УЗЕЛ ТУРБОМАШИНЫ И ТУРБОМАШИНА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЙ УЗЕЛ Российский патент 2011 года по МПК F23R3/58 

Настоящее изобретение относится к области распределения воздуха, проходящего сквозь турбомашину, устанавливаемую на авиационной или наземной технике.

Стандартная турбомашина включает в себя, в частности, кольцевой компрессорный отсек, предназначенный для сжатия воздуха в турбомашине; кольцевой отсек сгорания топлива (располагается после компрессорного отсека), в котором воздух, выходящий из компрессорного отсека, перемешивается с топливом с целью его последующего сгорания; кольцевой турбинный отсек (располагается после отсека сгорания топлива), в котором ротор турбины приводится во вращательное движение газами, выходящими из отсека сгорания топлива.

Компрессорный отсек представлен несколькими ступенями рабочих дисков, на каждом из которых установлены лопатки, располагаемые в кольцевом канале, через который в турбомашине проходит воздушный поток; при этом площадь поперечного сечения кольцевого канала уменьшается сверху вниз. Отсек сгорания топлива также представляет собой кольцевой канал, в котором сжатый воздух перемешивается с топливом с целью последующего сгорания. Турбинный отсек включает в себя несколько ступеней рабочих дисков, на каждом из которых установлены лопатки, размещенные в кольцевом канале, через который выходят топочные газы.

Циркуляция воздуха в данной установке обычно осуществляется следующим образом: сжатый воздух, выходящий из последней ступени компрессорного отсека, обладает первоначальным вращательным движением с углом наклона 35°-45° относительно продольной оси турбомашины; при этом угол наклона зависит от режима работы турбомашины (угловой скорости вращательного движения). При поступлении в отсек сгорания топлива струя сжатого воздуха в результате использования выходной направляющей лопатки спрямляется относительно продольной оси турбомашины (т.е. угол наклона струи воздуха относительно продольной оси турбомашины доводится до 0°). В отсеке сгорания топлива воздух перемешивается с топливом в пропорции, обеспечивающей необходимую степень сгорания; образованные в результате сгорания топочные газы выходят вдоль продольной оси турбомашины и поступают в турбинный отсек. В нем топочные газы посредством распределительного устройства меняют свое направление, приобретают характер вращательного движения с углом наклона более 70° относительно продольной оси турбомашины. Такой угол наклона требуется для образования угла поступления струй, обеспечивающих создание механического усилия, способного привести во вращательное движение рабочий диск первой ступени турбинного отсека.

Такое угловое распределение воздуха, проходящего через турбомашину, имеет много недостатков. На практике, струя воздуха, выходящая после последней ступени рабочего диска компрессорного отсека, первоначально имеет угол наклона 35°-45°, затем последовательно спрямляется (перед поступлением в отсек сгорания топлива его угол наклона доводится до 0°), а в последующем направление струи меняется и на входе в турбинный отсек ее угол наклона превышает 70°. Такие чередующиеся угловые изменения распределения воздуха в процессе его прохождения в турбомашине требуют приложения значительных аэродинамических усилий, производимых установленной в компрессорном отсеке выходной направляющей лопаткой и распределительным устройством, размещенным в турбинном отсеке, т.е. таких аэродинамических усилий, которые, в частности, негативно отражаются на общих показателях коэффициента полезного действия турбомашины.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является узел турбомашины, содержащий кольцевой компрессорный отсек, предназначенный для сжатия воздуха, проходящего через турбомашину; корпус турбомашины, который включает в себя кольцевой внешний кожух, отцентрированный относительно продольной оси турбомашины, и кольцевой внутренний кожух, соосно закрепленный внутри внешнего кожуха посредством множества радиальных крепежных стоек; кольцевой отсек сгорания топлива, размещенный внутри корпуса турбомашины за компрессорным отсеком, в котором воздух, выходящий из компрессорного отсека, перемешивается с топливом с целью его последующего сгорания; кольцевой турбинный отсек, расположенный за отсеком сгорания топлива, ротор которого приводится во вращательное движение газами, выходящими из отсека сгорания топлива; при этом струя воздуха, выходящего из компрессорного отсека, обеспечивает вращательное движение с углом наклона относительно продольной оси турбомашины (см. публикацию DE 1145438).

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков известных устройств и разработка турбомашины, система распределения воздуха в которой позволяет добиться существенного снижения последовательно прикладываемых аэродинамических усилий.

Для решения этой задачи согласно первому аспекту настоящего изобретения создан узел турбомашины, содержащий кольцевой компрессорный отсек, предназначенный для сжатия воздуха, проходящего через турбомашину; корпус турбомашины, который включает в себя кольцевой внешний кожух, отцентрированный относительно продольной оси турбомашины, и кольцевой внутренний кожух, соосно закрепленный внутри внешнего кожуха посредством множества радиальных крепежных стоек; кольцевой отсек сгорания топлива, размещенный внутри корпуса турбомашины за компрессорным отсеком, в котором воздух, выходящий из компрессорного отсека, перемешивается с топливом с целью его последующего сгорания; кольцевой турбинный отсек, расположенный за отсеком сгорания топлива, ротор которого приводится во вращательное движение газами, выходящими из отсека сгорания топлива; при этом струя воздуха, выходящего из компрессорного отсека, обеспечивает вращательное движение с углом наклона относительно продольной оси турбомашины. Отсек сгорания топлива снабжен средствами углового распределения воздуха, придающими струе газов, выходящих из отсека сгорания топлива, вращательное движение с углом наклона, по существу равным или превышающим угол наклона струи воздуха, выходящей из компрессорного отсека; при этом средства распределения воздуха выполнены на уровне корпуса турбомашины крепежными стойками, каждая из которых имеет угол наклона относительно продольной оси турбомашины, по существу равный или превышающий угол наклона струи воздуха, выходящей из компрессорного отсека, и требуемый для передачи вращательного движения первой ступени турбинного отсека; при этом узел турбомашины содержит дополнительные средства углового распределения воздуха, которые создаются на уровне одного или нескольких конструктивных элементов, выбранных из группы, состоящей из: обтекателя отсека сгорания топлива, устройств впрыска топлива отсека сгорания топлива, поперечной стенки отсека сгорания топлива и расположенных вдоль оси стенок отсека сгорания топлива.

Предпочтительно, дополнительные средства углового распределения воздуха образованы на уровне обтекателя отсека сгорания топлива, а отсек сгорания топлива содержит кольцевую внешнюю стенку, отцентрированную относительно продольной оси турбомашины; кольцевую внутреннюю стенку, расположенную соосно относительно внешней стенки; поперечную стенку, соединяющую в верхней части внешнюю и внутреннюю стенки; множество устройств впрыска топлива, которые проходят сквозь поперечную стенку; кольцевой обтекатель, устанавливаемый на поперечной стенке, при этом обтекатель содержит отверстия, предназначенные для ввода в них устройств впрыска топлива, причем каждое из отверстий обтекателя содержит расположенную вдоль оси стенку, которая образует угол наклона относительно продольной оси турбомашины, по существу равный или превышающий угол наклона потока воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

Предпочтительно, дополнительные средства углового распределения образованы на уровне устройств впрыска топлива отсека сгорания топлива, при этом каждое из устройств впрыска содержит топливный инжектор, один край которого установлен на чаше, снабженной радиальными элементами закручивания воздуха, при этом элементы закручивания воздуха каждой чаши обеспечивают различную проходимость воздуха.

Предпочтительно, расстояние между элементами закручивания воздуха каждой чаши различается в зависимости от угла наклона воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

Предпочтительно, дополнительные средства распределения воздуха образованы в месте размещения устройств впрыска топлива отсека сгорания топлива, при этом каждое из устройств впрыска топлива имеет угол наклона относительно продольной оси турбомашины, по существу равный или превышающий угол наклона струи воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

Предпочтительно, дополнительные средства углового распределения образованы в месте размещения поперечной стенки отсека сгорания топлива; при этом отсек сгорания топлива содержит кольцевую внешнюю стенку, отцентрированную относительно продольной оси турбомашины; кольцевую внутреннюю стенку, соосно расположенную с внешней стенкой; поперечную стенку, соединяющую в верхней части внутреннюю и внешнюю стенки; множество устройства впрыска топлива, проходящих сквозь поперечную стенку, при этом поперечная стенка имеет в месте размещения каждого устройства впрыска топлива угол наклона относительно поперечной плоскости турбомашины.

Предпочтительно, дополнительные средства углового распределения образованы в месте размещения расположенных вдоль оси стенок отсека сгорания топлива; при этом расположенные вдоль оси стенки отсека сгорания топлива снабжены отверстиями, которые расположены рядами и образуют каналы для прохождения воздуха, причем множество отверстий, предназначенных для прохождения воздуха, имеют угол наклона (ε) относительно продольной оси турбомашины, по существу равный или превышающий угол наклона воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

Предпочтительно, каждый из каналов имеет угол наклона относительно оси, перпендикулярной расположенным вдоль оси стенкам отсека сгорания топлива.

Предпочтительно, каждый канал размещен в плоскости, перпендикулярной расположенным вдоль оси стенкам отсека сгорания топлива, и имеет угол наклона относительно продольной оси турбомашины, по существу равный углу наклона (ε) рядов расположения отверстий.

Предпочтительно, каждый канал размещен в плоскости, перпендикулярной расположенным вдоль оси стенкам отсека сгорания топлива, и имеет угол наклона относительно продольной оси турбомашины, который существенно превышает угол наклона (ε) рядов расположения отверстий.

Предпочтительно, угол наклона плоскости, перпендикулярной расположенным вдоль оси стенкам, заключен в диапазоне от ε до ε+90° относительно продольной оси турбомашины.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создана турбомашина, содержащая вышеописанный узел.

Таким образом, изобретение позволяет сохранить первоначальный угол наклона струи воздуха, выходящего из компрессорного отсека, поддерживать (и даже увеличивать) вращательное движение воздуха, проходящего сквозь отсек сгорания топлива, до момента его попадания в турбинный отсек. Таким образом, значительно снижается аэродинамическая сила, необходимая для придания первой ступени турбинного отсека вращательного движения. Такое существенное уменьшение аэродинамической силы приводит к повышению КПД турбомашины. Кроме того, конструкции выходной направляющей лопатки компрессорного отсека и распределительного устройства турбинного отсека могут быть упрощены или вообще устранены, что позволяет добиться выигрыша по массе и снижения расходов на производство.

Установка может содержать дополнительные средства углового распределения воздуха, создаваемые на уровне одного или нескольких конструктивных элементов турбомашины, в том числе обтекатель камеры сгорания, устройства впрыска топлива в камеру сгорания, поперечные и расположенные вдоль оси стенки отсека сгорания топлива.

Объектом настоящего изобретения также является способ углового распределения воздуха, проходящего через турбомашину, который последовательно нагнетается в компрессорном отсеке, перемешивается с топливом с целью последующего сжигания в отсеке сгорания топлива, а затем используется для приведения во вращательное движение ротора, расположенного в турбинном отсеке. При этом данный способ характеризуется тем, что он заключается в придании воздуху, выходящему из компрессорного отсека, вращательного движения с углом наклона относительно продольной оси турбомашины и сохранении или увеличении данного угла наклона потока воздуха для того, чтобы газам, выходящим из отсека сгорания топлива, придавалось вращательное движение с углом наклона, по существу равным или превышающим угол наклона потока воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения вытекают из приводимого ниже описания неограничительного варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - частичный вид половины турбомашины в соответствии с предлагаемым изобретением в продольном разрезе;

Фиг.2 - вид в изометрии корпуса турбомашины, показанной на фиг.1;.

Фиг.3 - развернутый вид крепежных стоек корпуса, показанного на фиг.2;

Фиг.4 - вид спереди обтекателя отсека сгорания топлива турбомашины, показанной на фиг.1;

Фиг.5 - вид представленного на фиг.4 корпуса в разрезе в продольной плоскости;

Фиг.6 - поперечное сечение устройства впрыска воздуха в камеру сгорания турбомашины, представленной на фиг.1;

Фиг.7 - вид в разрезе в продольной плоскости поперечной стенки с проходящими через нее устройствами впрыска камеры сгорания турбомашины, представленной на фиг.1;

Фиг.8 - частичный вид в изометрии поперечной стенки камеры сгорания турбомашины, показанной на фиг.1;

Фиг.9 - развернутый вид расположенной вдоль оси стенки камеры сгорания турбомашины, показанной на фиг.1;

Фиг.10А и 10В - изображает поперечное сечение расположенной вдоль оси стенки камеры сгорания турбомашины, показанной на фиг.1, в соответствии с вариантами осуществления предлагаемого изобретения;

Фиг.11А и 11В развернутые виды расположенной вдоль оси стенки камеры сгорания турбомашины, показанной на фиг.1, в соответствии с вариантами осуществления предлагаемого изобретения.

Турбомашина, частично представленная на фиг.1, имеет продольную ось Х-Х. Вдоль данной оси расположены, в частности, кольцевой компрессорный отсек 100; после компрессорного отсека 100 в направлении выхода воздуха, проходящего через турбомашину, размещен кольцевой отсек сгорания топлива 200; после отсека сгорания топлива 200 расположен кольцевой турбинный отсек 300. Поступающий в турбомашину воздух последовательно проходит через компрессорный отсек 100, отсек сгорания топлива 200 и, наконец, турбинный отсек 300.

Компрессорный отсек 100 представлен целым рядом ступеней рабочего диска 102, на каждом из которых установлены лопатки 104 (на фиг.1 показана только одна последняя ступень компрессорного отсека). Лопатки 104 данной ступени располагаются в кольцевом канале 106, через который проходит воздух турбомашины; при этом площадь сечения кольцевого канала уменьшается сверху вниз. Таким образом, поступивший в турбомашину воздух по мере его прохождения через компрессорный отсек приобретает повышенную степень сжатия.

Отсек сгорания топлива 200 также имеет форму кольцевого канала, в котором выходящий из компрессорного отсека 100 сжатый воздух перемешивается с топливом с целью его последующего сгорания. В связи с этим в отсеке сгорания топлива имеется камера сгорания 202, внутри которой производится сжигание воздушно-топливной смеси.

Отсек сгорания топлива 200 включает в себя корпус турбомашины, состоящий из кольцевого, отцентрированного относительно продольной оси Х-Х турбомашины внешнего кожуха 204 и кольцевого внутреннего кожуха 206, который крепится внутри внешнего кожуха при помощи нескольких крепежных стоек 208, радиально расположенных относительно продольной оси Х-Х турбомашины, а также равномерно рассредоточенных по всей длине окружности корпуса (фиг.2). В образованное между двумя кожухами 204 и 206 пространство 210, имеющее кольцеобразную форму, через кольцевой диффузионный канал 212 из компрессорного отсека 100 турбомашины поступает сжатый воздух.

Стойки 208 диффузионного канала 212 имеют два основных предназначения: первое, механического характера, - соединить внешний кожух 204 и внутренний кожух 206 корпуса; второе - сформировать выходную направляющую лопатку 213, функцией которой является сообщение вращательного движения струе воздуха, выходящего из компрессорного отсека 100.

Устройства впрыска топлива 214, равномерно расположенные вокруг диффузионного канала 212, имеют выход в кольцевое пространство 210. Каждое из этих устройств впрыска снабжено соплом инжектора топлива 216, которое крепится к внешнему кожуху 204 корпуса.

Камера сгорания 202 устанавливается внутри кольцевого пространства 210, образуя вместе с внешним кожухом 204 и внутренним кожухом 206 кольцевой канал 218, в который поступает первичный и охлаждающий воздух (называется также воздухом обтекания камеры сгорания).

Камера сгорания 202 имеет кольцеобразную форму. Она, в частности, образована кольцевой внешней стенкой 220, отцентрированной относительно продольной оси Х-Х турбомашины и прикрепленной к внешнему кожуху 204 корпуса, и кольцевой внутренней стенкой 222, соосно расположенной с внешней стенкой 220 и закрепленной на внутреннем кожухе 206 корпуса.

Внешняя 220 и внутренняя 222 стенки в своих верхних частях соединены друг с другом посредством поперечной стенки 224 и образуют дно камеры. Дно камеры 224 снабжено рядом отверстий 226, через которые вводятся устройства впрыска топлива 214.

Камера сгорания 202 также содержит кольцевой обтекатель 228, который устанавливается в основании камеры 224 и является продолжением расположенных вдоль оси стенок 220 и 222 камеры. Обтекатель 228 имеет ряд отверстий 230 для введения устройств впрыска топлива 214.

Впрыск топлива в камеру сгорания 202 осуществляется при помощи соответствующих устройств впрыска топлива 214. Воздух, предназначенный для перемешивания в камере с топливом, состоит с одной стороны из воздуха, подаваемого через устройства впрыска, каждое из которых в оконечной точке снабжено чашей 232 с элементами закручивания воздуха; с другой стороны, из воздуха обтекания, затягиваемого через отверстия 234, просверленные в расположенных вдоль оси стенках 220 и 222 камеры. Поступившая таким образом в камеру сгорания воздушно-топливная смесь сгорает и образует топочный газ.

Турбинный отсек 300 турбомашины включает в себя несколько ступеней рабочих дисков 302, на каждом из которых установлены лопатки 304 (на фиг.1 изображена только первая ступень турбины). Лопатки 304 этих ступеней расположены в кольцевом канале 306, через который проходит газ, выходящий из отсека сгорания топлива 200.

При попадании на первую ступень 302 турбинного отсека 300 струя газа, выходящего из отсека сгорания топлива, должна иметь угол наклона относительно продольной оси Х-Х турбомашины, достаточный для приведения во вращательное движение различных ступеней турбинного отсека.

С этой целью распределительное устройство 308 устанавливается непосредственно в нижней части камеры сгорания 202 и в верхней части первой ступени 302 турбинного отсека 300. Распределительное устройство 308 состоит из нескольких несъемных радиальных лопаток 310, угол наклона которых относительно продольной оси Х-Х турбомашины позволяет придать газам, выходящим из отсека сгорания топлива 200, угол наклона, необходимый для приведения различных ступеней турбинного отсека во вращательное движение.

В классических турбомашинах распределение воздуха, последовательно проходящего через компрессорный отсек 100, отсек сгорания топлива 200 и турбинный отсек 300, осуществляется следующим образом. Струя сжатого воздуха, нагнетаемого последней ступенью 102 компрессорного отсека 100, первоначально вращается с углом наклона 35-45° относительно продольной оси Х-Х турбомашины. При помощи выходной направляющей лопатки 213 отсека сгорания топлива 200 этот угол наклона доводится до 0°. Наконец, на входе в турбинный отсек 300 топочные газы при помощи распределительного устройства 308 меняют направление и приобретают характер вращательного движения с углом наклона относительно продольной оси Х-Х более 70°.

В соответствии с предлагаемым изобретением, предусмотрено наличие средств углового распределения воздуха для сохранения и даже увеличения первоначального угла наклона струи воздуха, выходящего из компрессорного отсека 100, с таким расчетом, чтобы газам, выходящим из отсека сгорания топлива 200, сообщалось вращательное движение с углом наклона, по существу равным или превышающим угол наклона воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

Возможность поддержания и даже увеличения угла наклона сжатого воздуха с момента его выхода из компрессорного отсека 100 до поступления в турбинный отсек 300 дает много преимуществ.

В частности, отпадает необходимость наличия у распределителя воздуха 308 турбинного отсека 300 большого угла наклона (в классических турбомашинах он, по меньшей мере, равен 70°) для создания угла прохождения струй, которые необходимы для образования механической силы, приводящей во вращательное движение рабочий диск 302 первой ступени турбинного отсека. В зависимости от угловой величины, полученной на выходе из отсека сгорания топлива при помощи средств углового распределения воздуха, угол наклона распределительного устройства 308 в этом случае компенсирует только угловое отклонение, необходимое для того, чтобы топочные газы, движение которых уже имеет вращательный характер, получили требуемый дополнительный угол прохождения струй с целью обеспечения вращательного движения первой ступени 302 турбинного отсека.

Если средства углового распределения воздуха позволяют обеспечить на выходе отсека сгорания топлива угол наклона, равный углу прохождения струй, достаточный для приведения во вращательное движение первой ступени 302 турбинного отсека, распределительное устройство 308 последнего может быть даже исключено из конструкции, что дает турбомашине большой выигрыш по массе, повышает компактность, снижает расходы по его производству. В результате оптимизации средств углового распределения воздуха функции распределительного устройства 213 отсека сгорания топлива 200 могут быть также исключены; при этом возможно сохранение только механических функций стоек 208, что представляет собой положительный момент в контексте уменьшения массы и повышения компактности турбомашины, а также снижения расходов по его изготовлению. Кроме того, величина аэродинамической силы, необходимой для приведения во вращательное движение первой ступени 302 турбинного отсека 300, также значительно уменьшается, что позволяет рассчитывать на существенное повышение КПД турбомашины.

Средства углового распределения воздуха в соответствии с предлагаемым изобретением могут создаваться на уровне одного или нескольких конструктивных элементов турбомашины, перечисляемых ниже. Следует отметить, что вносимые в эти конструктивные элементы турбомашины усовершенствования могут дополнять друг друга с целью оптимизировать процесс углового распределения воздуха и добиться того, чтобы струя газов на выходе из отсека сгорания топлива имела угол наклона, равный или максимально возможно приближенный к углу прохождения струй, необходимых для приведения во вращательное движение первой ступени турбинного отсека.

Усовершенствование корпуса отсека сгорания топлива

Такой усовершенствованный вариант представлен на фиг.2 и 3. На фиг.2 изображен корпус турбомашины, который состоит из внешнего кожуха 204 и внутреннего кожуха 206, внутри которого установлена камера сгорания (не показана).

В соответствии с предлагаемым изобретением, каждая стойка 208, которые по-прежнему остаются необходимым элементом крепления внутреннего кожуха 206 внутри внешнего кожуха 204, имеет угол наклона α относительно продольной оси Х-Х турбомашины. Этот угол наклона α по существу равен или превышает угол наклона струи воздуха, выходящей из компрессорного отсека.

Например, если воздух, выходящий из компрессорного отсека, движется в направлении F и имеет характер вращательного движения с углом наклона 35-45° относительно продольной оси X-X, то угол наклона α крепежных стоек 208 будет равен, по меньшей мере, 35°.

Согласно одному из вариантов, который не показан на чертежах, можно предусмотреть, чтобы каждая крепежная стойка 208 имела профиль съемной лопатки газовой турбины с общим углом наклона, по меньшей мере, равным углу наклона струи воздуха, выходящего из компрессорного отсека, или даже превышающим его с целью создания эффекта дополнительного вращения.

Усовершенствование обтекателя отсека сгорания топлива

Данный усовершенствованный вариант представлен на фиг.4 и 5. На этих чертежах изображен частичный вид кольцевого обтекателя 228, который установлен в основании камеры сгорания и является продолжением расположенных вдоль оси стенок последней.

Согласно вышеизложенному, обтекатель 228 снабжен определенным количеством отверстий 230 для введения устройств впрыска топлива (в целях упрощения на фиг.4 и 5 показана только чаша 232 с элементами закручивания воздуха 232 устройства впрыска топлива).

В соответствии с предлагаемым изобретением, каждое отверстие 230 обтекателя 228 содержит расположенную вдоль оси стенку 236, образующую угол наклона β относительно продольной оси Х-Х турбомашины, который по существу равен или превышает угол наклона струи воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

Например, если воздух, выходящий из компрессорного отсека, движется в общем направлении F и имеет угол наклона 35-45°, то угол наклона β расположенной вдоль оси стенки 236 с отверстиями 230 обтекателя 228 будет равен, по меньшей мере, 35°.

Следует отметить, что, если ранее описанный усовершенствованный вариант относился к крепежным стойкам корпуса с определением для них угла наклона, превышающего угол наклона струи воздуха, выходящего из компрессорного отсека, то угол наклона β расположенной вдоль оси стенки 236 с отверстиями 230 обтекателя 228 предпочтительно будет равен или превысит угол наклона крепежных стоек.

Усовершенствование устройств впрыска отсека сгорания топлива

Первый способ осуществления этого усовершенствованного варианта представлен на фиг.6, на которой изображено поперечное сечение чаши устройства впрыска топлива, проходящего сквозь отверстие 226, просверленное в дне камеры 224 отсека сгорания топлива.

Чаша 232 каждого устройства впрыска топлива снабжена несколькими элементами закручивания воздуха 238, радиально расположенными относительно продольной оси Y-Y чаши, которая в свою очередь установлена параллельно продольной оси турбомашины (не показан). Элементы закручивания воздуха 238 способны придать вращательное движение воздуху, который подается в камеру сгорания через чашу устройств впрыска топлива. Они могут иметь одно- или двухступенчатое расположение.

В соответствии с предлагаемым изобретением, элементы закручивания воздуха 238 чаши 232 каждого устройства впрыска топлива для обеспечения одинаковой подачи топлива имеют различный уровень прохождения воздуха. Под различным уровнем прохождения воздуха понимается то, что сечение канала прохождения воздуха между элементами закручивания воздуха изменяется в зависимости от угла установки последних.

Потребность в проведении такого усовершенствования обусловлена тем, что с учетом того, что струя воздуха, выходящего из компрессорного отсека, имеет вращательное движение, на верхнюю часть элементов закручивания воздуха (относительно направления вращательного движения воздуха, снабжающего эти элементы закручивания воздуха) воздух подается лучше, чем на нижнюю часть.

Преимущественно различная проходимость элементов закручивания воздуха 238 каждой чаши 232 достигается в результате изменения расстояния между элементами закручивания воздуха в зависимости от угла наклона струи воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

Например, для вращательного движения в общем направлении F, выходящего из компрессорного отсека воздуха, как это показано на фиг.6 стрелкой F', расстояние d1 между соседними элементами закручивания воздуха 238а и 238b больше, чем расстояние d2 между соседними элементами закручивания воздуха 238b и 238с.

На фиг.7 показан альтернативный вариант внесения усовершенствований в устройства впрыска топлива.

Согласно данному способу осуществления изобретения, каждое устройство впрыска топлива 214, включающее в себя сопло инжектора 216 и чашу 232 с элементами закручивания воздуха, имеет угол наклона γ относительно продольной оси Х-Х турбомашины, который по существу равен или больше угла наклона струи воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

В любом случае, если струя воздуха, выходящего из компрессорного отсека, движется в общем направлении F с углом наклона 35°-45°, то угол наклона γ устройств впрыска топлива 214 будет, по меньшей мере, равен 35°. Этот угол наклона γ может быть больше, если, например, проведено усовершенствование крепежных стоек корпуса и (или) обтекателя отсека сгорания топлива.

Усовершенствование дна камеры сгорания, расположенной в отсеке сгорания топлива

Данный усовершенствованный вариант представлен на фиг.7 и 8, на которых, в частности, изображено дно камеры сгорания 224, оборудованной в отсеке камеры сгорания топлива, т.е. поперечная стенка, соединяющая в верхней части расположенные вдоль оси стенки 220, 222 камеры сгорания.

В соответствии с предлагаемым изобретением, дно камеры 224 имеет на уровне каждого устройства впрыска топлива 214 угол наклона δ относительно поперечной плоскости Р турбомашины, т.е. относительно плоскости Р, перпендикулярной продольной оси Х-Х турбомашины.

Такая особенность лежит в основе модификации дна камеры 224 и придания ей формы «лестницы» с маршевым расстоянием, соответствующим каждому устройству впрыска топлива 214. Такая форма, в частности, представлена на фиг.8.

Если каждое устройство впрыска топлива 214 имеет угол наклона γ относительно продольной оси Х-Х, как это предлагалось ранее (фиг.7), то угол наклона δ дна камеры 224 предпочтительно будет по существу идентичен углу наклона устройств впрыска.

Усовершенствование расположенных вдоль оси стенок отсека сгорания топлива

Как это было показано выше со ссылкой на фиг.1, отверстия 234 просверливаются на расположенных вдоль оси стенках 220, 222 камеры сгорания 202 с целью направления потока воздуха, необходимого для сжигания и разбавления воздушно-топливной смеси.

Расположенные вдоль оси стенки 220, 222 камеры сгорания 202, кроме того, снабжены целым рядом дополнительных каналов. Забираемый этими каналами воздух предназначен для охлаждения расположенных вдоль оси стенок камеры сгорания; при этом на ее внутренних стенках образуется воздушная прослойка (речь идет об охлаждении путем «мультиперфорирования» стенок камеры).

Такие каналы, предназначенные для подачи охлаждающего воздуха, обычно включают в себя отверстия, просверленные в расположенных вдоль оси стенках камеры сгорания и образующие таким образом каналы. Эти отверстия могут быть просверлены или перпендикулярно поверхности расположенных вдоль оси стенок, или под углом к ним. При этом отверстия, размещенные на поверхности расположенных вдоль оси стенок 220, 222 камеры сгорания, образуют сетку.

На фиг.9 изображены усовершенствования, которые были внесены в отверстия, просверленные в расположенных вдоль оси стенках 220, 222 камеры сгорания в соответствии с одним из способов осуществления предлагаемого изобретения.

В соответствии с примером осуществления изобретения, показанным на фиг.9, отверстия 240, просверленные в расположенных вдоль оси стенках 220, 222, имеют форму сетки, которая вытянута вдоль оси I. В этой сетке отверстия 240 расположены линейно, параллельно друг другу. Как это показано на примере линий n и n+1, отверстия двух соседних линий могут также иметь и шахматный порядок расположения.

В соответствии с данным изобретением, каждая из этих линий отверстий 240 имеет угловой наклон ε относительно продольной оси Х-Х турбомашины, который может быть по существу равным или больше угла наклона струи воздуха, выходящего из отсека сгорания топлива.

Угол наклона ε может быть больше, чем угол наклона струи воздуха, выходящего из компрессорного отсека, в частности, если в крепежные стойки корпуса, и (или) отсека сгорания топлива, и (или) устройств впрыска топлива вносились описанные ранее усовершенствования.

В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, который не представлен на чертежах, не исключается кривое начертание рядов отверстий, предназначенных для прохождения охлаждающего воздуха, т.е. угол наклона этих рядов относительно продольной оси турбомашины может увеличиваться по мере удаления от входа в камеру сгорания.

Кроме того, как это показано на фиг.10А, отверстия могут просверливаться в расположенных вдоль оси стенках 220, 222 камеры сгорания и образовывать каналы 240, перпендикулярные расположенным вдоль оси стенкам, т.е. каналы 240 параллельны оси Z-Z, которая проходит перпендикулярно стенкам.

В качестве варианта, как это показано на фиг.10В, отверстия могут иметь форму каналов 240', каждый из которых имеет угол наклона θ1 относительно оси Z-Z, которая в свою очередь перпендикулярна стенкам; при этом угол наклона θ1 отверстий преимущественно направлен в сторону нижней части камеры сгорания.

На фиг.11А и 11В представлены варианты осуществления изобретения, согласно которым каждый канал 240', просверленный в расположенных вдоль оси стенках 220, 222 камеры сгорания, имеет такой же угол наклона θ1 относительно оси, перпендикулярной стенкам.

Как это показано в примере, изображенном на фиг.11А, расположение отверстий 240' имеет форму сетки, которая вытянута вдоль оси I. В рамках сетки отверстия расположены рядами; при этом ряды n параллельны друг другу, а каждый ряд отверстий имеет угол наклона ε относительно продольной оси Х-Х турбомашины, как это было описано выше.

Каждый канал 240', который имеет угол наклона θ1, расположен в перпендикулярной плоскости относительно стенок 220, 222 камеры сгорания. Эта перпендикулярно расположенная относительно стенок плоскость, в которой размещены все каналы 240', также имеет угол наклона θ2 относительно продольной оси Х-Х турбомашины. Этот угол наклона θ2 выполнен таким образом, чтобы он соответствовал углу наклона ε линий n отверстий. Другими словами, ось, проходящая через впускные 240'а и выпускные 240'b отверстия воздуха каждого канала 240', расположена в плоскости, которая перпендикулярна стенкам 220, 222, и на одной линии с осью расположения линий n отверстий.

Как это показано в примере осуществления изобретения, изображенном на фиг.11В, расположение отверстий 240' также имеет форму сетки, вытянутой вдоль оси I; при этом внутри сетки отверстия расположены на линиях n, параллельных друг другу; при этом каждая линия отверстий имеет угол наклона ε относительно продольной оси Х-Х турбомашины, как это было описано выше.

Каждый канал 240', также имеющий угол наклона θ1, расположен в плоскости, перпендикулярной стенкам 220, 222 камеры сгорания. Более того, эта перпендикулярная стенкам плоскость, в которой размещены каналы 240', сама имеет угол наклона θ2 относительно продольной оси Х-Х турбомашины.

В противовес варианту осуществления изобретения, изображенному на фиг.11А, данный угол наклона θ2 значительно превышает угол наклона ε линий n отверстий; при этом они выполнены таким образом, чтобы придать потоку воздуха, выходящему из этих каналов, дополнительный момент закручивания относительно продольной оси Х-Х турбомашины. Другими словами, ось, проходящая через впускные 240'а и выпускные 240'b отверстия воздуха каждого канала 240', расположена в плоскости, которая перпендикулярна стенкам 220, 222, и наклонена под углом, равным θ2-ε, к оси расположения линий n отверстий.

В свою очередь, угол наклона θ2 плоскости, перпендикулярной расположенным вдоль оси стенкам 220, 222 камеры сгорания, в которой расположены каналы 240', также находится в диапазоне величин ε и (ε+90°) относительно продольной оси Х-Х турбомашины.

Кроме того, в соответствии с одним из вариантов осуществления предлагаемого изобретения, который не показан на чертежах, начертание линии вышеназванных каналов 240', предназначенных для прохождения по ним охлаждающего воздуха, может быть кривым, т.е. угол наклона θ2 плоскости, перпендикулярной расположенным вдоль оси стенкам камеры сгорания с размещенными в ней каналами этих линий, может меняться по мере удаления от входа в камеру сгорания.

Узел турбомашины содержит кольцевой компрессорный отсек, корпус турбомашины, кольцевой отсек сгорания топлива, кольцевой турбинный отсек, ротор которого приводится во вращательное движение газами, выходящими из отсека сгорания топлива. При этом струя воздуха, выходящего из компрессорного отсека, обеспечивает вращательное движение с углом наклона относительно продольной оси турбомашины. Корпус турбомашины включает в себя кольцевой внешний кожух, отцентрированный относительно продольной оси турбомашины, и кольцевой внутренний кожух, соосно закрепленный внутри внешнего кожуха посредством нескольких радиальных крепежных стоек. Отсек сгорания топлива снабжен средствами углового распределения воздуха, придающими струе газов, выходящих из отсека сгорания топлива, вращательное движение с углом наклона, по существу равным или превышающим угол наклона струи воздуха, выходящей из компрессорного отсека. Средства распределения воздуха выполнены на уровне корпуса турбомашины крепежными стойками. Каждая из крепежных стоек имеет угол наклона относительно продольной оси турбомашины, по существу равный или превышающий угол наклона струи воздуха, выходящей из компрессорного отсека, и требуемый для передачи вращательного движения первой ступени турбинного отсека. Узел турбомашины содержит дополнительные средства углового распределения воздуха, которые создаются на уровне одного или нескольких конструктивных элементов, выбранных из группы, состоящей из обтекателя отсека сгорания топлива, устройств впрыска топлива отсека сгорания топлива, поперечной стенки отсека сгорания топлива, и расположенных вдоль оси стенок отсека сгорания топлива. Изобретение направлено на уменьшение величины аэродинамической силы, необходимой для приведения во вращательное движение первой турбинной ступени, а также на уменьшение массы и повышение компактности турбомашины, снижение расходов на изготовление. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Узел турбомашины, содержащий кольцевой компрессорный отсек, предназначенный для сжатия воздуха, проходящего через турбомашину, корпус турбомашины, который включает в себя кольцевой внешний кожух, отцентрированный относительно продольной оси турбомашины, и кольцевой внутренний кожух, соосно закрепленный внутри внешнего кожуха посредством множества радиальных крепежных стоек, кольцевой отсек сгорания топлива, размещенный внутри корпуса турбомашины за компрессорным отсеком, в котором воздух, выходящий из компрессорного отсека, перемешивается с топливом с целью его последующего сгорания, кольцевой турбинный отсек, расположенный за отсеком сгорания топлива, ротор которого приводится во вращательное движение газами, выходящими из отсека сгорания топлива, при этом струя воздуха, выходящего из компрессорного отсека, обеспечивает вращательное движение с углом наклона относительно продольной оси турбомашины, отличающийся тем, что отсек сгорания топлива снабжен средствами углового распределения воздуха, придающими струе газов, выходящих из отсека сгорания топлива, вращательное движение с углом наклона, по существу равным или превышающим угол наклона струи воздуха, выходящей из компрессорного отсека, при этом средства распределения воздуха выполнены на уровне корпуса турбомашины крепежными стойками, каждая из которых имеет угол наклона относительно продольной оси турбомашины, по существу равный или превышающий угол наклона струи воздуха, выходящей из компрессорного отсека, и требуемый для передачи вращательного движения первой ступени турбинного отсека, при этом узел турбомашины содержит дополнительные средства углового распределения воздуха, которые создаются на уровне одного или нескольких конструктивных элементов, выбранных из группы, состоящей из обтекателя отсека сгорания топлива, устройств впрыска топлива отсека сгорания топлива поперечной стенки отсека сгорания топлива и расположенных вдоль оси стенок отсека сгорания топлива.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что дополнительные средства углового распределения воздуха образованы на уровне обтекателя отсека сгорания топлива, а отсек сгорания топлива содержит кольцевую внешнюю стенку, отцентрированную относительно продольной оси турбомашины, кольцевую внутреннюю стенку, расположенную соосно относительно внешней стенки, поперечную стенку, соединяющую в верхней части внешнюю и внутреннюю стенки, множество устройств впрыска топлива, которые проходят сквозь поперечную стенку, кольцевой обтекатель, устанавливаемый на поперечной стенке, при этом обтекатель содержит отверстия, предназначенные для ввода в них устройств впрыска топлива, причем каждое из отверстий обтекателя содержит расположенную вдоль оси стенку, которая образует угол наклона относительно продольной оси турбомашины, по существу равный или превышающий угол наклона потока воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

3. Узел по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительные средства углового распределения образованы на уровне устройств впрыска топлива отсека сгорания топлива, при этом каждое из устройств впрыска содержит топливный инжектор, один край которого установлен на чаше, снабженной радиальными элементами закручивания воздуха, при этом элементы закручивания воздуха каждой чаши обеспечивают различную проходимость воздуха.

4. Узел по п.3, отличающийся тем, что расстояние между элементами закручивания воздуха каждой чаши различается в зависимости от угла наклона воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

5. Узел по п.1 или 2, отличающийся тем, что дополнительные средства распределения воздуха образованы в месте размещения устройств впрыска топлива отсека сгорания топлива, при этом каждое из устройств впрыска топлива имеет угол наклона относительно продольной оси турбомашины, по существу равный или превышающий угол наклона струи воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

6. Узел по п.1, отличающийся тем, что дополнительные средства углового распределения образованы в месте размещения поперечной стенки отсека сгорания топлива, при этом отсек сгорания топлива содержит кольцевую внешнюю стенку, отцентрированную относительно продольной оси турбомашины, кольцевую внутреннюю стенку, соосно расположенную с внешней стенкой; поперечную стенку, соединяющую в верхней части внутреннюю и внешнюю стенки; множество устройств впрыска топлива, проходящих сквозь поперечную стенку, при этом поперечная стенка имеет в месте размещения каждого устройства впрыска топлива угол наклона относительно поперечной плоскости турбомашины.

7. Узел по п.1, отличающийся тем, что дополнительные средства углового распределения образованы в месте размещения расположенных вдоль оси стенок отсека сгорания топлива, при этом расположенные вдоль оси стенки отсека сгорания топлива снабжены отверстиями, которые расположены рядами и образуют каналы для прохождения воздуха, причем множество отверстий, предназначенных для прохождения воздуха, имеют угол наклона (ε) относительно продольной оси турбомашины, по существу, равный или превышающий угол наклона воздуха, выходящего из компрессорного отсека.

8. Узел по п.7, отличающийся тем, что каждый из каналов имеет угол наклона относительно оси, перпендикулярной расположенным вдоль оси стенкам отсека сгорания топлива.

9. Узел по п.8, отличающийся тем, что каждый канал размещен в плоскости, перпендикулярной расположенным вдоль оси стенкам отсека сгорания топлива, и имеет угол наклона относительно продольной оси турбомашины, по существу, равный углу наклона (ε) рядов расположения отверстий.

10. Узел по п.8, отличающийся тем, что каждый канал размещен в плоскости, перпендикулярной расположенным вдоль оси стенкам отсека сгорания топлива, и имеет угол наклона относительно продольной оси турбомашины, который существенно превышает угол наклона (ε) рядов расположения отверстий.

11. Узел по п.10, отличающийся тем, что угол наклона плоскости, перпендикулярной расположенным вдоль оси стенкам, заключен в диапазоне от ε до ε+90° относительно продольной оси турбомашины.

12. Турбомашина, отличающаяся тем, что содержит узел по одному из пп.1-12.