RU2285203C1

RU2285203C1 - Flame tube for combustion chamber of gas-turbine engine

Info

Publication number: RU2285203C1
Application number: RU2005109537/06A
Authority: RU
Inventors: гушкин Владимир Николаевич Л (RU); Владимир Николаевич Лягушкин; Валерий Григорьевич Лагутин (RU); Валерий Григорьевич Лагутин; Андрей Николаевич Зубаревич (RU); Андрей Николаевич Зубаревич
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2006-10-10

Abstract

FIELD: gas-turbine engine engineering.

SUBSTANCE: flame tube comprises shell and at least one unit for supplying coolant made of openings arranged in the peripheral direction in the shell. The unit for supplying coolant is additionally provided with the grooves connected with the openings. The grooves are made in the inner side of the shell in the peripheral direction at a distance one from the other . The distance ranges from 0.5h to 3h, depth L of each groove ranges from 3h to 15h, and width S of each groove ranges from 2h to 15h, where h is the height of the groove.

EFFECT: enhanced reliability.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных двигателей, в частности к жаровым трубам камер сгорания, и может быть использовано в авиационной промышленности, энергетике, судостроении и других областях техники.The invention relates to combustion chambers of gas turbine engines, in particular to the heat pipes of combustion chambers, and can be used in the aviation industry, energy, shipbuilding and other technical fields.

Известна жаровая труба камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащая обечайку с, по меньшей мере, одним узлом подвода охладителя в виде расположенных на обечайке в окружном направлении отверстий и с козырьками, расположенными на ее внутренней поверхности (см. под редакцией Д.В.Хронина «Конструкция и проектирование авиационных газотурбинных двигателей», Москва, Машиностроение, 1989, стр.409, рис.8.16).A heat pipe of a combustion chamber of a gas turbine engine is known, comprising a casing with at least one cooler supply unit in the form of holes located on the casing in the circumferential direction and with visors located on its inner surface (see, under the editorship of D.V. Chronin, “Design and design of aircraft gas turbine engines ”, Moscow, Mechanical Engineering, 1989, p. 409, Fig. 8.16).

Недостаток известной жаровой трубы заключается в ее низкой надежности из-за таких дефектов, как подгары, коробления и трещины на обечайке и особенно на козырьках, которые являются наиболее нагретыми элементами жаровой трубы. Появление указанных дефектов связано с недостаточной эффективностью конвективно-пленочной системы охлаждения на фоне циклически повторяющихся быстрых переходных процессов (приемистости и сброса газа), происходящих в камере сгорания. Возникающая при этом значительная температурная неравномерность элементов конструкции жаровой трубы приводит к существенному росту температурных напряжений и, как следствие, снижает надежность и ресурс камеры сгорания.A disadvantage of the known flame tube is its low reliability due to defects such as fumes, warping and cracks in the shell and especially on the visors, which are the most heated elements of the flame tube. The appearance of these defects is associated with the insufficient efficiency of the convective-film cooling system against the background of cyclically repeated fast transients (injectivity and gas discharge) occurring in the combustion chamber. The resulting significant temperature non-uniformity of the structural elements of the flame tube leads to a significant increase in temperature stresses and, as a result, reduces the reliability and resource of the combustion chamber.

Технический результат изобретения - повышение надежности и ресурса камеры сгорания путем улучшения охлаждения жаровой трубы.The technical result of the invention is to increase the reliability and resource of the combustion chamber by improving the cooling of the flame tube.

Указанный технический результат достигается тем, что в жаровой трубе камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей обечайку с, по меньшей мере, одним узлом подвода охладителя в виде расположенных на обечайке в окружном направлении отверстий, согласно изобретению, узел подвода охладителя дополнительно содержит сообщенные с отверстиями пазы, выполненные на внутренней поверхности обечайки в окружном направлении на расстоянии d друг от друга, составляющем от 0,5h до 3h, и открытые в сторону выходного сечения жаровой трубы, причем глубина L каждого паза составляет от 3h до 15h, а ширина S каждого паза составляет от 2h до 15h, где h - высота паза.The specified technical result is achieved by the fact that in the flame tube of the combustion chamber of a gas turbine engine containing a shell with at least one cooler supply unit in the form of holes located on the circumferential direction of the shell, according to the invention, the cooler supply unit further comprises grooves communicated with the holes, made on the inner surface of the shell in the circumferential direction at a distance d from each other of 0.5h to 3h, and open towards the output section of the flame tube, and the depth on L of each groove is from 3h to 15h, and the width S of each groove is from 2h to 15h, where h is the height of the groove.

Расстояние d между пазами в окружном направлении должно составлять от 0,5h до 3h, так как при расстоянии d меньше 0,5h происходит ухудшение охлаждения из-за снижения теплового потока через металл стенки между пазами и, кроме того, появляются технологические затруднения при изготовлении; при расстоянии больше 3h происходит ухудшение охлаждения из-за неоднородности структуры потока охладителя в пристеночной завесе в окружном направлении одновременно с увеличением веса конструкции.The distance d between the grooves in the circumferential direction should be from 0.5h to 3h, since when the distance d is less than 0.5h, cooling deteriorates due to a decrease in heat flux through the wall metal between the grooves and, in addition, there are technological difficulties in manufacturing; at a distance of more than 3h, cooling deteriorates due to the heterogeneity of the structure of the coolant flow in the wall curtain in the circumferential direction simultaneously with an increase in the weight of the structure.

Ширина S каждого паза должна составлять от 2h до 15h, так как при ширине паза меньше 2h конструкция имеет повышенный вес, а при ширине паза больше 15h происходит увеличение термонапряжений вследствие значительной неравномерности температуры обечайки в окружном направлении.The width S of each groove should be from 2h to 15h, since with a groove width of less than 2h the structure has an increased weight, and with a groove width of more than 15h there is an increase in thermal stresses due to the significant unevenness of the shell temperature in the circumferential direction.

Глубина L каждого паза должна составлять от 3h до 15h, так как при глубине паза меньше 3h поток охладителя, проходящий через пазы, не успевает стабилизироваться, что приводит к ухудшению охлаждения, а при глубине паза больше 15h неэффективно используется пристеночная завеса охладителя, при этом также увеличивается вес конструкции, а кроме того, возникают технологические затруднения при изготовлении.The depth L of each groove should be from 3h to 15h, since at a groove depth of less than 3h the flow of cooler passing through the grooves does not have time to stabilize, which leads to poor cooling, and at a groove depth of more than 15h the wall curtain of the cooler is ineffectively used, while the weight of the structure increases, and in addition, there are technological difficulties in the manufacture.

Все указанные относительные геометрические параметры определяются на стадии проектирования камеры сгорания в зависимости от условий ее эксплуатации.All these relative geometric parameters are determined at the stage of designing the combustion chamber, depending on the conditions of its operation.

Таким образом, указанные выше диапазоны являются существенными для достижения указанного технического результата.Thus, the above ranges are essential to achieve the specified technical result.

На фиг.1 схематично изображен фрагмент камеры сгорания с одним узлом подвода охладителя (продольный разрез);Figure 1 schematically shows a fragment of a combustion chamber with one node supply cooler (longitudinal section);

на фиг.2 - сечение А-А фиг.1;figure 2 is a section aa of figure 1;

на фиг.3 - фрагмент камеры сгорания с несколькими узлами подвода охладителя - вариант выполнения (продольный разрез).figure 3 is a fragment of a combustion chamber with several nodes supply cooler is a variant of execution (longitudinal section).

Камера сгорания содержит корпус 1 и жаровую трубу 2, расположенную внутри корпуса 1 с образованием кольцевого канала 3. Жаровая труба 2 имеет, по меньшей мере, один узел (пояс) подвода охладителя, содержащий выполненные в обечайке 4 дозирующие отверстия 5 и пазы 6, сообщенные через отверстия 5 с кольцевым каналом 3. Отверстия 5 и пазы 6 расположены на обечайке 4 в окружном направлении, причем пазы 6 расположены таким образом, что при образовании пазов 6 известным методом электроэрозии - вытравливанием металла электродом - между соседними пазами 6 образуются ребра 7, толщина которых равна расстоянию d между пазами 6 в окружном направлении (см. фиг.2).The combustion chamber contains a housing 1 and a flame tube 2 located inside the housing 1 with the formation of an annular channel 3. The flame tube 2 has at least one node (belt) for supplying a cooler, comprising metering holes 5 and grooves 6 made in the casing 4, communicated through holes 5 with an annular channel 3. Holes 5 and grooves 6 are located on the ring 4 in the circumferential direction, and grooves 6 are arranged in such a way that when grooves 6 are formed by the known method of electroerosion - metal etching by an electrode - between adjacent grooves 6 form a rib 7 whose thickness is equal to the distance d between the grooves 6 in the circumferential direction (see FIG. 2).

В зависимости от ширины пазов 6 количество отверстий 5, приходящихся на каждый паз 6 в окружном направлении, может варьироваться, однако должно составлять, по меньшей мере, одно отверстие 5 на один паз 6.Depending on the width of the grooves 6, the number of holes 5 falling on each groove 6 in the circumferential direction may vary, however, it should be at least one hole 5 per groove 6.

Для достижения оптимального охлаждения отверстия 5 располагают таким образом, чтобы продольные оси отверстий 5 и пазов 6 находились во взаимно перпендикулярных или близко к этому плоскостях. При этом продольная ось отверстий расположена на расстоянии не более одного диаметра отверстия от глухого торца пазов. Отверстия 5 являются дозирующими элементами, т.е. определяющими расход охладителя через узел (пояс) подвода охладителя, поэтому суммарная площадь проходных сечений отверстий должна быть в 3...5 раз меньше, чем суммарная площадь проходных сечений пазов.To achieve optimal cooling, the holes 5 are positioned so that the longitudinal axis of the holes 5 and grooves 6 are in mutually perpendicular or close to this plane. Moreover, the longitudinal axis of the holes is located at a distance of not more than one diameter of the hole from the blind end of the grooves. Holes 5 are metering elements, i.e. determining the flow rate of the cooler through the cooler supply unit (belt), therefore, the total area of the through sections of the holes should be 3 ... 5 times less than the total area of the passage sections of the grooves.

По длине жаровой трубы может быть расположено друг за другом несколько узлов (поясов) подвода охладителя, например два и более. При этом для достижения оптимального результата узлы (пояса) могут быть расположены на расстоянии Н друг от друга, составляющем от 10h до 40h (где h - высота паза). Н - расстояние между соседними узлами (поясами) подвода охладителя, а именно: между их выходными сечениями, через которые происходит выдув охладителя в полость жаровой трубы. При расстоянии Н меньше 10h неэффективно используется пристеночная завеса охладителя, при этом также увеличивается вес конструкции, а при расстоянии больше 40h происходит ухудшение охлаждения из-за снижения эффективности пристеночной завесы охладителя.Along the length of the flame tube, several nodes (belts) of the cooler supply can be arranged one after another, for example, two or more. At the same time, to achieve an optimal result, the nodes (belts) can be located at a distance H from each other, which is from 10h to 40h (where h is the height of the groove). H is the distance between adjacent nodes (belts) of the cooler supply, namely: between their outlet sections, through which the cooler is blown into the cavity of the flame tube. At a distance of H less than 10h, the wall curtain of the cooler is ineffectively used, while the weight of the structure also increases, and at a distance of more than 40h, cooling deteriorates due to a decrease in the efficiency of the wall curtain of the cooler.

Высота h пазов для различных узлов (поясов) подвода охладителя может быть как одинаковой, так и изменяющейся от узла (пояса) к узлу (поясу) в зависимости от конструктивных особенностей и условий эксплуатации камеры сгорания, однако в пределах одного узла подвода охладителя все пазы имеют одинаковую высоту h. В случае выполнения пазов сложной формы, т.е. с участками разной высоты, под h понимается h_{средняя}, которая в пределах одного узла (пояса) подвода охладителя также остается неизменной.The height h of the grooves for different nodes (belts) of the supply of the cooler can be either the same or varying from the node (belt) to the node (belt) depending on the design features and operating conditions of the combustion chamber, however, within one node of the supply of the cooler, all the grooves have same height h. In the case of grooves of complex shape, i.e. with sections of different heights, h is understood as h _average , which within the same node (belt) of the cooler supply also remains unchanged.

В конкретном примере реализации (см. фиг.2, 3) расстояние d между соседними пазами 6 равно 1,0 мм (т.е. составляет от 0,5h до 3h), глубина L каждого паза равна 5,0 мм (т.е. составляет от 3h до 15h), ширина S паза равна 5,5 мм (т.е. составляет от 2h до 15h), расстояние Н равно 17,0 мм при высоте h паза, равной, например, 1,5 мм.In a specific implementation example (see FIGS. 2, 3), the distance d between adjacent grooves 6 is 1.0 mm (i.e., from 0.5h to 3h), the depth L of each groove is 5.0 mm (i.e. e. is from 3h to 15h), the groove width S is 5.5 mm (i.e., from 2h to 15h), the distance H is 17.0 mm when the groove height h is, for example, 1.5 mm.

В качестве охладителя выбран воздух. Направление потока охлаждающего воздуха показано - - →. Направление потока горячего газа показано ⇒. Продольная ось двигателя О-О.Air is selected as a cooler. The cooling air flow direction is shown - - →. The direction of flow of hot gas is shown ⇒. The longitudinal axis of the engine Oh.

Камера сгорания газотурбинного двигателя с предложенной жаровой трубой работает следующим образом.The combustion chamber of a gas turbine engine with the proposed flame tube works as follows.

Охлаждающий воздух из кольцевого канала 3 проходит через дозирующие отверстия 5 и попадает в пазы 6, где происходит ударное натекание струй охлаждающего воздуха (охладителя) на противоположные отверстиям 5 поверхности пазов 6, вследствие чего осуществляется эффективное охлаждение в пазах 6. Дополнительно к охлаждению, в пазах 6 происходит выравнивание потока охлаждающего воздуха, который затем выходит вдоль обечайки 4 со стороны потока горячего газа в виде пристеночной завесы (защитной пелены охлаждающего воздуха). Через металл ребер 7 (перемычек) обеспечивается эффективный съем тепла посредством теплопроводности с внутренней поверхности жаровой трубы 2, обращенной к потоку горячего газа на участке протяженностью, равной глубине L паза, непосредственно под пазами (см. фиг.1).The cooling air from the annular channel 3 passes through the metering holes 5 and enters into the grooves 6, where the jets of cooling air (cooler) shock flow onto the opposite surface holes 5 of the grooves 6, which results in effective cooling in the grooves 6. In addition to cooling, in the grooves 6, the flow of cooling air is equalized, which then exits along the shell 4 from the side of the hot gas flow in the form of a wall curtain (protective sheet of cooling air). Through the metal of the ribs 7 (jumpers), an effective heat removal is provided by means of heat conduction from the inner surface of the flame tube 2, facing the hot gas flow in a section of length equal to the depth L of the groove, directly under the grooves (see Fig. 1).

По длине жаровой трубы 2 может быть расположено друг за другом несколько узлов (поясов) подвода охладителя, например два и более. В этом случае работа камеры сгорания аналогична работе камеры с одним узлом подвода охладителя. Образованная таким образом пристеночная завеса обеспечивает конвективную тепловую защиту внутренней поверхности обечайки со стороны потока горячего газа на расстоянии (H-L) от выходного сечения предыдущего узла подвода охладителя в сторону последующего за ним узла подвода охладителя по направлению к выходному сечению жаровой трубы (см. фиг.3).Along the length of the flame tube 2, several nodes (belts) for supplying the cooler can be located one after another, for example, two or more. In this case, the operation of the combustion chamber is similar to the operation of the chamber with one cooler supply unit. The wall curtain thus formed provides convective thermal protection of the inner surface of the shell from the side of the hot gas stream at a distance (HL) from the outlet section of the previous cooler supply unit towards the subsequent cooler supply unit towards the exit section of the flame tube (see Fig. 3 )

Таким образом, в системе охлаждения используется совместное действие интенсивного теплоообмена в пазах 6, конвективной тепловой защиты жаровой трубы 2 пристеночной завесой (защитной пеленой охлаждающего воздуха) со стороны горячего газа и теплопроводности через металл ребер 7. При такой системе охлаждения происходит существенное снижение температуры и температурной неравномерности элементов конструкции жаровой трубы, в том числе в условиях циклически повторяющихся быстрых переходных процессов (приемистости и сброса газа), происходящих в камере сгорания, что приводит к снижению уровня термонапряжений и, следовательно, к повышению надежности работы и ресурса камеры сгорания.Thus, in the cooling system, the combined action of intense heat transfer in the grooves 6, convective thermal protection of the flame tube 2 with a wall curtain (protective sheet of cooling air) from the side of the hot gas and thermal conductivity through the metal of the ribs 7 is used. With this cooling system, a significant decrease in temperature and temperature irregularities of the structural elements of the flame tube, including in the conditions of cyclically repeated fast transients (injectivity and gas discharge), occurring them in the combustion chamber, which leads to a decrease in the level of thermal stresses and, therefore, to increase the reliability and resource of the combustion chamber.

Claims

A heat pipe of a combustion chamber of a gas turbine engine, comprising a shell with at least one cooler supply unit in the form of holes located on the shell in the circumferential direction, characterized in that the cooler supply unit further comprises grooves communicated with the holes made on the inner surface of the shell in the circumferential direction direction at a distance d from each other of 0.5 to 3h and open towards the exit section of the flame tube, the depth L of each groove being 3 to 15h, and the width S of each the basics is from 2 to 15h, where h is the height of the groove.