РЕГУЛЯТОР ПОВОРОТА ЛОПАТОК ЗАВИХРИТЕЛЯ ФРОНТОВОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2001 года по МПК F23R3/14 

Изобретение относится к авиадвигателестроению, в частности к устройствам для регулирования завихрителя фронтового устройства камеры сгорания высокотемператуного газотурбинного двигателя (ГТД).

Известно фронтовое устройство камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащее блок лопаток завихрителя, закрепленных между внутренним и наружным кольцами, во внутреннем кольце размещена форсунка, а наружное кольцо подвижно соединено с фланцем вкладыша жаровой трубы камеры сгорания и через шарнир соединено с рычагом поворотного механизмам, за лопатками к фланцу жестко закреплены профилированные пластины, между которыми образован канал, являющийся продолжением межлопаточного канала завихрителя (US 4534166, F 02 C 9/00, 1985).

Недостатком известного устройства является недостаточная точность управления, обусловленная дискретным изменением угла поворота потока и величины проходного сечения (имеет три дискретных положения) и косвенным управлением углом поворота потока по режимам работы сгорания камеры (поворот блока лопаток осуществляется внешним приводом). Это приводит к несоответствию количества воздуха, проходящего через межлопаточный канал, и угла его отклонения режимам работы камеры сгорания между фиксированными положениями угла поворота потока.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является регулятор поворота лопаток завихрителя фронтового устройства камеры сгорания, имеющего форсунку, содержащий цилиндрический корпус с кольцевой полостью и размещенным в последней подпружиненным кольцевым поршнем, цилиндрическую втулку с продольными вырезами, жестко закрепленную к поршню (DE 4220060, F 23 R 3/14, 1993).

Недостатком данного устройства является то, что при его использовании для регулировании расхода первичного воздуха в камерах сгорания высокотемпературных ГТД в требуемом диапазоне изменения угла установки лопаток резко будет падать эффективность завихрителя на режимах пониженной и повышенной мощности. Для удовлетворительной работы камеры сгорания при снижении суммарного коэффициента избытка воздуха (повышении T_г ^*) с 2,25 до 1,43 расход воздуха через первичную зону требуется увеличить с 36,5% до 56% от суммарного его расхода через камеру. Таким образом, диапазон регулирования угла установки лопаток завихрителя камеры сгорания для высокотемпературного ГТД должен находиться в пределах Δϕ_лз ≈ 25-30^o.

Нерегулируемые завихрители традиционных камер сгорания имеют базовый угол установки лопаток порядка 50-55^o. Следует ожидать, что угол установки лопаток завихрителя при работе КС высокотемпературного ГТД на максимальном режиме должен составлять величину порядка 20-25^o, что соответствует параметру закрутки S = 0,25-0,30 (). Для возникновения же центральной рециркуляционной зоны возвратных токов (ЦРЗВТ) в центральной части жаровой трубы параметр закрутки должен превышать критическое значение S_кр ≈ 0,6 /4/. При работе КС высокотемпературного ГТД на режиме минимальной мощности и при высотном запуске угол установки лопаток должен соответствовать максимально возможному с целью значительного снижения расхода первичного воздуха и переобогащения топливо-воздушной смеси в первичной зоне. Максимально возможный угол ограничен условием резкой потери эффективности закручивающего устройства при углах установки, соответствующих S ≈ 2 (ϕ_лз ≈ 70^o). Требуемая величина максимально необходимого угла установки лопаток завихрителя для КС высокотемпературных ГТД находится выше указанного предела (ϕ_лз ≈ 80^o). Таким образом для регулируемых завихрителей КС высокотемпературных ГТД существует ограничение по изменению угла установки лопаток завихрителя.

Задачей изобретения является расширение диапазона регулирования лопаточного завихрителя и повышение его эффективности с точки зрения снижения гидравлических потерь для КС высокотемпературных ГТД.

Поставленная задача решается за счет того, что в регуляторе поворота лопаток завихрителя фронтового устройства, имеющего форсунку с топливными каналами, содержащего цилиндрический корпус с образованием кольцевой полости, кольцевой поршень, размещенный в ней и подпружиненный со стороны одного из торцов, а полость со стороны другого торца сообщена с топливным каналом форсунки, завихритель разделен в радиальном направлении на наружный и внутренний, ввиду чего к поршню жестко закреплена цилиндрическая втулка с продольными вырезами по числу лопаток внутреннего завихрителя, с одной стороны вырезов имеются зубчатые рейки, в зацепление с которыми входят шлицы поводков поворотных хвостовиков лопаток внутреннего завихрителя, а поводки хвостовиков лопаток наружного завихрителя входят в зацепление с зубчатыми рейками, выполненными в вырезах цилиндрической втулки, жестко закрепленной с сильфоном, внутри которого подается давление воздуха перед компрессором, а снаружи на него воздействует давление воздуха за компрессором ГТД.

Углы отклонения хвостовиков лопаток внутреннего завихрителя регулируются в узком диапазоне по величине давления топлива перед форсунками, а углы отклонения хвостовиков лопаток наружного завихрителя регулируются в широком диапазоне (завихритель полностью закрыт - полностью открыт) по величине степени повышения давления воздуха в компрессоре двигателя

Существенными достаточными признаками, характеризующими изобретение во всех случаях, являются:
1. Разделение завихрителя в радиальном направлении на две части с возможностью независимого управления ими.

2. Управление наружным завихрителем с помощью сильфона по величине степени повышения давления воздуха в компрессоре ГТД.

3. Управление внутренним завихрителем с помощью поршня и цилиндрической втулки с продольными вырезами по величине давления топлива перед форсунками.

Существенными признаками, характеризующими изобретение в частном случае, являются:
1. Регулирование величины закрутки потока путем изменения углов установки хвостовиков лопаток закручивающего устройства.

2. Управление углом установки хвостовиков лопаток посредством зубчатых передач.

Применение всех существенных признаков позволяет расширить диапазон регулирования лопаточного завихрителя для КС высокотемпературного ГТД и повысить его эффективность с точки зрения снижения гидравлических потерь в закручивающем устройстве путем раздельного управления наружным и внутренним завихрителем и по режимам работы ГТД и при изменении условий полета летательного аппарата.

На фиг. 1 представлен регулятор поворота лопаток для КС высокотемпературного ГТД, продольный разрез, в положении, соответствующем минимальному режиму работы; на фиг. 2 - то же, в положении, соответствующем максимальному режиму работы; на фиг. 3 - вид А-А на фиг. 1.

Закручивающее устройство для камеры сгорания высокотемпературного ГТД содержит внутренний 1 и наружный 2 завихрители, а также топливную форсунку 3.

Приводной механизм внутреннего завихрителя имеет цилиндрический корпус, выполненный в виде гильзы 4, образующей с форсункой 3 кольцевую полость 5, содержит размещенный в полости 5 подпружиненный с одной стороны поршень 6 и жестко закрепленную с ним с другой стороны цилиндрическую втулку 7, имеющую продольные вырезы 8 по числу лопаток внутреннего завихрителя 1. На одной из сторон продольных вырезов 8 имеются зубчатые рейки, в зацепление с которыми входят шлицы поводков 9 поворотных хвостовиков 10 лопаток внутреннего завихрителя 1.

Поворотные хвостовики 10 закреплены с возможностью поворота между внутренним 11 и средним разделительным 12 кольцами закручивающего устройства. Полость поршня 6, обратная пружине, соединена с топливным каналом 13 форсунками 1.

Приводной механизм наружного завихрителя 2 выполнен в виде кольцевой полости 14, образованной между наружным кольцом 15 закручивающего устройства и стенкой жаровой трубы 16, и заключенного в ней сильфона 17, одна сторона сильфона 7 жестко закреплена к фланцу 18 наружного кольца 15, а к другой стороне сильфона жестко крепится цилиндрическая втулка 19, имеющая продольные вырезы 20 по числу лопаток наружного завихрителя. На одной из сторон продольных вырезов 20 имеются зубчатые рейки, в зацепление с которыми входят шлицы поводков 21 поворотных хвостовиков 22 лопаток наружного завихрителя 2. Поворотные хвостовики 22 закреплены с возможностью поворота между средним разделительным 12 и наружным 15 кольцами закручивающего устройства.

Во внутреннюю полость сильфона 17 подводится давление перед компрессором двигателя, а давление в кольцевой полости 14 соответствует давлению за компрессором ГТД.

Устройство для регулирования завихрителя фронтового устройства работает следующим образом. При неработающем двигателе, когда топливо и воздух в камеру сгорания не подводятся, элементы устройства находятся в исходном положении (фиг. 1). Хвостовики 10 лопаток внутреннего завихрителя 1 установлены на максимально допустимый угол с минимальным проходным сечением в межлопаточных каналах, а поршень 6 с цилиндрической втулкой 7 находятся в крайнем исходном положении на упоре. Хвостовики 22 лопаток наружного завихрителя 2 установлены на максимальный конструктивный угол (завихритель закрыт), а сильфон 17 имеет максимальный объем.

При запуске двигателя под действием давления топлива поршень 6 начинает перемещаться, сжимая пружину, и перемещает цилиндрическую втулку 7, которая через зубчатые передачи поворачивает поводок 9 хвостовиков 10 лопаток внутреннего завихрителя 1 на открытие (меньший угол), одновременно увеличивая площадь проходного сечения межлопаточных каналов. Одновременно начинает расти давление воздуха за компрессором P_к ^*. Рост P_к ^* приводит к сжатию сильфона 17 и его перемещению в сторону фланца 18 наружного кольца 15, вызывающего, в свою очередь, и перемещение цилиндрической втулки 19, которое приводит к повороту поводка 21 хвостовиков 22 лопаток наружного завихрителя 2 на открытие с увеличением площади проходного сечения межлопаточных каналов.

Зависимость угла установки хвостовиков лопаток внутреннего завихрителя 1 от давления топлива (режима работы ГТД) определяется жестокостью пружины и выбирается из условий поддержания в зоне горения коэффициента избытка воздуха, близкого к оптимальному, обеспечение требуемой закрутки потока на всех режимах работы ГТД и приемлемого уровня гидравлических потерь.

Зависимость угла установки хвостовиков лопаток наружного завихрителя от π*к

определяется жесткостью сильфона 17, которая выбирается такой, чтобы на режимах запуска и "малого газа" наружный завихритель был полностью закрыт, а на режиме максимальной мощности полностью открыт. На режиме максимальной мощности элементы устройства занимают положение, представленное на фиг. 2.

При переходе двигателя на пониженные режимы работы давление топлива и π*к

снижаются, вызывая перемещение поршня 6 и сильфона 17 в направлении исходного положения. В результате чего хвостовики лопаток внутреннего и наружного завихрителей поворачиваются на больший угол, уменьшая при этом площадь проходных сечений межлопаточных каналов.

Регулятор поворота лопаток завихрителя фронтового устройства, имеющего форсунку, предназначен, в частности, для камер сгорания высокотемпературных газотурбинных двигателей. Регулятор содержит цилиндрический корпус с образованием кольцевой полости, размещенный в ней кольцевой поршень. Кольцевой поршень подпружинен со стороны одного из торцов. Кольцевая полость со стороны другого торца сообщена с топливным каналом форсунки. Завихритель разделен в радиальном направлении на наружный и внутренний. К поршню жестко закреплена цилиндрическая втулка с продольными вырезами по числу лопаток внутреннего завихрителя. С одной стороны вырезов имеются зубчатые рейки, в зацепление с которыми входят шлицы поводков поворотных хвостовиков внутреннего завихрителя. Поводки хвостовиков лопаток наружного завихрителя входят в зацепление с зубчатыми рейками, выполненными в вырезах цилиндрической втулки, жестко закрепленной с сильфоном. Внутрь сильфона подается давление воздуха перед компрессором, а снаружи на него воздействует давление воздуха за компрессором. Изобретение расширяет диапазон регулирования лопаточного завихрителя и повышает его эффективность. 3 ил.

Регулятор поворота лопаток завихрителя фронтового устройства, имеющий форсунку с топливными каналами, содержащий цилиндрический корпус с образованием кольцевой полости, кольцевой поршень, размещенный в ней и подпружиненный со стороны одного из торцов, а полость со стороны другого торца сообщена с топливным каналом форсунки, отличающийся тем, что завихритель разделен в радиальном направлении на наружный и внутренний, ввиду чего к поршню жестко закреплена цилиндрическая втулка с продольными вырезами по числу лопаток внутреннего завихрителя, с одной стороны вырезов имеются зубчатые рейки, в зацепление с которыми входят шлицы поводков поворотных хвостовиков лопаток внутреннего завихрителя, а поводки хвостовиков лопаток наружного завихрителя входят в зацепления с зубчатыми рейками, выполненными в вырезах цилиндрической втулки, жестко закрепленной с сильфоном, внутрь которого подается давление воздуха перед компрессором, а снаружи на него воздействует давление воздуха за компрессором ГТД.