ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F01D25/24 F01D11/00 

Изобретение относится к турбореактивному двигателю, включающему в себя сверху вниз, по направлению движения первичного потока, компрессор высокого давления, диффузор и камеру сгорания, при этом компрессор высокого давления содержит внешнюю обечайку, радиально ограничивающую канал вышеупомянутого первичного потока и соединенную с кольцеобразной конструкцией, которая выступает радиально наружу, диффузор содержит, в качестве продолжения внешней обечайки компрессора в осевом направлении внешний картер, соединенный с конической опорой, направленной к задней части и ограничивающей сверху основание камеры сгорания, опора, в свою очередь, соединена с внешней обечайкой картера, простирающегося по направлению вверх и закрепленного на кольцеобразной конструкции, определяющей полость вокруг вышеупомянутого диффузора, при этом в опоре предусмотрены воздухозаборные отверстия, соединяющие основание камеры с вышеупомянутой полостью, внешняя обечайка картера оснащена выходными отверстиями для забранного воздуха и средствами уплотнения, предусмотренными между кольцеобразной конструкцией и внешним картером диффузора, для изолирования вышеупомянутой полости от канала первичного потока.

Забор воздуха для кабины самолета, оснащенного, по меньшей мере, одним турбореактивным двигателем, осуществлен в основании камеры сгорания в зоне, где он менее всего снижает общий КПД двигателя. Забор воздуха осуществляется через отверстия опоры, что дает возможность размещать выходные отверстия для забираемого воздуха. Такое расположение обеспечивает герметичность между каналом компрессора высокого давления и полостью, расположенной выше диффузора.

Герметичность трудно реализовать ввиду наличия относительных перемещений между диффузором и внешней обечайкой компрессора, составляющих порядка 1,5 мм в осевом направлении и точно такого же порядка в радиальном направлении и возникающих вследствие термических и механических реакций различных деталей в среде, подвергнутой воздействию высоких давлений, которые могут достигать 30 бар, и повышенных температур, которые могут достигать 650°С.

Настоящая технология, призванная обеспечить герметичность между компрессором и внешним картером диффузора, основана на применении плоской прокладки и подпружиненной контр-прокладки. Эта технология дает реальную возможность достаточно большого перемещения между двумя деталями. В патентах FR 2829796, US 6464457, US 6435820 раскрыт тип герметичных соединений на прокладках, используемых в авиации и устанавливаемых между элементами, перемещающимися друг относительно друга. На фиг.1 изображено устройство из известного уровня техники, в частности компрессор 1 высокого давления турбореактивного двигателя, содержащего сверху вниз по направлению первичного потока F1 турбинное колесо с неподвижными лопатками 2, которое тянется радиально по направлению внутрь, начиная от внешнего картера 3, турбинное колесо с подвижными лопатками 4, установленными на периферии колеса компрессора 5, и простирающегося по направлению наружу до внешней обечайки 6 компрессора, радиально ограничивающего при помощи внешнего картера 3 канал первичного потока, причем внешняя обечайка 6 соединена с кольцеобразной конструкцией 7, имеющей V-образное сечение в плоскости, содержащей ось турбореактивного двигателя, и тянущейся радиально по направлению наружу, и закрепленной на внешнем картере двигателя при помощи болтового соединения.

В нижней части компрессора 1 предусмотрен диффузор 10, который получает воздух, сжатый компрессором 1, и подает его в камеру сгорания 11. Диффузор 10 имеет в качестве продолжения в осевом направлении внешней обечайки 6 компрессора 1 внешний картер 12, соединенный с конической опорой 13, направленной к задней части турбореактивного двигателя, причем опора 13 определяет верхнюю стенку основания камеры сгорания 11 и соединена своим внешним радиальным участком с внешней обечайкой 14 картера, простирающейся по направлению вверх и имеющей верхний фланец 15, служащий для фиксации при помощи болтового соединения узла, образованного камерой сгорания и диффузором, на радиально внешнем фланце 16 кольцеобразной конструкции 7.

Таким образом, полость 20, окружающая диффузор 10, ограничена в осевом направлении кольцеобразной конструкцией 7 и опорой 13, в радиальном направлении наружу внешней обечайкой 14 картера и в радиальном направлении внутрь - нижней частью 6а внешней обечайки 6 компрессора и верхней частью 12а внешнего картера 12, причем зазор 21 разделяет эти две части.

Опора 13 имеет воздухозаборные отверстия 22 в основании камеры, а внешняя обечайка 14 картера оснащена выходными отверстиями 23 для обеспечения подачи воздуха для вентиляции кабины самолета или для охлаждения других частей турбореактивного двигателя.

Герметичность между каналом компрессора и полостью 20 обеспечена так, как это детально показано на фиг.2, посредством разделенной на участки плоской прокладки 30, продублированной контр-прокладкой 31, установленной на периметре верхней части 12a внешнего картера 12 диффузора. С этой целью нижняя часть 12а снабжена на своем периметре канавкой 32, ограниченной двумя фланцами, обозначенными 33а - верхний и 33b - нижний, которые содержат отверстия для установки заклепок 34. Прокладки 30 и контр-прокладки 31 упираются в нижнюю поверхность верхнего фланца 33а под воздействием пружин 35 и удерживаются заклепками 34. Пружины 35 также удерживаются заклепками 34. Внутренний радиальный участок кольцеобразной конструкции 7 имеет кольцеобразный выступ 40, который тянется в осевом направлении в полость 20 и край которого находится выше верхнего фланца 33а при отсутствии осевого перемещения между внешней обечайкой 6 компрессора 1 и внешним картером 12 диффузора, как это показано на фиг.2.

Пружины 35 упираются в прокладки в районе кольцеобразной зоны, отделяющей выступ 40 от верхнего фланца 33а. С другой стороны давление воздуха в полости 20 немного превосходит давление в канале на уровне зазора 21.

Опоры прокладок 30 - боковая поверхность выступа 40 и боковая поверхность верхнего фланца 33а имеет выпуклые поверхности. Совместные усилия пружин 35 и разности давлений на две поверхности прокладок 30 сближают прокладки 30, поверхности которых в конфигурации, показанной на фиг.2, являются плоскими, что обеспечивает герметичность.

В некоторых фазах полета между прокладками 30 и выступом 40 остается зазор, дающий возможность утечки, в частности, когда выступ 40 проходит над канавкой 32, как это показано на фиг.4 и 5. Между двумя расположенными одна за другой пружинами прокладки 30 отходят от выступа, и только небольшая разность давлений между двумя поверхностями может воспрепятствовать образованию этого зазора. В таком случае происходит утечка через зазор 41 между прокладками и краем выступа 40.

Напротив, когда диффузор 10 отдаляется от компрессора 1, как это видно на фиг.3, усилие, вызванное разностью давлений, и усилие пружин 35 обеспечивают надлежащую герметичность посредством деформации прокладок 30.

Двойные стрелки, показанные на фиг.2, обозначают относительные осевые и радиальные перемещения между нижним краем внешней обечайки 6 компрессора и верхним краем внешнего картера 12 диффузора 10.

Кроме того, следует отметить, что положение этого уплотнения, лежащего на внешнем картере 12, дает возможность установки узла камеры сгорания и диффузора на компрессор, посредством относительного осевого перемещения указанного узла по отношению к компрессору, затем посредством болтового соединения внешних фланцев 15 и 16.

Задача изобретения состоит в разработке турбореактивного двигателя, в котором обеспечивалась бы герметичность между полостью забора воздуха в кабину и каналом первичного потока в компрессоре независимо от относительного положения между внешней обечайкой компрессора и внешним картером диффузора.

Задача решается тем, что в турбореактивном двигателе, включающим в себя сверху вниз, по направлению движения первичного потока, компрессор высокого давления, диффузор и камеру сгорания, причем компрессор высокого давления содержит внешнюю обечайку, радиально ограничивающую канал первичного потока и соединенную с кольцеобразной конструкцией, которая выступает радиально по направлению наружу, диффузор содержит, в качестве продолжения внешней обечайки компрессора в осевом направлении, внешний картер, соединенный с конической опорой, направленной к задней части двигателя и ограничивающей сверху основание камеры сгорания, опора соединена с внешней обечайкой картера, простирающегося по направлению вверх и закрепленного на кольцеобразной конструкции при помощи фиксирующих элементов, при этом опора, внешняя обечайка картера и кольцеобразная конструкция определяют полость вокруг диффузора, в опоре предусмотрены воздухозаборные отверстия для соединения основания камеры с вышеупомянутой полостью, внешняя обечайка картера оснащена отверстиями забора воздуха, причем между кольцеобразной конструкцией и внешним картером диффузора предусмотрены средства уплотнения, обеспечивающие изолирование полости от канала первичного потока, согласно изобретению средства уплотнения образованы щеточной прокладкой, закрепленной на периферии верхней части внешнего картера диффузора, прокладка содержит щетинки, размещенные радиально по направлению наружу и опирающиеся на внутреннюю поверхность цилиндрической гильзы, жестко связанной с кольцеобразной конструкцией и окружающей вышеупомянутую щеточную прокладку.

Применение щеточных прокладок в газотурбинных двигателях само по себе известно, но данный тип прокладок никогда не использовался для обеспечения герметичности полости, расположенной между компрессором и узлом диффузор - камера сгорания.

Герметичность реализована посредством плотности и гибкости щетинок, которые дают возможность оптимальным образом опираться на гильзу, независимо от относительного положения гильзы и внешнего картера.

Щеточная прокладка может быть либо разделена либо не разделена на участки. Она может быть закреплена на внешнем картере различными способами.

Целесообразно, что на периферии верхней части указанного внешнего картера предусмотрена канавка, и щеточная прокладка закреплена в вышеупомянутой канавке при помощи фиксирующих элементов.

Целесообразно также, что щеточная прокладка закреплена при помощи фиксирующих элементов в периферической канавке кольца с U-образным сечением, и вышеупомянутое кольцо закреплено посредством сварки на периферии верхней части указанного внешнего картера.

Предпочтительно, что щеточная прокладка имеет в своей внутренней радиальной зоне металлическое кольцо, и вышеупомянутое кольцо закреплено посредством сварки на периферии верхней части указанного внешнего картера.

Другие преимущества и характеристики изобретения будут раскрыты в описании, приводимом ниже в качестве примера и со ссылками на приложенные фигуры, в числе которых:

фиг.1-5 изображают устройство, известное из уровня техники:

фиг.1 - осевой разрез, по плоскости, проходящей через ось турбореактивного двигателя, нижней части компрессора и диффузора, который показывает расположение полости, сообщающейся с основанием камеры, и в которую забирается воздух для кабины самолета, и установку уплотнительной прокладки, согласно известному уровню техники, между этой полостью и трубкой первичного потока;

фиг.2 показывает в большем масштабе расположение уплотнительной прокладки в соответствии с состоянием техники;

фиг.3 показывает деформацию прокладки в случае увеличения зазора между внешней обечайкой компрессора и внешним картером диффузора;

фиг.4 показывает деформацию той же прокладки в случае уменьшения этого зазора; и

фиг.5 - вид в перспективе уплотнительной прокладки в случае уменьшения зазора, который показывает возможность утечки;

фиг.6 - вид в разрезе внешней зоны канала первичного потока, расположенной между компрессором и диффузором, показывает систему герметизации на основе щеточных прокладок согласно первому варианту осуществления изобретения;

фиг.7 показывает второй вариант осуществления изобретения; и,

фиг.8 показывает третий вариант осуществления изобретения.

На фиг.6-8 изображено уплотняющее устройство 50, основанное на щеточной прокладке, расположенной между радиальной внутренней частью 7а кольцеобразной конструкции 7, параллельной опоре 13, и верхней частью 12а внешнего картера диффузора 10. На этих фиг.6-8 идентичные детали или элементы имеют одни и те же обозначения, что и на фиг.1-5.

Фиг.6 иллюстрирует первый вариант осуществления изобретения. Верхняя часть 12а внешнего картера 12 имеет на своей периферии верхний фланец 33а и нижний фланец 33b, которые ограничивают собой канавку 32, в которой при помощи заклепок 34 закреплен внутренний радиальный участок 51 или тело щеточной прокладки, от которого тянутся щетинки 52. Тело 51 может быть выполнено либо в форме секторов, либо в форме разрезанного кольца, и его ширина является функцией ширины канавки 32, для того чтобы после установки заклепок 34 герметичность была обеспечена на уровне канавки 32.

Выступ 40 в известном устройстве, изображенном на фиг.1-5, вытянут по направлению вниз. Таким образом, он представляет собой гильзу 53, внутренняя поверхность 54 которой имеет цилиндрическую форму.

Фланцы 33а и 33b и щеточная прокладка 50 расположены внутри гильзы 53. Длина щетинок рассчитана таким образом, чтобы их свободные концы были постоянно в контакте с поверхностью 54.

Гибкость и плотность щетинок 52 обеспечивают полную герметичность независимо от разности давлений воздуха между двумя поверхностями прокладки 50 и независимо от относительного осевого и радиального перемещения между верхней частью 12а внешнего картера 12 и гильзой 53.

Фиг.7 иллюстрирует второй вариант осуществления изобретения. Тело 51 щеточной прокладки 50 закреплено в периферической канавке 32 кольца 60 с U-образным сечением; кольцо 60 содержит боковины 33а и 33b, ограничивающие канавку 32, и тело 51 закреплено при помощи заклепок 34. Кольцо 60, оснащенное прокладкой 50, закреплено на периферии верхней части 12а внешнего картера 12 посредством сварки. Кольцо 60 так же, как и прокладка 50, очевидно, может быть выполнено разделенным на участки.

Фиг.8 иллюстрирует третий вариант осуществления изобретения, который отличается от варианта фиг.7 тем, что щеточная прокладка 50, разделенная либо не разделенная на участки, имеет в своей внутренней радиальной зоне металлическое кольцо 70, которое может быть закреплено посредством сварки на периферии верхней части 12а внешнего картера 12 диффузора.

Турбореактивный двигатель включает компрессор высокого давления, диффузор и камеру сгорания. Компрессор высокого давления содержит внешнюю обечайку, радиально ограничивающую канал первичного потока и соединенную с кольцеобразной конструкцией, выступающей радиально наружу. Диффузор содержит внешний картер, соединенный с конической опорой, направленной к задней части двигателя, ограничивающей сверху основание камеры сгорания и соединенной с внешней обечайкой картера. Опора, внешняя обечайка картера и кольцеобразная конструкция определяют полость вокруг диффузора. В опоре предусмотрены воздухозаборные отверстия для соединения основания камеры с полостью вокруг диффузора. Внешняя обечайка картера оснащена отверстиями забора воздуха. Между кольцеобразной конструкцией и внешним картером диффузора предусмотрены средства уплотнения, обеспечивающие изолирование полости от канала первичного потока. Средства уплотнения образованы щеточной прокладкой, закрепленной на периферии верхней части внешнего картера диффузора. Прокладка содержит щетинки, размещенные радиально по направлению наружу и опирающиеся на внутреннюю поверхность цилиндрической гильзы, жестко связанной с кольцеобразной конструкцией и окружающей щеточную прокладку. Изобретение позволяет обеспечить герметичность между полостью забора воздуха и каналом первичного потока в компрессоре независимо от относительного положения внешней обечайки компрессора и внешнего картера диффузора. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Турбореактивный двигатель, включающий в себя сверху вниз, по направлению движения первичного потока, компрессор (1) высокого давления, диффузор (10) и камеру сгорания, причем компрессор высокого давления содержит внешнюю обечайку (6), радиально ограничивающую канал первичного потока и соединенную с кольцеобразной конструкцией (7), которая выступает радиально по направлению наружу, диффузор содержит, в качестве продолжения внешней обечайки (6) компрессора в осевом направлении, внешний картер (12), соединенный с конической опорой (13), направленной к задней части двигателя и ограничивающей сверху основание камеры сгорания, опора соединена с внешней обечайкой картера (14), простирающегося по направлению вверх и закрепленного на кольцеобразной конструкции (7) при помощи фиксирующих элементов, при этом опора, внешняя обечайка картера и кольцеобразная конструкция определяют полость (20) вокруг диффузора (10), в опоре (13) предусмотрены воздухозаборные отверстия (22) для соединения основания камеры с вышеупомянутой полостью (20), внешняя обечайка картера оснащена отверстиями забора воздуха (23), причем между кольцеобразной конструкцией (7) и внешним картером (12) диффузора предусмотрены средства уплотнения, обеспечивающие изолирование полости (20) от канала первичного потока, отличающийся тем, что средства уплотнения образованы щеточной прокладкой (50), закрепленной на периферии верхней части (12а) внешнего картера (12) диффузора, прокладка (50) содержит щетинки (52), размещенные радиально по направлению наружу и опирающиеся на внутреннюю поверхность (54) цилиндрической гильзы (53), жестко связанной с кольцеобразной конструкцией (7) и окружающей вышеупомянутую щеточную прокладку (50).

2. Турбореактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что на периферии верхней части (12а) указанного внешнего картера (12) предусмотрена канавка (32), и щеточная прокладка (50) закреплена в вышеупомянутой канавке (32) при помощи фиксирующих элементов (34).

3. Турбореактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что щеточная прокладка (50) закреплена при помощи фиксирующих элементов (34) в периферической канавке (32) кольца (60) с U-образным сечением, и вышеупомянутое кольцо закреплено посредством сварки на периферии верхней части (12а) указанного внешнего картера.

4. Турбореактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что щеточная прокладка (50) имеет в своей внутренней радиальной зоне металлическое кольцо (70), и вышеупомянутое кольцо закреплено посредством сварки на периферии верхней части (12а) указанного внешнего картера (12).