ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СО СРЕДСТВАМИ ЗАЩИТЫ УСТРОЙСТВА ИНЖЕКЦИИ ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ИНЖЕКЦИИ ТОПЛИВА ДЛЯ ТУРБОРЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2009 года по МПК F02K3/10 

Изобретение относится к турбореактивному двигателю, который имеет канал для нагревания первичного газового потока с устройством инжекции топлива и средствами защиты для устройства инжекции топлива. Изобретение также относится к устройству инжекции топлива и защитной пластине для упомянутого турбореактивного двигателя.

Турбореактивные двигатели, которые описываются как «двигатели с дожиганием», обычно включают в себя, от входного потока до выходного потока в направлении потока газов, одну или более ступеней компрессора, камеру сгорания, одну или более ступеней турбины, нагревательный канал или канал дожигания и выхлопное сопло. Первичный газовый поток на выходе из ступеней турбины в результате присутствия в нем кислорода обеспечивает чистое горение в нагревательном канале до расширения в выхлопном сопле.

На входе в нагревательный канал стабилизаторы горения проходят радиально в газовом потоке. Они представляют собой секции U-образной формы, причем ответвления формы U ориентированы в направлении вниз по потоку и имеют внутри себя топливный инжектор, инжектирующий топливо в поток газа в направлении вниз по потоку. Топливо воспламеняется, и пламя касается стенок кронштейнов, поскольку форма секции кронштейна создает зону с пониженным давлением. Кольцо стабилизатора пламени, концентричное корпусу канала нагревания, также может быть расположено в газовой струе первичного потока. В результате получается тот же принцип функционирования.

Первичный поток имеет температуру около 950°С. Стенки кронштейнов стабилизаторов пламени, хотя и охлаждаемые рубашкой, в которую подается воздух из вторичного воздушного потока при температуре 200 или 250°С, имеют температуру от 800 до 850°С, в частности, у их задней кромки, в то время как языки пламени, касающиеся кронштейнов, имеют температуру 1700°С. Топливо инжектируется при температуре около 100°С или, более точно, между 50 и 150°С на стенки кронштейна, имеющего температуру 850°С.

Тепловые градиенты, получающиеся в результате такого воздействия, являются очень большими и приводят к деформации кронштейнов, в частности, у их задней кромки. Вследствие этого, их ожидаемый срок службы уменьшается, и это тем более серьезно, поскольку кронштейны в основном изготавливаются из отливок, выполненных из сплавов на основе кобальта, и их трудно заменить. Поэтому стоимость технического обслуживания является очень высокой.

В случае кольцевого устройства инжекции с двумя стенками, образующими камеру, которая открыта выше по потоку и ниже по потоку, согласно патенту США №5179832 предлагается использовать защитную пластину, примыкающую к внешней стенке, на которую инжектируется топливо. Топливо инжектируется трубкой топливного инжектора, отстоящей от внутреннего конца верхней по потоку форсунки камеры. Однако такая защита не является удовлетворительной в случае применения камеры, которая закрыта с верхней по потоку стороны.

Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков.

В связи с этим согласно изобретению создан турбореактивный двигатель, включающий в себя канал для нагревания газового потока, содержащий, по меньшей мере, одно устройство для инжекции топлива в газовый поток, которое содержит открытую камеру с секцией U-образной формы, имеющую, по меньшей мере, одну стенку, и внутри которой проходят средства инжекции топлива, инжектирующие топливо, по меньшей мере, в одном направлении, характеризующийся тем, что в камере имеется рубашка охлаждения вдоль стенки, образующей основу ее секции U-образной формы, а устройство инжекции топлива включает в себя средства защиты, установленные между средствами инжекции топлива и стенкой в направлении инжекции топлива.

Предпочтительно, средства защиты включают в себя, по меньшей мере, одну пластину.

Предпочтительно, устройство инжекции имеет форму радиального кронштейна.

Преимущественно, средства защиты проходят по всей радиальной высоте кронштейна.

Предпочтительно, средства инжекции топлива включают в себя, по меньшей мере, одну трубку, в которую поступает топливо и которая включает в себя отверстия для инжекции топлива.

Преимущественно, устройство инжекции топлива дополнительно включает в себя защитный экран, помещаемый в отверстие камеры, причем средства защиты размещаются между стенкой камеры и защитным экраном.

В зависимости от варианта осуществления средства инжекции топлива могут быть размещены между стенками, образующими ответвления секции камеры U-образной формы.

В этом случае, предпочтительно, пластина размещается по существу параллельно каждой стенке камеры, образующей ответвления ее секции U-образной формы.

В зависимости от варианта осуществления каждая пластина прикреплена к стенке, которой она по существу параллельна.

Согласно другому варианту осуществления каждая пластина прикреплена к рубашке охлаждения.

Согласно другому варианту осуществления пластина включает в себя секцию U-образной формы и радиальную выемку в центральной части стенки, образующей основу ее секции U-образной формы, которая проскальзывает в часть, образующую направляющую, прикрепленную к рубашке охлаждения.

Изобретение также относится к устройству инжекции топлива для упомянутого выше турбореактивного двигателя.

Кроме того, изобретение относится к защитной пластине для устройства инжекции топлива для вышеупомянутого турбореактивного двигателя.

Изобретение будет лучше понято при прочтении нижеприведенного описания предпочтительного варианта осуществления турбореактивного двигателя согласно изобретению со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - частичный вид в осевом сечении предпочтительно варианта осуществления турбореактивного двигателя согласно изобретению;

фиг.2 - вид в поперечном сечении турбореактивного двигателя по линии А-А с фиг.1;

фиг.3 - вид в увеличенном масштабе области с фиг.1, заключенной в рамку С;

фиг.4 - вид сечения кронштейна стабилизатора пламени по линии В-В с фиг.3;

фиг.5 - вид сечения кронштейна стабилизатора пламени по линии С-С с фиг.4;

фиг.6 - вид в сечении второго варианта осуществления кронштейна стабилизатора пламени турбореактивного двигателя согласно изобретению;

фиг.7 - вид в сечении третьего варианта осуществления кронштейна стабилизатора пламени согласно изобретению;

фиг.8 - схематический чертеж конкретного варианта осуществления защитной пластины кронштейна стабилизатора пламени турбореактивного двигателя согласно изобретению;

фиг.9 - схематический чертеж сечения другого конкретного варианта осуществления защитной пластины кронштейна стабилизатора пламени турбореактивного двигателя согласно изобретению.

Как показано на фиг.1, турбореактивный двигатель 1 согласно настоящему изобретению расположен вдоль оси 1' и включает в себя несколько ступеней 2 компрессора, камеру 3 сгорания, несколько ступеней 4 турбины, нагревательный канал 5 для нагревания первичного потока и выхлопное сопло 6. Границы нагревательного канала 5 ограничены внутренней рубашкой 5', окруженной внешним корпусом 5''. Эти два элемента 5', 5'' образуют между собой проход для охлаждающего воздуха.

На входе в нагревательный канал 5 в радиальном направлении проходят кронштейны 7 топливного инжектора, прикрепленные к внешнему корпусу 5'' и к внутренней рубашке 5' нагревательного канала 5. Функция инжекторов заключается в инжектировании топлива в направлении кронштейнов 8 стабилизаторов пламени, расположенных ниже по потоку в нагревательном канале 5.

Как показано на фиг.2, количество кронштейнов 8 стабилизаторов пламени в данном случае девять, является таким же, что и количество кронштейнов 7 топливных инжекторов, и они смещены в угловом направлении по отношению к последним так, что, если смотреть вид спереди, каждый кронштейн 7 топливного инжектора располагается между двумя смежными кронштейнами 8 стабилизаторов пламени, причем они равноудалены друг от друга. Кронштейны 7 топливных инжекторов в радиальном направлении меньше кронштейнов 8 стабилизаторов пламени.

Вблизи от внутренней рубашки 5' нагревательного канала 5 в нагревательном канале 5 первичного потока кронштейны 8 стабилизаторов пламени поддерживают кольцо 9 стабилизаторов пламени. Это кольцо 9 состоит из множества частей кольца 9', в количестве девяти, которые проходят концентрично к корпусам 5', 5'' нагревательного канала 5 между двумя следующими один за другим кронштейнами 8 стабилизаторов пламени.

Как показано на фиг.3, кронштейн 7 топливного инжектора включает в себя радиальную рубашку 7а охлаждения, проходящую по всей радиальной высоте кронштейна 7, параллельно которой выше по потоку проходит трубка 7b топливного инжектора, в которую подается топливо из внешней части внешнего корпуса 5'' нагревательного канала 5 и которая включает в себя форсунки для распыления топлива. В рубашку 7а охлаждения подается охлаждающий воздух, забираемый из вторичного воздушного потока. Он включает в себя форсунки, которые используются для охлаждения кронштейна 7 воздухом. Кронштейны 7 топливных инжекторов проходят в радиальном направлении под нужными углами к оси 1' турбореактивного двигателя 1.

Кронштейны 8 стабилизаторов пламени проходят радиально, с наклоном в направлении ниже по потоку от своих основ, присоединенных к внешнему корпусу 5'' нагревательного канала 5, относительно перпендикуляра к оси 1' турбореактивного двигателя 1, проходящей в осевой плоскости кронштейна 8. Кронштейн 8 стабилизатора пламени включает в себя открытую камеру, образованную стенками 8', которые могут быть заменены подобным же образом на сплошную стенку 8', в которой содержатся ее различные элементы. Кронштейн стабилизатора пламени включает в себя радиальную охлаждающую рубашку 8а, проходящую по всей радиальной высоте кронштейна 8, параллельно которой в направлении ниже по потоку проходит трубка 8b топливного инжектора, снабжаемая топливом из внешней части внешнего корпуса 5'' и включающая в себя форсунки для инжектирования топлива.

Упрощенная работа турбореактивного двигателя происходит следующим образом. Топливо испаряется посредством трубок 7b топливных инжекторов кронштейнов 7 топливных инжекторов и с помощью трубок 8b топливных инжекторов кронштейнов 8 стабилизаторов пламени. В результате содержания остаточного кислорода в первичном газовом потоке, а также благодаря подаче воздуха из вторичного потока это топливо подвергается горению. Это горение происходит у кронштейнов 8 стабилизаторов пламени, форма которых способствует направлению к пламени этими упомянутыми кронштейнами 8. Это горение, известное как дожигание или повторное нагревание, придает турбореактивному двигателю дополнительный импульс. Этот процесс дожигания хорошо известен специалистам в данной области техники и поэтому не будет здесь описываться более подробно. Далее газ расширяется в нагревательном канале 5 и в выхлопном сопле 6 до его выбрасывания из турбореактивного двигателя 1.

Как показано на фиг.4, внешние стенки 8' кронштейна 8 стабилизатора пламени, образующие его открытую камеру, представляют собой секцию U-образной формы, ответвления которой повернуты в направлении вниз по потоку. Более точно, ответвления U-секции не параллельны, они больше похожи на форму V с округленным основанием, но в оставшейся части документа мы будем говорить о секции U-образной формы. Рубашка 8а охлаждения занимает часть U-образной секции со стороны входного потока, то есть ее закрытую часть. Эта рубашка 8а включает в себя множество форсунок, обычно в количестве девятьсот, с помощью которых воздух вторичного потока, с которым он подается, впрыскивается для охлаждения стенки 8' кронштейна 8. Сразу же со стороны ниже по потоку в центре по отношению к стенкам 8' проходит трубка 8b топливного инжектора. За этой трубкой 8b ниже по потоку располагается защитный экран 8с секции U-образной формы, функция которого заключается в защите трубки 8b топливного инжектора и рубашки 8а охлаждения от пламени на задних кромках стенок 8' кронштейна 8. Этот экран 8с занимает практически все пространство, остающееся между краями стенок 8' кронштейна 8, образующих ответвления его секции U-образной формы.

Защитная пластина 8d проходит между стенками защитного экрана 8с и стенками 8' кронштейна 8. Ее функция заключается в предотвращении прямого воздействия топлива на стенки 8' кронштейна 8, при этом недостатки такого воздействия представлены выше. В варианте осуществления, показанном на фиг.4, кронштейн 8 стабилизатора пламени включает в себя две защитные пластины 8d, проходящие по существу параллельно двум стенкам 8', образующим ответвления секции U-образной формы кронштейна 8, от рубашки 8а охлаждения, не находясь с ней в контакте и образуя близи нее легкий изгиб внутри кронштейна, до задних кромок кронштейна 8. Пластины 8d проходят по всей радиальной высоте кронштейна 8.

Таким образом, топливо, помеченное прерывистыми линиями 10, распыляется из трубки 8b топливного инжектора на защитную пластину 8d топливного инжектора до инжектирования, между упомянутыми пластинами 8d и защитным экраном 8с, за кронштейном 8, где оно воспламеняется.

На фиг.5 показан способ закрепления защитной пластины 8d внутри кронштейна 8. Защитная пластина 8d прикрепляется к стенке 8' кронштейна 8, по отношению к которой она расположена по существу параллельно, с помощью крепежных шпилек 11, проходящих через отверстия, которые предусмотрены для этой цели в пластине 8d и стенке 8'. Для того чтобы сохранять достаточное расстояние между стенкой 8' кронштейна 8 и защитной пластиной 8d, так как это расстояние необходимо для определенной термической независимости между этими двумя элементами и, следовательно, для приемлемой защиты стенки 8' кронштейна 8, между их торцевыми поверхностями вокруг крепежных шпилек 11 вставлены прокладки 12.

Защитный экран 8с прикрепляют к защитной пластине 8d в частях ее стенок, которые соответствуют ответвлениям секции U-образной формы, с помощью тех же крепежных шпилек 11. Такая часть стенки обычно принимает форму пластины, включая выемки 13, в которых просверливаются отверстия для прохождения крепежных шпилек 11. Таким образом, экран 8с прикрепляется шпильками к пластине 8d в месте выемок 13, в то время как большая часть его поверхности удерживается на расстоянии от пластины 8d с тем, чтобы оставлять пространство для прохода топлива 10.

Крепежные шпильки 11 конкретно не оговариваются и будут выбраны по усмотрению инженера.

Благодаря наличию защитных пластин 8d топливо 10, поступающее из трубки 8b, не имеет контакта со стенками 8' кронштейна 8, температура которого очень высокая, и предохраняет их от воздействия чрезмерных температурных градиентов. Оно распыляется на защитные пластины 8d, которые расположены внутри пространства, образованного стенками 8' кронштейна 8, и которые имеют более низкую температуру, в частности, из-за охлаждения, обеспечиваемого рубашкой 8а. Их температура обычно составляет от 600 до 650°С, вместо 850°С для стенок 8' кронштейна 8. Поэтому тепловой градиент, которому они подвергаются, является менее жестким. Пластины 8d могут состоять из любого подходящего для данного случая материала, такого как металл, керамика или элементы керамической матрицы (CMC).

Таким образом, пластины 8d защищают стенки 8' кронштейна 8, поскольку они расположены между трубкой 8b и стенками 8' кронштейна в направлении инжекции топлива. Они претерпевают деформации, но после деформирования их легко заменить или, по меньшей мере, легче, чем стенки 8' кронштейна 8, что приводит к уменьшению эксплуатационных расходов по сравнению с устройствами согласно предшествующему уровню техники.

Другие способы прикрепления и другие формы защитных пластин 8d также могут быть использованы.

Как показано на фиг.6, пластина 8d может прикрепляться непосредственно к рубашке 8а охлаждения. В этом случае кронштейн 8d включает в себя две защитные пластины 8d, проходящие по существу параллельно двум стенкам, образующим ответвления секции U-образной формы кронштейна 8, причем эти две пластины 8d прикрепляют к рубашке 8а охлаждения кронштейна 8 по всей его радиальной высоте в его части, расположенной со стороны ниже по потоку. Крепление может осуществляться с помощью любых средств крепления. Пластины 8d предпочтительно проходят до задних кромок кронштейна 8 по всей его радиальной высоте. Пластины 8d могут прикрепляться либо к рубашке 8а охлаждения, либо к стенкам 8' кронштейна 8 тем же способом, что и, например, ранее. Функционирование кронштейна 8 и защита стенок 8' защитными пластинами 8d подобны тем, которые описаны ранее. Преимущество этого решения заключается в неразрывности между защитными пластинами 8d и рубашкой 8а охлаждения, исключающей все возможные контакты между топливом и стенками 8' кронштейна 8.

Как показано на фиг.7, возможно использовать пластину 8d секции U-образной формы, которая включает в себя радиальную выемку 15 в центральной части стенки, образующей основу ее секции U-образной формы, проходящей от радиальной крайней точки пластины 8d по существу до ее другой радиальной крайней точки. Пластина 8d проскальзывает в часть 14 секции Т-образной формы, прикрепленной к рубашке 8а охлаждения основой Т. Эта часть 14, таким образом, образует направляющую для защитной пластины 8d на уровне ее выемки 15, которая проскальзывает в нее до точки, где ее радиальная крайняя точка без выемки подходит к части 14. Она может быть зафиксирована к части 14. Таким образом, защитная пластина 8d защищает не только стенки 8' кронштейна 8 с помощью стенок, образующих ответвления ее секции U-образной формы, проходящих до задней кромки кронштейна 8, но также и рубашку 8а охлаждения с помощью стенки, образующей основу ее секции U-образной формы, завершаемую стенкой направляющей 14, образующей полосу ее секции Т-образной формы. Работа кронштейна 8 и его защита защитной пластиной 8d во всем остальном достаточно сравнима с тем, что было описано ранее. Преимущество данного способа осуществления защитной пластины 8d заключается в том, что ее легко заменить, простым движением в сторону в направляющей 14. Кроме того, пластина 8d имеет форму одной единой детали для защиты всех стенок 8' кронштейна 8.

Для того чтобы увеличить ее ожидаемый срок службы, защитная пластина 8d в ее месте со стороны выходного потока близко к задней кромке кронштейна 8 может иметь другую форму, отличную от формы простой пластины, независимо от всей ее формы.

Как показано на фиг.8, ниже по потоку торцевая стенка защитной пластины 8d может включать в себя щели 16, которые используются для поглощения деформаций, которым подвергается пластина 8d. Эти щели 16 могут, там где нужно, заканчиваться кольцевыми выемками 17 на своих концах со стороны выше по потоку, что позволяет тогда выдерживать даже большие деформации частей пластины 8d, расположенных между двумя щелями 16.

Согласно другой форме осуществления стенки пластины 8d могут представлять собой, в их торцовых частях со стороны ниже по потоку или даже вдоль всей длины стенок, которые по существу параллельны стенке 8' кронштейна 8, стенку гофрированной формы, которую можно видеть в поперечном сечении по отношению к основной плоскости стенки, что позволяет поглощать деформации, связанные с тепловыми градиентами. Фактически этот вид гофрированной формы, как правило, является результатом деформаций, и возможность выполнить это заранее позволяет до некоторой степени создать предварительные напряжения в пластине 8d.

Изобретение было описано относительно устройства инжекции топлива в первичный газовый поток, которое представляет собой радиальный кронштейн но, само собой разумеется, изобретение применяется для всех типов устройств инжекции топлива в первичный газовый поток и, в частности, для кольца.

Турбореактивный двигатель включает в себя канал для нагревания газового потока, содержащий, по меньшей мере, одно устройство для инжекции топлива в газовый поток, которое содержит открытую камеру с секцией U-образной формы. Секция U-образной формы имеет, по меньшей мере, одну стенку, внутри которой проходят средства инжекции топлива, инжектирующие топливо, по меньшей мере, в одном направлении. В камере имеется рубашка охлаждения вдоль стенки, образующей основу ее секции U-образной формы. Устройство инжекции топлива включает в себя средства защиты, установленные между средствами инжекции топлива и стенкой в направлении инжекции топлива, и защитный экран, помещаемый в отверстие камеры. Средства защиты размещены между стенкой камеры и защитным экраном. Изобретение защищает устройство инжекции топлива, которое находится в очень горячей среде, от тепловых ударов, вызванных инжекцией более холодного топлива на его стенки, и его ожидаемый срок службы, таким образом, увеличивается. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Турбореактивный двигатель, включающий в себя канал для нагревания газового потока, содержащий, по меньшей мере, одно устройство для инжекции топлива в газовый поток, которое содержит открытую камеру с секцией U-образной формы, имеющую, по меньшей мере, одну стенку, и внутри которой проходят средства инжекции топлива, инжектирующие топливо, по меньшей мере, в одном направлении, причем в камере имеется рубашка охлаждения вдоль стенки, образующей основу ее секции U-образной формы, отличающийся тем, что устройство инжекции топлива включает в себя средства защиты, установленные между средствами инжекции топлива и стенкой в направлении инжекции топлива, и защитный экран, помещаемый в отверстие камеры, при этом средства защиты размещаются между стенкой камеры и защитным экраном.

2. Турбореактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что средства защиты включают в себя, по меньшей мере, одну пластину.

3. Турбореактивный двигатель по п.2, отличающийся тем, что пластина содержит щели.

4. Турбореактивный двигатель по п.2, отличающийся тем, что пластина включает в себя часть гофрированной стенки.

5. Турбореактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство инжекции имеет форму радиального кронштейна.

6. Турбореактивный двигатель по п.5, отличающийся тем, что средства защиты проходят по всей радиальной высоте кронштейна.

7. Турбореактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что средства инжекции топлива включают в себя, по меньшей мере, одну трубку, в которую поступает топливо и которая включает в себя форсунки для инжекции топлива.

8. Турбореактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что средства инжекции топлива размещены между стенками, образующими ответвления секции камеры U-образной формы.

9. Турбореактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что средства защиты включают в себя, по меньшей мере, одну пластину, при этом средства инжекции топлива размещены между стенками, образующими ответвления секции камеры U -образной формы.

10. Турбореактивный двигатель по п.9, отличающийся тем, что пластина размещается, по существу, параллельно каждой стенке камеры, образующей ответвления ее секции U-образной формы.

11. Турбореактивный двигатель по п.10, отличающийся тем, что каждая пластина прикреплена к стенке, которой она, по существу, параллельна.

12. Турбореактивный двигатель по п.10 или 11, отличающийся тем, что каждая пластина прикреплена к рубашке охлаждения.

13. Турбореактивный двигатель по п.9, отличающийся тем, что пластина включает в себя секцию U-образной формы и радиальную выемку в центральной части стенки, образующей основу ее секции U-образной формы, которая проскальзывает в часть, образующую направляющую, прикрепленную к рубашке охлаждения.

14. Турбореактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство инжекции имеет форму кольца.

15. Устройство инжекции топлива для турбореактивного двигателя по п.1.