СБОРКА КОЛЬЦЕВОЙ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2010 года по МПК F23R3/60 F02C7/20 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области камер сгорания турбомашины. Более конкретно, оно относится к проблеме, касающейся сборки кольцевой камеры сгорания, осевые стенки и головка которой изготовлены из материалов, имеющих различные коэффициенты теплового расширения.

В области аэронавтики все более часто используются высокотемпературные композитные материалы типа CMC, которые заменяют металлические материалы при изготовлении различных компонентов турбомашины, в частности камеры сгорания. Использование полностью металлической камеры сгорания в тепловом аспекте показало себя на практике совершенно неоправданным в связи с очень высокими температурами рабочих газов. Следствием этого является уменьшение срока службы камеры сгорания.

Однако композитные материалы являются очень дорогостоящими и имеют довольно невысокий предел прочности при сильных механических нагрузках. Так, их применение чаще всего ограничивается лишь осевыми стенками камеры сгорания, радиальная же стенка (или головка камеры), в которой вверх по потоку сходятся эти осевые стенки, по-прежнему изготовляется традиционно из металлических материалов.

То есть металлические материалы и композитные материалы имеют существенно различающиеся коэффициенты теплового расширения. Отсюда возникают проблемы на уровне систем сборки камеры сгорания между осевыми стенками из композитного материала и металлической головкой камеры. В частности, впредь становится невозможным с точки зрения механической прочности стенок использование систем болтовой сборки.

В целях устранения этого недостатка, согласно патенту ЕР 1479975, используются подвесные скобы, выполненные неразъемными с головкой камеры и посредством которых последняя крепится к осевым стенкам. Несмотря на преимущества этого решения, оно имеет ряд недостатков. В частности, такая система сборки не может предложить достаточно свободное расширение, которое бы обеспечивало эффективное демпфирование вибраций, которым подвергается во время работы головка камеры. Таким образом, подвесные скобы подвергаются во время работы очень сильным изгибающим напряжениям, которые снижают механическую прочность, и в частности, прочность композитного материала.

Раскрытие изобретения

Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение таких недостатков за счет предложенной системы сборки, которая позволяет добиться во время работы свободного расширения головки камеры относительно осевых стенок, обеспечивая эффективное демпфирование вибраций, которые испытывает головка камеры.

Для решения этой задачи предусмотрена кольцевая камера сгорания, включающая в себя наружную и внутреннюю осевые стенки, соединенные вверх по потоку головкой камеры, имеющей коэффициент теплового расширения, отличный от коэффициента теплового расширения осевых стенок, при этом указанная головка камеры снабжена множеством внутренних и наружных подвесных скоб, которые закреплены системами крепления соответственно на концевых участках вверх по потоку внутренней и наружной стенок, и при этом каждая система крепления включает в себя винт, проходящий через одну из подвесных скоб и через концевой участок вверх по потоку соответствующей осевой стенки, и гайку, затянутую на одном конце крепежного винта, отличающаяся тем, что каждая система крепления дополнительно содержит втулку скольжения, расположенную вокруг крепежного винта между гайкой и концевым участком соответствующей осевой стенки, при этом между гайкой и концевым участком осевой стенки предусмотрен радиальный зазор, так чтобы во время работы обеспечивалось свободное радиальное расширение головки камеры относительно осевых стенок.

Наличие гибких, но предварительно напряженных подвесных скоб в сочетании с системами крепления, имеющими радиальный зазор, предусмотренный между гайкой и осевой стенкой, как следствие приводит к улучшению демпфирования вибраций, испытываемых камерой сгорания, и к сглаживанию эффекта расширения во время работы головки камеры относительно осевых стенок. В результате, подвесные скобы испытывают во время работы лишь незначительные изгибающие напряжения.

Предпочтительно, чтобы каждая подвесная скоба содержала шайбу из металлического материала, через которую проходит крепежный винт и соответствующая втулка скольжения, а втулка была выполнена из металлического материала. Контакт между втулкой и подвесной скобой является контактом типа металл/металл. Такой контакт сопровождается меньшим износом и меньшими затратами на ремонт, по сравнению с контактом типа керамика/металл.

Предпочтительно также, чтобы контакт между шайбой подвесных скоб и соответствующей втулкой скольжения был более или менее тороидальным. Этот тип контакта позволяет избежать заклинивания и способствует скольжению между втулкой и подвесной скобой.

Целесообразно, чтобы шайба подвесных скоб имела утолщение, предназначенное для увеличения высоты контакта между шайбой и соответствующей втулкой скольжения. Таким образом, распределение контактных усилий увеличивается, что уменьшает износ контакта между шайбой и подвесной скобой. Предпочтительно, чтобы каждая подвесная скоба имела одинаковое предварительное монтажное напряжение, призванное придать головке камеры жесткость для динамической устойчивости на стадии начала работы.

Системы крепления могут включать в себя средства демпфирования вибраций на стадии радиального расширения головки камеры по отношению к осевым стенкам. Такие средства могут состоять из пружины типа винтовой или листовой, расположенной вокруг втулки скольжения и между гайкой и соответствующей подвесной скобой.

Также могут быть предусмотрены средства, обеспечивающие уплотнение между головкой камеры и осевыми стенками. Эти средства могут состоять из круглой пластинчатой прокладки, установленной в кольцевой горловине, которая образована между подвесными скобами и концевым участком соответствующей осевой стенки, и включающей в себя выступ, предназначенный обеспечить тороидальную опору на концевом участке осевой стенки.

Выполненные предпочтительно из композитного материала внутренняя оболочка и наружная оболочка являются вверх по потоку продолжением концевого участка соответствующих осевых стенок, при этом каждый крепежный винт также проходит через отверстие, образованное в соответствующей оболочке.

Предметом предлагаемого изобретения является также система крепления головки камеры на внутренней и наружной осевых стенках кольцевой камеры сгорания, как она была описана выше.

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества предлагаемого изобретения вытекают из приводимого ниже описания со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежей, на которых иллюстрируется пример реализации, не имеющий ограничительного характера, и в числе которых:

Фиг.1 изображает частичный вид в разрезе камеры сгорания турбомашины согласно изобретению;

Фиг.2 - частичный вид в изометрии, показывающий систему крепления камеры сгорания с фиг.1;

Фиг.3А и 3В изображают виды в разрезе, показывающие систему крепления с фиг.2 во время работы в холодном состоянии и в горячем состоянии;

Фиг 4 и 5 - виды в разрезе системы крепления с фиг.2, оснащенной различными средствами демпфирования.

Подробное описание способа осуществления изобретения

На фиг.1 представлена частично в осевом разрезе камера сгорания 10 турбомашины в сопутствующем окружении.

Наружная кольцевая оболочка (или наружный кожух) 12 и соосная с ней внутренняя кольцевая оболочка (или внутренний кожух) 14 центруются по оси Х-Х турбомашины. В кольцевое пространство 16, образованное между этими двумя оболочками, поступает сжатый воздух согласно общему потоку F от компрессора (не показан) турбомашины через кольцевой диффузор 18. Этот воздух предназначен для сжигания топлива в камере 10.

Равномерно распределенное вокруг диффузора 18 множество систем впрыскивания 20 выходят в кольцевое пространство 16. Каждая из этих систем впрыскивания снабжена впрыскивающей топливной форсункой 22, закрепленной на наружной оболочке 12. С целью упростить изложение связанные с каждой впрыскивающей форсункой смеситель и дефлектор на чертежах не представлены.

Камера сгорания 10 турбомашины смонтирована внутри этого кольцевого пространства 16, образуя с наружной и внутренней оболочкой 12, 14 кольцевой канал 24, предназначенный получать объем разбавляющего и охлаждающего воздуха. Эта камера по типу является кольцевой; она образована наружной осевой стенкой 26 и соосной с ней внутренней осевой стенкой 28. Эти осевые стенки 26, 28 центруются по оси Х-Х турбомашины.

Образующая головку камеры поперечная стенка 30 соединяет вверх по потоку осевые стенки 26, 28 камеры сгорания. Эта головка камеры 30 снабжена множеством отверстий 32 для прохода впрыскивающих топливных форсунок 22.

Головка камеры 30 и осевые стенки 26, 28 выполнены из материалов, имеющих существенно отличающиеся коэффициенты теплового расширения. Например, осевые стенки могут быть выполнены из высокотемпературного керамического материала типа CMC или других материалов, в то время как головка камеры может быть выполнена из металлического материала.

Как показано на фиг.1 и 2, головка камеры 30 снабжена на своих концах множеством гибких внутренних и наружных подвесных скоб 34, каждая из которых закреплена на концевых участках вверх по потоку осевых стенок 26, 28 системой крепления 36 типа болтового крепления.

Подвесные скобы 34 представлены в форме гибких шпонок, которые интегрированы в соответствующие кольца 38, выполненные неразъемными с головкой камеры 30, например посредством сварки. Они простираются вверх по потоку за пределы систем крепления 36 и равномерно распределены по всей окружности камеры сгорания.

Как показано на фиг.3А и 3В, каждая из систем крепления 36 состоит из крепежного винта 40, проходящего через отверстия 42, 44, проделанные соответственно в соответствующей подвесной скобе 34 и в концевом участке вверх по потоку соответствующей осевой стенки 26, 28. Гайка 46 затянута на одном из концов крепежного винта 40.

Согласно изобретению каждая система крепления 36 содержит также втулку скольжения 48, расположенную вокруг крепежного винта 40 между зажимной гайкой 46 и концевым участком вверх по потоку соответствующей осевой стенки 26, 28 камеры сгорания. Кроме того, предусмотрен определенный радиальный зазор J между гайкой 46 и концевым участком вверх по потоку осевой стенки 26, 28. Таким образом, втулка скольжения 48 имеет радиальную высоту, достаточную для того, чтобы обеспечить такой зазор J.

Зазор J на уровне каждой системы крепления 36 камеры сгорания позволяет во время работы получить свободное радиальное расширение головки камеры 30 относительно осевых стенок 26, 28. Такое расширение необходимо в связи с тем, что коэффициент теплового расширения головки камеры 30 значительно превышает соответствующий коэффициент осевых стенок 26, 28.

Между зажимной гайкой 46 и втулкой скольжения 48 может быть помещена опорная шайба 50, так что зазор J предусмотрен между поверхностями расположенных напротив друг друга опорной шайбы 50 и соответствующей подвесной скобы 34. В то же время наличие опорной шайбы 50 не является необходимым, она лишь улучшает опирание во время работы.

Благодаря такой конструкции каждый подвесной фланец 34 способен перемещаться по соответствующей втулке 48 между положением, определяемым как «работа в холодном состоянии», и положением, определяемым как «работа в горячем состоянии».

При сборке камеры сгорания подвесные скобы 34 монтируются с предварительным напряжением с опорой на заплечик 48а соответствующей втулки 48 в целях придания головке камеры определенной жесткости для динамической устойчивости. На стадии работы в холодном состоянии (фиг.3А), то есть на стадии работы, когда величина расширения между головкой камеры 30 и осевой стенкой 26, 28 недостаточна для того, чтобы устранить предварительное монтажное напряжение подвесных скоб 34, последние продолжают опираться на заплечик 48а.

На стадии работы в горячем состоянии (фиг.3В), то есть на стадии работы, когда величина расширения между головкой камеры 30 и осевой стенкой 26, 28 компенсирует предварительное монтажное напряжение подвесных скоб 34, каждая из них перемещается вдоль соответствующей втулки 48 и в конце упирается в опорную шайбу 50 (или в зажимную гайку 46, если такая шайба не предусмотрена).

Величина зазора J и предварительного монтажного напряжения подвесных скоб 34 рассчитаны таким образом, чтобы на стадии работы турбомашины скобы могли упереться в заплечик 48а втулки скольжения 48 и в опорную шайбу 50. Высота радиального зазора J определена таким образом, чтобы на подвесных скобах 34 получить напряжение, необходимое для вибрационной устойчивости головки камеры 30.

Предпочтительно, чтобы каждая подвесная скоба 34 содержала шайбу 52 из металлического материала, через которую проходит крепежный винт 40 и соответствующая втулка скольжения 48, которая также изготовлена из металлического материала. Это позволяет осуществить контакт металл/металл между втулкой 48 и подвесной скобой 34 и получить значительно меньший износ, чем в случае контакта типа керамика/металл.

Кроме того, металлическая шайба 52 может быть преимущественно приварена к соответствующей подвесной скобе 34, что способствует его замене в случае существенного износа.

Согласно другому предпочтительному признаку изобретения контакт между металлической шайбой 52 подвесных скоб 34 и соответствующей втулкой скольжения 58 является более или менее тороидальным. Для этого, как показано на фиг.3А и 3В, отверстие 42, образованное металлической шайбой 52 подвесной скобы 34, имеет форму более или менее тороидальную. Этот признак имеет то преимущество, что способствует скольжению между втулкой 48 и подвесной скобой 34, устраняя явления заклинивания.

Согласно еще одному предпочтительному признаку изобретения металлическая шайба 52 подвесных скоб 34 имеет утолщение относительно скоб, которое призвано увеличить поверхность контакта между шайбой и соответствующей втулкой скольжения 48, с тем чтобы уменьшить износ контакта между этими двумя элементами.

Можно заметить, что наличие заплечика 48а во втулке скольжения 48 позволяет, с одной стороны, увеличить также распределение контактных усилий между втулкой 48 и подвесной скобой 34 (а значит, уменьшить износ) и, с другой стороны, обеспечить контакт металл/металл с металлической шайбой 52 подвесных скоб.

Как показано на фиг.4 и 5, системы крепления 36 могут содержать также средства демпфирования вибраций в течение всей стадии работы двигателя, сохраняя «свободное» радиальное расширение головки камеры 30 относительно осевых стенок 26, 28.

На примере выполнения согласно фиг.4 для каждой системы крепления 36 средства демпфирования состоят из винтовой пружины 54, размещенной вокруг втулки скольжения 48 и между опорной шайбой 50 (или зажимной гайкой 46, если последняя отсутствует) и металлической шайбой 52 соответствующей подвесной скобы 34, то есть на уровне радиального зазора J.

Согласно другому примеру выполнения, представленному на фиг.5, эти средства демпфирования для каждой системы крепления 36 состоят из листовой пружины 56, также размещенной вокруг втулки скольжения 48 и между опорной шайбой 50 и металлической шайбой 52 соответствующей подвесной скобы 34, то есть на уровне радиального зазора J.

Кроме того, могут быть предусмотрены также средства, обеспечивающие уплотнение между головкой камеры 30 и осевыми стенками 26, 28. Как показано на фигурах, для каждой системы крепления 36 такие средства представлены в виде круглой пластинчатой прокладки 58, установленной в кольцевой горловине 60, образованной между подвесной скобой 34 и концевым участком вверх по потоку соответствующей осевой стенки 26, 28.

Это уплотнительная прокладка 58 включает в себя выступ 62, предназначенный для обеспечения тороидальной опоры на стенке напротив концевого участка осевой стенки 26, 28. Уплотнение прижато к стенке эластичным элементом 64 типа листовой пружины и удерживается в положении множеством штабиков 66, неразъемных с подвесными скобами 34.

Благодаря такой конструкции уплотнительная прокладка 58 установлена в зоне головки камеры 30 и не мешает воздушному потоку, циркулирующему в кольцевом канале 24.

Камера сгорания согласно изобретению может включать в себя также внутреннюю оболочку (или обтекатель) 68 и наружную оболочку (или обтекатель) 70, выполненные из того же материала, что и осевые стенки 26, 28 камеры сгорания (то есть в данном случае из композитного материала) и которые являются продолжением вверх по потоку концевого участка соответствующих осевых стенок 26, 28. В этом случае каждый винт 40 систем крепления 36 также проходит через отверстие 72, образованное в соответствующей оболочке 68, 70.

Как показано на фиг.1, оболочки могут быть интегрированы непосредственно в осевые стенки 26, 28 камеры (как в случае с наружной оболочкой 70 с фиг.1) или быть отдельными от этих осевых стенок (как в случае с внутренней оболочкой 68).

Сочетание подвесных скоб с системами крепления, обеспечивающими определенный радиальный зазор, предоставляет согласно изобретению многочисленные преимущества. В частности, подвесные скобы позволяют благодаря их гибкости демпфировать вибрации, которые испытывает камера сгорания, а наличие радиального зазора на уровне систем крепления позволяет фланцам перемещаться во время работы, что значительно уменьшает изгибающие напряжения, которым они подвергаются. Использование гибких подвесных скоб с предварительным расчетным монтажным напряжением позволяет избежать таким образом нарушения целостности композитного материала, из которого изготовлены осевые стенки камеры сгорания. Кроме того, скользящий контакт между втулкой и подвесной скобой обеспечивается металлическими деталями, что ограничивает разрушение. Что касается износа, то упрощается также ремонт этих деталей, так как требуется лишь простая замена металлической шайбы в подвесных фланцах. Наконец, по сравнению с известными системами из уровня техники, техническое решение предлагаемого изобретения обеспечивает значительный выигрыш в массе.

Кольцевая камера сгорания (10) включает в себя наружную и внутреннюю осевые стенки (26, 28), соединенные вверх по потоку головкой камеры (30). Головка камеры имеет коэффициент теплового расширения, отличный от коэффициента теплового расширения осевых стенок. Головка камеры снабжена множеством внутренних и наружных подвесных скоб (34), которые закреплены системами крепления (36) соответственно на концевых участках вверх по потоку внутренней и наружной стенок. Каждая система крепления включает в себя винт (40), проходящий через одну из подвесных скоб и через концевой участок вверх по потоку соответствующей осевой стенки, и гайку (46), затянутую на одном конце крепежного винта. Каждая система крепления дополнительно содержит втулку скольжения, расположенную вокруг крепежного винта между гайкой и концевым участком соответствующей осевой стенки. Между гайкой и концевым участком осевой стенки предусмотрен радиальный зазор. Система крепления дополнительно содержит средства демпфирования вибраций головки камеры относительно осевых стенок. Каждая подвесная скоба содержит шайбу из металлического материала, через которую проходит крепежный винт и соответствующая втулка скольжения, выполненная также из металлического материала. Шайба подвесных скоб имеет утолщение, предназначенное для увеличения поверхности контакта между шайбой и соответствующей втулкой скольжения. Такое выполнение камеры сгорания позволяет снизить изгибающие напряжения в подвесных скобах в процессе работы за счет свободного радиального расширения головки камеры относительно осевых стенок и демпфирования вибраций. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Кольцевая камера сгорания (10), включающая в себя наружную и внутреннюю осевые стенки (26, 28), соединенные вверх по потоку головкой камеры (30), имеющей коэффициент теплового расширения, отличный от коэффициента теплового расширения осевых стенок (26, 28), при этом указанная головка камеры (30) снабжена множеством внутренних и наружных подвесных скоб (34), которые закреплены системами крепления (36) соответственно на концевых участках вверх по потоку внутренней и наружной стенок (26, 28), и каждая система крепления (36) включает в себя винт (40), проходящий через одну из подвесных скоб (34) и через концевой участок вверх по потоку соответствующей осевой стенки (26, 28), и гайку (46), затянутую на одном конце крепежного винта, при этом каждая система крепления (36) дополнительно содержит втулку скольжения (48), расположенную вокруг крепежного винта (40) между гайкой (46) и концевым участком соответствующей осевой стенки (26, 28), при этом между гайкой и концевым участком осевой стенки предусмотрен радиальный зазор (J), обеспечивающий в процессе работы свободное радиальное расширение головки камеры (30) относительно осевых стенок (26, 28), а система крепления (36) дополнительно содержит средства (54, 56) демпфирования вибраций головки камеры (30) относительно осевых стенок (26, 28), при этом каждая подвесная скоба (34) содержит шайбу (52) из металлического материала, через которую проходит крепежный винт (40) и соответствующая втулка скольжения (48), выполненная также из металлического материала, причем шайба (52) подвесных скоб (34) имеет утолщение, предназначенное для увеличения поверхности контакта между шайбой и соответствующей втулкой скольжения (48).

2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что контакт между шайбой (52) подвесных скоб (34) и соответствующей втулкой скольжения (48) является более или менее тороидальным.

3. Камера сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что каждая подвесная скоба (34) имеет предварительное монтажное напряжение, призванное придать головке камеры (10) жесткость для динамической устойчивости.

4. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что средства демпфирования состоят из пружины типа винтовой (54) или листовой (56), расположенной вокруг втулки скольжения (48) и между гайкой (46) и соответствующей подвесной скобой (34).

5. Камера сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя средства (58, 62), обеспечивающие уплотнение между головкой камеры (30) и осевыми стенками (26, 28).

6. Камера сгорания по п.5, отличающаяся тем, что средства уплотнения состоят из круглой пластинчатой прокладки (58), установленной в кольцевой горловине (60), которая образована между подвесными скобами (34) и концевым участком соответствующей осевой стенки (26, 28), и включающей в себя выступ (62), обеспечивающий тороидальную опору на указанном концевом участке осевой стенки.

7. Камера сгорания по одному из пп.1 или 2, отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя внутреннюю оболочку (68) и наружную оболочку (70), которые вверх по потоку являются продолжением концевого участка соответствующих осевых стенок (26, 28), при этом каждый крепежный винт системы крепления (36) также проходит через отверстие (72), образованное в соответствующей оболочке.