction and 20-30 ° in the tangential.

Заявляемая камера сгорания работает следующим образом:The inventive combustion chamber operates as follows:

Поток воздуха поступает из компрессора в камеру сгорания, и часть его подается на наружную поверхность жаровой трубы 1 для ее охлаждения. Он обтекает поверхность жаровой трубы, отводя тепло, передаваемое материалом стенки от внутренней поверхности, нагреваемой факелом сгорающего в ней топлива. Далее, попадая через наклонные охлаждающие отверстия 4 в перфорированной стенке 3 секции жаровой трубы 2, воздух направляется непосредственно на ее горячую внутреннюю поверхность. Струи воздуха попадают на нее, изолируя стенку от потока горячего газа и отнимая полученное ею тепло. Поскольку струей охлаждающего воздуха придано также и тангенциальное направление, это способствует выравниванию толщины и увеличению площади защиты воздушной пленкой, образуемой струей охлаждающего воздуха из охлаждающего отверстия. Косо направленная воздушная струя защищает поверхность между охлаждающими отверстиями следующей секции.The air stream flows from the compressor into the combustion chamber, and part of it is supplied to the outer surface of the flame tube 1 for cooling it. It flows around the surface of the flame tube, removing heat transferred by the wall material from the inner surface, heated by a torch of fuel burning in it. Then, getting through the inclined cooling holes 4 in the perforated wall 3 of the section of the flame tube 2, the air goes directly to its hot inner surface. Jets of air fall on it, isolating the wall from the flow of hot gas and taking away the heat received by it. Since a tangential direction is also given by the cooling air stream, this helps to equalize the thickness and increase the area of protection with the air film formed by the cooling air stream from the cooling hole. An obliquely directed air stream protects the surface between the cooling holes of the next section.

Таким образом, эффективность охлаждения стенки повышается, температурные градиенты уменьшаются, а повреждение материала от действия циклических термических напряжений с учетом их концентрации у наклоненных охлаждающих отверстий с малыми углами наклона к нормали стенки, в отличие от прототипа, существенно уменьшается. Термоциклическая долговечность предлагаемой конструкции значительно возрастает. Жаровая труба становится более жесткой и технологичнойThus, the cooling efficiency of the wall is increased, temperature gradients are reduced, and damage to the material from cyclic thermal stresses, taking into account their concentration in inclined cooling holes with small angles of inclination to the wall normal, in contrast to the prototype, is significantly reduced. Thermocyclic durability of the proposed design increases significantly. The heat pipe is becoming more rigid and technologically advanced.

Claims

1. The combustion chamber of a gas turbine engine, including a fire tube with holes in the walls of the sections through which cooling air enters, characterized in that the wall of the section at the locations of the cooling holes, made with a ratio of wall thickness to the diameter of the holes of 1.3-1.6, becomes inclined to the generatrix in the form of an annular step, and the angle of inclination of the perforated surface to the generatrix of the heat pipe wall is selected in the range (90 ± 10) °, while the axes of the cooling holes in the walls of the heat pipe are inclined in two planes: or the perforated surface of the step in the radial direction in the direction of the generatrix 0 ÷ 20 ° and in the tangential -20 ÷ 30 °.

2. The combustion chamber according to claim 1, characterized in that the cooling holes in the sections are arranged in one row.

3. The combustion chamber according to claim 1, characterized in that the cooling holes in adjacent sections are performed with the same pitch around the circumference.

4. The combustion chamber according to claim 1, characterized in that the cooling holes in adjacent sections are performed with different pitch around the circumference.