НАПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОТОКА ВОЗДУХА НА ВХОДЕ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК F23R3/04 F01D9/02 F04D29/54 

Настоящее изобретение относится к направляющему устройству для потока воздуха на входе в камеру сгорания газотурбинного двигателя, такого как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель.

Устройство этого типа устанавливается на выходе из компрессора и содержит спрямляющий аппарат, вслед за которым располагается диффузор, причем диффузор содержит две коаксиальные стенки, представляющие собой тела вращения и связанные друг с другом при помощи радиальных перегородок, а спрямляющий аппарат содержит две коаксиальные обечайки, которые расположены на одной линии в осевом направлении соответственно с двумя стенками диффузора, представляющими собой тела вращения, и между которыми расположены лопатки, проходящие по существу в радиальном направлении.

Из уровня техники известен способ, состоящий в формировании спрямляющего аппарата и диффузора независимо один от другого для того, чтобы наилучшим образом оптимизировать их форму, их размерные параметры и их функции, а затем в закреплении при помощи подходящих в данном случае средств крепления заднего по потоку конца спрямляющего аппарата на переднем по потоку конце диффузора. Однако в этом случае используемые средства крепления оказываются достаточно тяжелыми и громоздкими и могут создавать потери напора для потока воздуха через данное устройство.

Известен также способ, состоящий в формировании спрямляющего аппарата и диффузора в виде одной детали. Однако возможности такой технологии оказываются весьма ограниченными, поскольку она не позволяет оптимизировать функции этих устройств и сформировать спрямляющие аппараты сложной формы, в частности спрямляющие аппараты, содержащие большое количество лопаток, имеющих малые радиальные размеры (например, спрямляющий аппарат, имеющий более 100 лопаток). В частности, предельно сложно реализовать методами литейного производства спрямляющий аппарат и диффузор в виде одной детали, поскольку литейные сердечники, которые предусматриваются между лопатками спрямляющего аппарата и радиальными перегородками диффузора, оказываются труднодоступными, вследствие чего становится весьма затруднительным, а иногда и невозможным, извлечение этих сердечников.

Технической задачей настоящего изобретения является создание достаточно простого, экономичного и эффективного решения этих проблем путем создания направляющего устройства для потока воздуха.

Для решения этой задачи согласно изобретению предложено направляющее устройство для потока воздуха на входе в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащее спрямляющий аппарат и расположенный вслед за ним диффузор, причем спрямляющий аппарат содержит две коаксиальные обечайки, между которыми расположены лопатки, проходящие по существу в радиальном направлении, а диффузор содержит две коаксиальные стенки, представляющие собой тела вращения и связанные друг с другом при помощи радиальных перегородок, устройство характеризуется тем, что одна из обечаек спрямляющего аппарата сформирована в виде единой детали с одной представляющей собой тело вращения стенкой диффузора, причем другая обечайка этого спрямляющего аппарата присоединена и закреплена на другой представляющей собой тело вращения стенке диффузора, а лопатки спрямляющего аппарата жестко связаны одним своим концом с одной обечайкой этого спрямляющего аппарата и отстоят с некоторым небольшим зазором от другой обечайки на другом своем конце.

В соответствии с предлагаемым изобретением только одна из обечаек спрямляющего аппарата сформирована в виде единой детали с диффузором, а другая обечайка спрямляющего аппарата присоединена и закреплена, например, при помощи сварки на диффузоре таким образом, чтобы устройство оказалось моноблочным. Таким образом, устройство в соответствии с предлагаемым изобретением не требует использования специальных средств крепления, которые являются достаточно тяжелыми и громоздкими, что позволяет уменьшить общую массу устройства и не ограничивать аэродинамическую направляющую функцию этого устройства по отношению к потоку воздуха.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой компромисс между различными используемыми до настоящего времени технологиями изготовления и оно позволяет оптимизировать выполняемые этим устройством функции при сохранении относительного удобства его изготовления. В частности, формы и размерные параметры спрямляющего аппарата могут быть оптимизированы независимо от форм и размерных параметров диффузора и они не ограничиваются способом изготовления данного устройства, причем спрямляющий аппарат может быть достаточно сложным и может иметь небольшой радиальный размер и достаточно большое количество лопаток. Например, в том случае, когда одна из обечаек спрямляющего аппарата и диффузор сформированы в виде единой литой детали с лопатками спрямляющего аппарата и с радиальными перегородками диффузора, литейные сердечники оказываются легко доступными для их удаления вследствие отсутствия другой обечайки спрямляющего аппарата.

В целом предлагаемое изобретение позволяет обеспечить экономию при изготовлении обечайки спрямляющего аппарата, поскольку обечайка выходит из литейного производства вместе с диффузором. Изобретение позволяет также обеспечить экономию при изготовлении лопаток спрямляющего аппарата в том случае, когда лопатки изготовляют путем литья вместе с диффузором.

Кроме того, устройство в соответствии с предлагаемым изобретением является более простым в изготовлении и в установке и позволяет обеспечить заметный выигрыш в массе по сравнению с существующими устройствами. Предлагаемое устройство также позволяет уменьшить опасность ненадлежащего соответствия, сократить время изготовления и повысить надежность, поскольку система, образованная спрямляющим аппаратом и диффузором, в конечном счете оказывается моноблочной.

В соответствии с другой характеристикой предлагаемого изобретения наружная обечайка спрямляющего аппарата и представляющая собой тело вращения наружная стенка диффузора сформированы в виде одной детали и конец внутренней обечайки спрямляющего аппарата закреплен, например, при помощи сварки на переднем по потоку конце представляющей собой тело вращения внутренней стенки диффузора.

В соответствии с одним из вариантов реализации предлагаемого изобретения лопатки спрямляющего аппарата жестко связаны своими наружными в радиальном направлении концами с наружной обечайкой спрямляющего аппарата и отделены небольшим радиальным зазором от внутренней обечайки этого спрямляющего аппарата.

В качестве варианта реализации, лопатки спрямляющего аппарата жестко связаны своими внутренними в радиальном направлении концами с внутренней обечайкой спрямляющего аппарата и отделены небольшим радиальным зазором от наружной обечайки этого спрямляющего аппарата.

Зазор между лопатками и обечайкой спрямляющего аппарата имеет величину, заключенную в процессе функционирования в диапазоне от 0,1 мм до 0,5 мм.

Лопатки жестко закреплены на обечайке спрямляющего аппарата путем вставки и фиксации, например, при помощи пайки одного из концов этих лопаток в соответствующую щель, предусмотренную на этой обечайке. Таким образом, лопатки могут быть оптимизированы и реализованы независимо от обечайки, на которой они устанавливаются.

В качестве варианта реализации, лопатки формируются в виде одной детали с обечайкой спрямляющего аппарата. В том случае, когда обечайка представляет собой наружную обечайку спрямляющего аппарата, лопатки формируются в то же самое время, что и диффузор.

Внутренняя обечайка спрямляющего аппарата предпочтительно содержит кольцевой осевой выступ, взаимодействующий с представляющей собой тело вращения внутренней стенкой диффузора, чтобы облегчить позиционирование и закрепление этой обечайки на диффузоре.

Предлагаемое изобретение относится также к диффузору для газотурбинного двигателя, содержащему две коаксиальные и представляющие собой тела вращения стенки, связанные друг с другом при помощи радиальных перегородок, диффузор характеризуется тем, что одна из представляющих собой тела вращения стенок диффузора продолжается в своей передней по потоку части в осевом направлении за пределы другой из этих представляющих собой тела вращения стенок диффузора для того, чтобы сформировать обечайку спрямляющего аппарата, предназначенную для ее размещения в осевом направлении по потоку перед диффузором.

В соответствии с одним из вариантов реализации продолжение стенки спрямляющего аппарата в направлении против потока содержит множество сквозных радиальных щелей, равномерно распределенных вокруг оси диффузора. Количество этих щелей, например, составляет более 100.

В качестве варианта реализации, продолжение в направлении против потока стенки спрямляющего аппарата сформировано в виде одной детали с радиальными лопатками, равномерно распределенными вокруг оси диффузора. Количество этих лопаток, например, составляет более 100.

Предлагаемое изобретение относится также к обечайке для спрямляющего аппарата газотурбинного двигателя, характеризующейся тем, что она сформирована в виде единой детали с лопатками, проходящими в радиальном направлении от цилиндрической поверхности обечайки и равномерно распределенными вокруг оси обечайки.

Кроме того, предлагаемое изобретение относится к обечайке для спрямляющего аппарата газотурбинного двигателя, характеризующейся тем, что она содержит множество сквозных радиальных щелей, равномерно распределенных вокруг оси этой обечайки.

Кроме того, предлагаемое изобретение относится к лопатке для спрямляющего аппарата газотурбинного двигателя, содержащей переднюю кромку и заднюю кромку обтекания потоком газа, характеризующейся тем, что она содержит на одном из своих продольных концов средство вставления в соответствующую щель обечайки спрямляющего аппарата в направлении, по существу параллельном продольной оси лопатки.

И наконец, предлагаемое изобретение относится к газотурбинному двигателю, например авиационному турбореактивному или турбовинтовому двигателю, характеризующемуся тем, что он содержит устройство описанного выше типа.

Другие подробности, характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания не являющихся ограничительными примеров его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении к этому описанию чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему осевого разреза направляющего устройства для потока воздуха, согласно изобретению;

фиг.2 - схему части направляющего устройства, согласно изобретению;

фиг.3 - общий вид варианта реализации устройства, если смотреть на него спереди по потоку и при отсутствии внутренней обечайки спрямляющего аппарата, согласно изобретению;

фиг.4 - общий вид устройства, показанного на фиг.3, согласно изобретению;

фиг.5 - схему части направляющего устройства на фиг.2, другой вариант реализации предлагаемого изобретения;

фиг.5а - схему детали устройства, согласно изобретению;

фиг.6 - общий вид устройства на фиг.5 на виде спереди по потоку и при отсутствии внутренней обечайки и лопаток спрямляющего аппарата, согласно изобретению;

фиг.7 - общий вид части спрямляющего аппарата на фиг.6, согласно изобретению;

фиг.8 - общий вид варианта реализации спрямляющего аппарата, согласно изобретению.

Устройство 10 (фиг.1) в соответствии с предлагаемым изобретением установлено в осевом направлении между компрессором (не показан), располагающимся по потоку перед этим устройством, и камерой 12 сгорания газотурбинного двигателя, чтобы обеспечить спрямление и соответствующую ориентацию потока воздуха, выходящего из компрессора, и питание воздухом камеры 12 сгорания, которая в свою очередь питает газами турбину (не показана), располагающуюся по потоку позади камеры сгорания.

Устройство 10 содержит, если смотреть спереди назад по потоку, спрямляющий аппарат 14 и диффузор 16, которые связаны друг с другом и удерживаются наружной конической оболочкой 18, которая проходит в направлении наружу против течения потока и которая закреплена при помощи наружного кольцевого фланца 20 на наружном кожухе 22 камеры сгорания и при помощи внутренней конической оболочки 24, которая проходит в направлении внутрь по течению потока и которая закреплена при помощи внутреннего кольцевого фланца 26 на внутреннем кожухе 28 камеры 12 сгорания.

На наружном кожухе 22 камеры сгорания установлены инжекторы 30 топлива, равномерно распределенные по окружности вокруг продольной оси камеры сгорания и открывающиеся на их внутреннем в радиальном направлении конце во внутреннюю полость этой камеры сгорания. Топливо, впрыскиваемое в камеру сгорания, предназначено для смешивания с воздухом, выходящим из устройства 10, и для воспламенения и сгорания, а затем выбрасывания газообразных продуктов сгорания в турбину для приведения во вращательное движение вала газотурбинного двигателя.

Диффузор 16 содержит представляющую собой тело вращения внутреннюю стенку 32, связанную с внутренней конической оболочкой 24, и представляющую собой тело вращения наружную стенку 34, связанную с наружной конической оболочкой 18, причем стенки 32 и 34 связаны между собой при помощи радиальных перегородок 36, количество которых составляет, например, 18 штук.

Спрямляющий аппарат 14 содержит внутреннюю обечайку 38, которая в осевом направлении расположена одной линии с представляющей собой тело вращения внутренней стенкой 32 диффузора, наружную обечайку 40, которая в осевом направлении расположена на одной линии с представляющей собой тело вращения наружной стенкой 34 диффузора, и лопатки 42, которые проходят в радиальном направлении между внутренней обечайкой 32 и наружной обечайкой 40 спрямляющего аппарата. Лопатки 42 выполнены, например, в количестве 126 штук, являются независимыми друг от друга и смещены в осевом направлении против течения потока по отношению к радиальным перегородкам 36 диффузора.

В варианте реализации, представленном на фиг.1 и 2, наружная обечайка 40 и лопатки 42 спрямляющего аппарата 14 сформированы в виде одной детали с наружной стенкой 34 диффузора 16. Внутренняя обечайка 38 спрямляющего аппарата закреплена своим задним по потоку концом, например, при помощи сварного шва 44 на переднем по потоку конце внутренней стенки 32 диффузора, и эта обечайка отделена от внутреннего в радиальном направлении конца каждой лопатки 42 небольшим радиальным зазором 46. Лопатки 42 и наружная обечайка 40 спрямляющего аппарата изготовлены в виде одной литой детали с диффузором 16. Внутренний диаметр обечайки 38 на ее заднем по потоку конце равен внутреннему диаметру стенки 32 диффузора на ее переднем по потоку конце.

Радиальный зазор 46 между внутренними в радиальном направлении концами лопаток и внутренней обечайкой спрямляющего аппарата может изменяться в диапазоне от 0,1 мм до 0,5 мм в процессе функционирования двигателя вследствие теплового расширения и центробежных усилий, воздействию которых подвергаются лопатки 42 и обечайки 38, 40 спрямляющего аппарата.

В соответствии с вариантом реализации лопатки 42 (фиг. 3 и 4) закреплены своими наружными в радиальном направлении концами 48 на наружной обечайке 40 спрямляющего аппарата, которая всегда формируется в виде одной детали с диффузором 16. Внутренние в радиальном направлении концы 50 лопаток отстоят на небольшой радиальный зазор 46 от внутренней обечайки (не показана) спрямляющего аппарата, которая закреплена при помощи сварки на переднем по потоку конце 51 внутренней стенки 32 диффузора.

Лопатки 42 обычно содержат нижнюю поверхность 52, или внутреннюю вогнутую поверхность, и верхнюю поверхность 54, или наружную выпуклую поверхность, которые соединены между собой на передних по потоку концах на передней кромке 56 лопатки и на задних по потоку концах на задней кромке 58 лопатки. Лопатки реализованы, например, при помощи технологии ЕСМ (Еlесtrо Сhеmiсаl Масhining).

Наружная в радиальном направлении концевая часть каждой лопатки образует средства 48 вставления в соответствующую щель 60, предусмотренную в наружной обечайке 34 спрямляющего аппарата. Щели 60 являются по существу радиальными и сквозными и они равномерно распределены вокруг оси обечайки. Средства 48 вставления лопатки вводятся в щель 60 в по существу радиальном направлении и удерживаются в этой щели, например, при помощи припаивания наружного в радиальном направлении конца лопатки к наружной цилиндрической поверхности обечайки 40. Щели 60 могут быть отформованы при литье или могут быть получены в результате лазерного вырезания в обечайке.

В соответствии со специфическим примером реализации лопатки 42 закрепляются заклиниванием в заданном положении в щелях 60 обечайки посредством шариков припоя (диаметр которых составляет, например, 1 мм), которые точечно расплавляются вручную или при помощи электрического разряда между наружными в радиальном направлении концами лопаток и наружной цилиндрической поверхностью обечайки.

В соответствии с другим вариантом реализации лопатки 42 (фиг.5-8) спрямляющего аппарата жестко связаны своими внутренними в радиальном направлении концами с внутренней обечайкой 38 спрямляющего аппарата, которая присоединена и закреплена своим задним по потоку концом на переднем по потоку конце внутренней стенки 32 диффузора. Наружная обечайка 40 спрямляющего аппарата сформирована в виде одной детали с диффузором 16 и отделена небольшим радиальным зазором от наружных в радиальном направлении концов каждой из лопаток.

Как показано на фиг.7, лопатки 42 и внутренняя обечайка 38 спрямляющего аппарата сформированы в виде одной детали при помощи подходящей в данном случае технологии, такой как литье, технология ЕDМ (Еlесtrо Disсhаrgе Масhining), высокоскоростное фрезерование и т.д.

В качестве варианта реализации внутренние в радиальном направлении концы 62 (фиг.8) лопаток 42 вставлены и закреплены в соответствующих радиальных щелях 64 внутренней обечайки. Эти лопатки подобны лопаткам, описанным выше со ссылками на фиг. 3 и 4, а щели 64 в обечайке являются сквозными и равномерно распределенными вокруг оси обечайки. Внутренние в радиальном направлении концы лопаток могут быть закреплены при помощи пайки на внутренней цилиндрической поверхности обечайки 38.

Внутренняя обечайка 38 спрямляющего аппарата предпочтительно содержит осевой кольцевой выступ 66 центрирования (фиг.5а), предназначенный для вставления во внутреннюю в радиальном направлении часть внутренней стенки диффузора, чтобы облегчить монтаж обечайки. Обечайка 38 в этом случае закреплена на стенке 32 диффузора при помощи приваривания заднего по потоку конца кругового выступа 66 к внутренней цилиндрической поверхности стенки 32, чтобы исключить выступание точек сварки или сварного шва в направлении внутрь и не допустить возмущения течения потока воздуха в данном устройстве. Внутренняя обечайка 38 каждого из описанных выше устройств также может иметь осевой круговой выступ 62.

В примерах реализации на фиг. 4, 5 и 6 диффузор 16 содержит сепаратор 70, который закреплен на радиальных перегородках 36 диффузора между его внутренней стенкой 32 и наружной стенкой 34, причем сепаратор выполняет функцию разделения потока газа, выходящего из спрямляющего аппарата, на две кольцевые коаксиальные струи.

Спрямляющий аппарат 14 и диффузор 16 изготовлены, например, из сплава на основе никеля и хрома.

Направляющее устройство для потока воздуха на входе в камеру сгорания газотурбинного двигателя содержит спрямляющий аппарат и расположенный за ним диффузор. Спрямляющий аппарат содержит две коаксиальные обечайки, между которыми размещены лопатки, проходящие по существу в радиальном направлении. Диффузор содержит две коаксиальные стенки, представляющие собой тела вращения и связанные друг с другом при помощи радиальных перегородок. Одна из обечаек спрямляющего аппарата сформирована в виде единой детали с одной представляющей собой тело вращения стенкой диффузора. Другая обечайка спрямляющего аппарата присоединена и закреплена на другой представляющей собой тело вращения стенке диффузора. Лопатки спрямляющего аппарата жестко связаны одним концом с одной обечайкой спрямляющего аппарата и отстоят с небольшим зазором от другой обечайки на другом конце. Изобретение направлено на упрощение технологии изготовления направляющего устройства. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Направляющее устройство для потока воздуха на входе в камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащее спрямляющий аппарат и расположенный за ним диффузор, причем спрямляющий аппарат содержит две коаксиальные обечайки, между которыми размещены лопатки, проходящие, по существу, в радиальном направлении, а диффузор содержит две коаксиальные стенки, представляющие собой тела вращения и связанные друг с другом при помощи радиальных перегородок, отличающееся тем, что одна из обечаек спрямляющего аппарата сформирована в виде единой детали с одной представляющей собой тело вращения стенкой диффузора, а другая обечайка спрямляющего аппарата присоединена и закреплена на другой представляющей собой тело вращения стенке диффузора, при этом лопатки спрямляющего аппарата жестко связаны одним концом с одной обечайкой спрямляющего аппарата и отстоят с небольшим зазором от другой обечайки на другом конце.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что наружная обечайка спрямляющего аппарата и представляющая собой тело вращения наружная стенка диффузора сформированы в виде одной детали и конец внутренней обечайки спрямляющего аппарата закреплен при помощи сварки на переднем по потоку конце представляющей собой тело вращения внутренней стенке диффузора.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что наружная обечайка спрямляющего аппарата выполнена путем литья в виде единой детали вместе с диффузором.

4. Устройство по любому из пп.2 или 3, отличающееся тем, что задний по потоку конец внутренней обечайки спрямляющего аппарата закреплен при помощи сварки на переднем по потоку конце представляющей собой тело вращения внутренней стенки диффузора.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что лопатки спрямляющего аппарата жестко связаны своими наружными в радиальном направлении концами с наружной обечайкой спрямляющего аппарата и отделены небольшим радиальным зазором от внутренней обечайки спрямляющего аппарата.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что лопатки спрямляющего аппарата жестко связаны своими внутренними в радиальном направлении концами с внутренней обечайкой спрямляющего аппарата и отделены небольшим радиальным зазором от наружной обечайки спрямляющего аппарата.

7. Устройство по любому из пп.5 или 6, отличающееся тем, что лопатки жестко закреплены на обечайке спрямляющего аппарата путем вставления и фиксации посредством пайки одного из концов лопаток в соответствующую щель, предусмотренную на обечайке.

8. Устройство по любому из пп.5 или 6, отличающееся тем, что лопатки сформированы за одно целое с обечайкой спрямляющего аппарата.

9. Устройство по п.2, отличающееся тем, что внутренняя обечайка спрямляющего аппарата содержит кольцевой осевой выступ, вставленный в радиальном направлении во внутреннюю часть представляющей собой тело вращения внутренней стенки диффузора.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зазор между лопатками и обечайкой спрямляющего аппарата в процессе функционирования имеет величину, находящуюся в диапазоне от около 0,1 мм до 0,5 мм.

11. Газотурбинный двигатель, например авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, отличающийся тем, что двигатель содержит устройство в соответствии с одним из пп.1-10.

12. Диффузор для газотурбинного двигателя, содержащий две коаксиальные и представляющие собой тела вращения стенки, связанные друг с другом при помощи радиальных перегородок, отличающийся тем, что одна из представляющих собой тела вращения стенок диффузора продолжается в своей передней по потоку части в осевом направлении за пределы другой из этих представляющих собой тела вращения стенок диффузора для формирования обечайки спрямляющего аппарата, предназначенной для ее размещения в осевом направлении по потоку перед диффузором.

13. Диффузор по п.12, отличающийся тем, что продолжение в направлении против потока стенки спрямляющего аппарата содержит множество сквозных радиальных щелей, равномерно распределенных вокруг оси диффузора.

14. Диффузор по п.12, отличающийся тем, что продолжение в направлении против потока стенки спрямляющего аппарата сформировано за одно целое с радиальными лопатками, равномерно распределенными вокруг оси диффузора.

15. Диффузор по любому из пп.13 или 14, отличающийся тем, что продолжение в направлении против потока стенки спрямляющего аппарата содержит более 100 щелей или радиальных лопаток.