CZ309955B6 - Souproudá spalovací komora turbínového motoru - Google Patents

Abstract

Souproudá spalovací komora turbínového motoru je provedena s vnějším a vnitřním plamencem, kdy oba plamence jsou opatřeny otvory pro přívod vzduchu, přičemž do komory je ze spodní části proveden přívod paliva radiálním rozstřikovacím kroužkem s přívodními otvory. Podstata řešení spočívá v tom, že vnější plamenec (4) má kuželový tvar a na přední straně na něj navazuje čelní stěna (6), která je kolmá na axiální směr, přičemž mezi předním koncem vnějšího plamence (4) a vnějším koncem čelní stěny (6) je uspořádána soustava chladicích otvorů (8) a mezi vnitřním koncem čelní stěny (6) a rozstřikovacím kroužkem (11) je vytvořena axiální štěrbina (9) pro přívod vzduchu. Koncová, teplotně exponovaná část (17) spodní stěny (5) spalovací komory (2) je spojena s koncovou částí (12a) vnitřního plamence (12), přičemž spodní stěna (5) je s koncovou částí (12a) vnitřního plamence (12) spojena tak, že v radiálním směru je vytvořeno mezikruží (20) a řada přívodních otvorů (13) vzduchu na koncové části (12a) vnitřního plamence (12) je uspořádána pod mezikružím (20), přičemž přední konec vnitřního plamence (12) je opatřen břitem (26) a mezi ním a rozstřikovacím kroužkem (11) je uspořádána mezera (25).

Description

Souproudá spalovací komora turbínového motoru

Oblast techniky

Vynález se týká souproudé, spalovací komory s rozstřikovacím kroužkem paliva, tedy s prouděním paliva a vzduchu ve stejném směru, jako je směr hlavního proudu vzduchu procházejícího motorem, použitelné zejména pro malé turbínové motory.

Dosavadní stav techniky

Na některých typech malých proudových, turbo hřídelových nebo turbo vrtulových motorů se v současné době používá atomizér paliva typu rozstřikovací kroužek. Veškeré aplikace rozstřikovacího kroužku používají velmi podobnou architekturu spalovací komory. Takovéto spalovací komory se zpravidla vyznačují velkou výškou primární zóny v radiálním směru a absencí stabilizačního víru, který by generoval zpětný tok horkých plynů do primární zóny, jak je tomu u spalovacích komor, kde jsou atomizéry paliva typu tlaková tryska nebo trysky typu Airblast vestavěny z čela spalovací komory. Vzduch zde v primární zóně proudí pouze v radiálním směru a dále opouští spalovací komoru ve směru axiálně dostředným.

V dokumentu US 3381471A je představena spalovací komora, kde vstup vzduchuje proveden radiálně shora trubkou, která je namířená naproti vnitřní kuželovité části stěny, která se nachází částečně ve spalovacím, částečně v ředicím prostoru. Zmíněná část stěny je tvarovaná a umístěná tak, aby plyn byl přiveden na tuto kuželovitou část a kopíroval dále tvar stěny tak, aby se vytvořil vír a ten opustil spalovací komoru směrem na turbínu. Vstřik paliva do spalovacího prostoru zajišťuje rozstřikovací kroužek na vnitřním průměru primární zóny. Nevýhodou této spalovací komory je, že stabilizační vír se utvoří až v sekundární zóně, nikoliv v zóně primární, aby tak mohl být efektivně využit objem celé spalovací komory

V dokumentu US 4996838 A je představena spalovací komora, která je vytvořena jako soustava více komor, ústřední je zejména primární spalovací komora a sekundární kruhová spalovací komora. Vstřik paliva je rozstřikovacím kroužkem dole na vnitřní straně primární komory. V komorách vzniká pouze anuloidní vír, který má za úkol prodloužit residenční čas směsi paliva a vzduchu v primární zóně, nepodílí se ale nijak na stabilizaci plamene.

Cílem vynálezu je představit co nejvíce kompaktní spalovací komoru při použití vhodného atomizéru pro vstřik paliva do spalovací komory takovým způsobem, aby indukoval stabilizační vír toroidního tvaru a tím bylo docíleno rychlého předehřevu vstřikovaného paliva, jeho odpaření a shoření při současném využití vzduchu pro chlazení stěn plamenců a atomizéru.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje souproudá spalovací komora turbínového motoru podle vynálezu jehož podstata spočívá v tom že vnější plamenec má kuželový tvar a na přední straně na něj navazuje čelní stěna, která je kolmá na axiální směr, přičemž mezi předním koncem vnějšího plamence a vnějším koncem čelní stěny je uspořádána soustava chladicích otvorů pro vzduch provedených v axiálním směru, přičemž mezi vnitřním koncem čelní stěny a rozstřikovacím kroužkem je vytvořena axiální štěrbina pro přívod vzduchu, přičemž koncová, teplotně exponovaná část spodní stěny spalovací komory je spojená s koncovou částí vnitřního plamence, přičemž spodní sténaje s koncovou částí vnitřního plamence spojena tak, že v radiálním směruje vytvořeno mezikruží a řada přívodních otvorů vzduchu na koncové části vnitřního plamence je uspořádaná pod mezikružím, přičemž koncová část přesahuje přes teplotně exponovanou koncovou část, přičemž přední konec koncové části vnitřního plamence je opatřen břitem a mezi

- 1 CZ 309955 B6 ním a rozstřikovacím kroužkem je uspořádaná mezera, přičemž soustavy otvorů a otvorů po obvodu kuželového pláště v radiálním směru ve vnějším plamenci, řada přívodních otvorů vzduchu, mezikruží, mezera a axiální štěrbina jsou zdrojem generování stabilizačního víru toroidního tvaru v primární zóně.

Objasnění výkresů

Vynález bude nyní objasněn pomocí výkresů na kterých:

obr. 1 je podélný řez polovinou souproudé spalovací komory turbínového motoru podle vynálezu;

obr. 2 je spalovací komora z obr. 1 s vyznačenými drahami a směry proudění vzduchu;

obr. 3 je detail spalovací komory z obr. 1 v prostoru nad rozstřikovacím kroužkem s vyznačením toroidního víru; a obr. 4 je ještě více zvětšený detail prostoru nad rozstřikovacím kroužkem a prostoru mezikruží mezi teplotně exponovanou částí spalovací komory a vnitřního plamence.

Příklad uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 je podélný řez polovinou souproudé spalovací komory turbínového motoru podle vynálezu. Je zde vidět část turbínového motoru 1 s pláštěm 14. přičemž uvnitř je provedena spalovací komora 2. V přední části turbínového motoru 1 je na hlavní hřídeli 10, na obrázku vlevo, uložen neznázoměný kompresor a napravo, v zadní části, je na hřídeli 10 uložena rovněž neznázoměná turbína.

Spalovací komora 2 má vstup 21 vzduchu pod přední částí pláště. Spalovací komora 2 je tvořena vnějším plamencem 4, který má kuželový tvar a na přední straně na něj navazuje čelní stěna 6, která je kolmá na axiální směr. Dále je spalovací komora 2 opatřena vnitřním plamencem 12 s koncovou částí 12a. Vnější plamenec 4 je kuželovitého tvaru a obsahuje soustavu otvorů 7 po obvodu kuželového pláště v radiálním směru. Mezi předním koncem vnějšího plamence 4 a vnějším koncem čelní stěny 6 je uspořádána soustava chladicích otvorů 8 pro vzduch provedených v axiálním směru.

Mezi koncovou částí 12a vnitřního plamence 12 a čelní stěnou 6 vnějšího plamence 4 je uspořádán radiální rozstřikovací kroužek J_J_. Rozstřikovací kroužek 11 je opatřen soustavou radiálních přívodních otvorů 19 pro rozstřikování paliva do prostoru spalovací komory 2. Mezi čelní stěnou 6 a rozstřikovacím kroužkem 11 je vytvořena axiální štěrbina 9 pro přívod chladicího vzduchu. Všechny výše zmíněné otvory se podílí na vytvoření toroidního stabilizačního víru 15 v primární zóně 3 spalovací komory 2. Ten je dobře vidět na obr. 2, kde je šipkami vyznačen směr proudění vzduchu a pak na obr. 3, kde je vidět v detailu přední část spalovací komory 2, zejména její primární zóna 3.

Vnější plamenec 4 je ve tvaru kužele zvolen záměrně. Je tak dosaženo dostatečně velkého průřezu mezi vnějším plamencem 4 a pláštěm 14 motoru, který napomáhá snížit axiální rychlost. Vzduch potom protéká soustavou otvorů 7 pod velkým úhlem vůči ose motoru. Je tak docíleno potřebné penetrace vzduchu do hlavního proudu označeného vztahovou značkou 23, viz obr. 2, což přispívá ke generování toroidního stabilizačního víru 15. V opačném případě, pokud by k dostatečné penetraci nedošlo, směr toku vzduchu otvory 7 ve vnějším plamenci 4 zůstane dominantně v axiálním směru a kompaktní toroidní vír 15 v primární zóně 3 se nevytvoří.

-2CZ 309955 B6

Vnitřní plamenec 12 obsahuje řadu otvorů 13 v radiálním směru uspořádaných pod mezikružím 20. které je vytvořeno mezi koncovou, teplotně exponovanou částí 17 spodní stěny 5 spalovací komory 2 a koncovou částí 12a vnitřního plamence 12. To je nejlépe vidět v detailu na obr. 4. Teplotně exponovaná koncová část 17 spodní stěny 5 spalovací komory 2 je spojena s koncovou částí 12a vnitřního plamence 12, která přesahuje přes teplotně exponovanou koncovou část 17. Z mezikruží 20 vzduch vytéká v axiálním směru, naznačeným šipkou 24, proti směru hlavního proudu 23. Vzduch, který takto prochází řadou otvorů 13 narazí na teplotně exponovanou koncovou část 17 spodní stěny 5 spalovací komory 2, která je spojena s koncovou částí 12a vnitřního plamence 12, čímž lokálně vzniká nárůst součinitele přestupu tepla na spodní ploše 18 teplotně exponované části 17. Tím je zajištěno chlazení teplotně exponované koncové části 12a vnitřního plamence 12. Vzduch je poté vypouštěn ve směru šipky 24 nad vnější průměr rozstřikovacího kroužku 11. Takto vedený vzduch se podílí na vytvoření toroidního víru 15 a zároveň chrání rozstřikovací kroužek 11 před přímým kontaktem s horkými plyny, které by měly za následek vážné snížení mechanických vlastností materiálu rozstřikovacího kroužku 11, a tím mohlo ohrozit zachování jeho integrity. Ve stejném směru, jako je naznačeno šipkou 24. protéká vzduch i mezerou 25 mezi břitem 26 vnitřního plamence 12 a rozstřikovacím kroužkem 11. Hlavní účel mezery 25 je za jakýchkoliv okolností předejít kontaktu mezi rotujícím rozstřikovacím kroužkem 11 a břitem 26 vnitřního plamence. Vzniklá mezera 25 se pak podílí na izolaci rozstřikovacího kroužku 11 od horkých plynů v primární zóně 3.

Na zadní straně spalovací komory 2 jsou uspořádány přímé statorové lopatky 16 s dutinou 22 přivádějící vzduch do prostoru mezi vnitřní plamenec 12 a hlavní hřídel 10. Z důvodu malých rozměrů turbínového motoru a tím i jeho komponent, není možné navrhnout rozváděči kolo turbíny s dutými lopatkami o požadované tloušťce profilu, aby bylo dosaženo požadované průtokové kapacity jak vzduchu protékajícího do prostoru mezi vnitřním plamencem a hlavní hřídelí, tak hlavní proudové cesty. Respektive, možné to je, ale pouze za cenu velkého snížení hustoty lopatkové mříže rozváděcího kola turbíny. Tím je ale zásadně ovlivněno požadované výsledné stočení protékajících spalin do obvodového směru, což je z hlediska dosažení požadovaných výkonových charakteristik motoru nežádoucí. Z toho důvodu je použito separátní kolo s přímými statorovými lopatkami 16. To může být jako separátní díl, do kterého jsou uloženy lopatky 16 nebo jako součást vnitřního plamence 12 nebo vnějšího plamence 4.

Chlazení čelní stěny 6 vnějšího plamence 4 je provedeno přívodem vzduchu axiální štěrbinou 9. Běžnou praxí je použití co nejmenší radiální štěrbiny mezi rozstřikovacím kroužkem a stěnou vnějšího plamence. K chlazení stěny vnějšího plamence je pak použit systém otvorů v čelní stěně vnějšího plamence. Navíc, prostor mezi zadní stěnou kompresoru a vnějším plamencem je zpravidla vystaven nižšímu tlaku než zbytek komory. Kvůli nízkému tlakovému spádu v daném místě je průtok vzduchu zpravidla nestabilní. V našem případě je použita axiální štěrbina. Její nastavení je zpravidla jednodušší a stabilnější během provozu než štěrbina radiální. Navíc, při kontaktu vzduchu protékajícího axiální štěrbinou 9 s mezikružím čelní plochy rozstřikovacího kroužku 11, který rotuje, dojde skrze tření vzduchu o rotující povrch rozstřikovacího kroužku 11 k předání kinetické energie, která urychlí vzduch v radiálním a obvodovém směru. Tím dojde k vytvoření rovnoměrného chladicího filmu podél vnitřní strany čelní stěny 6 vnějšího plamence 4. Je tak dosaženo relativně tenkého filmu, který je schopen pokrýt celou čelní stěnu 6.

Představený vynález představuje kompaktní spalovací komoru 2 při použití rozstřikovacího kroužku 11 pro vstřik paliva do spalovací komory 2, přičemž se vytváří stabilizační vír 15 toroidního tvaru, a tím je docíleno rychlého předehřevu vstřikovaného paliva, jeho odpaření a shoření při současném využití vzduchu pro chlazení stěn plamenců 4, 12 a rozstřikovacího kroužku 11.

Claims (1)

1. Souproudá spalovací komora (2) turbínového motoru (1), který j e opatřen pláštěm, kde v přední části turbínového motoru (1) je na hlavní hřídeli (10) uložen kompresor a v zadní části turbínového motoru (1) je na hřídeli (10) uložena turbína, přičemž spalovací komora (2) je umístěna uvnitř pláště (14) a sestává z primární zóny (3) se vstupem vzduchu a z vnějšího plamence (4) a vnitřního plamence (12), kdy oba jsou opatřeny otvory (7, 13) pro přívod vzduchu, a přičemž do komory (2) je proveden přívod paliva radiálním rozstřikovacím kroužkem (11) uspořádaným na hřídeli s přívodními otvory (19), vyznačující se tím, že vnější plamenec (4) má kuželový tvar a na přední straně na něj navazuje čelní stěna (6), která je kolmá na axiální směr, přičemž mezi předním koncem vnějšího plamence (4) a vnějším koncem čelní stěny (6) je uspořádána soustava chladicích otvorů (8) pro vzduch, provedených v axiálním směru, a mezi vnitřním koncem čelní stěny (6) a rozstřikovacím kroužkem (11) je vytvořena axiální štěrbina (9) pro přívod vzduchu, přičemž koncová, teplotně exponovaná část (17) spodní stěny (5) spalovací komory (2) je spojená s koncovou částí (12a) vnitřního plamence (12), přičemž v radiálním směruje na koncové části (12a) vytvořeno mezikruží (20) a pod ním je uspořádána řada přívodních otvorů (13) vzduchu, přičemž koncová část (12a) přesahuje přes teplotně exponovanou koncovou část (17), a přední konec koncové části (12a) vnitřního plamence (12) je opatřen břitem (26) a mezi ním a rozstřikovacím kroužkem (11) je uspořádána mezera (25), a přičemž soustavy otvorů (8) a otvorů (7) po obvodu kuželového pláště v radiálním směru ve vnějším plamenci (4), řada přívodních otvorů (13) vzduchu, mezikruží (20), mezera (25) a axiální štěrbina (9) jsou vytvořeny pro generování stabilizačního víru toroidního tvaru v primární zóně (3).