КАМЕРА СГОРАНИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЕ ОТРАЖАТЕЛИ ДНА КАМЕРЫ, И ОБОРУДОВАННЫЙ ТАКОЙ КАМЕРОЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК F23R3/50 

Изобретение относится к технической области камер сгорания для газотурбинного двигателя. В частности, оно относится ко дну камеры. Также оно относится к газотурбинному двигателю, такому как турбореактивный двигатель, оборудованный такой камерой сгорания.

В дальнейшем тексте описания термины «осевой», «радиальный», «поперечный» соответствуют осевому направлению, радиальному направлению и поперечной плоскости двигателя соответственно, а термины «вход» и «выход» соответствуют направлению потока газов в двигателе.

Известная расходящаяся камера сгорания показана на фиг. 1, на которой представлен вид в осевом разрезе половины камеры сгорания, поскольку вторая половина этой камеры является симметричной по отношению к оси двигателя (не показана). Камера 110 сгорания расположена на выходе диффузионной камеры 130, которая представляет собой кольцевое пространство, ограниченное наружным картером 132 и внутренним картером 134, в которое подают топливо и сжатый окружающий воздух, поступающий от расположенного на входе компрессора (не показан) через кольцевой диффузионный канал 136.

Эта расходящаяся камера 110 сгорания содержит две концентричные стенки: наружную стенку 112 и внутреннюю стенку 114, которые являются коаксиальными и по существу конусными. Стенки расширяются от входа к выходу. Наружная 112 и внутренняя 114 стенки камеры 110 сгорания соединены между собой со стороны входа камеры сгорания дном 116 камеры.

Дно 116 камеры является усеченной конусной кольцевой деталью, которая расположена между двумя по существу поперечными плоскостями, расширяясь от выхода к входу. Дно 116 камеры сопрягается с каждой из двух стенок камеры: наружной стенкой 112 и внутренней стенкой 114 камеры 110 сгорания. Дно 116 камеры имеет незначительную конусность. Оно оборудовано системами 118 впрыска, через которые проходят форсунки 120, подающие топливо на входной конец камеры 110 сгорания, в которой происходят реакции горения.

В результате этих реакций горения происходит излучение тепла от выхода к входу в направлении дна 116 камеры. Таким образом, во время работы дно 116 камеры подвергается воздействию высоких температур. Для его защиты между жаровой частью и стенками дна камеры выполнены разбитые на сектора теплозащитные экраны, называемые отражателями 122. Эти отражатели 122, один из которых показан на фиг. 2, выполнены в виде по существу плоских пластин, закрепленных пайкой на дне 116 камеры, с центральным отверстием 122а для прохождения форсунки. Они содержат две боковые стенки 122b, 122c вдоль радиальных краев, обращенные к стенке дна камеры, и два язычка направления воздуха вдоль поперечных краев, обращенные в сторону жаровой части и образующие пространство соответственно с внутренней 114 и наружной 112 стенками камеры. Отражатели охлаждаются обдувающими их струями охлаждающего воздуха, поступающего в камеру 110 сгорания через каналы 124 охлаждения, выполненные в дне 116 камеры. Воздух, образующий струи и проходящий от входа к выходу, направляется обтекателями 126 камеры, проходит дно 116 камеры через каналы охлаждения и обдувает входную сторону отражателей 122. После этого воздух направляется в радиальном направлении внутрь и наружу жаровой части, способствуя созданию воздушной пленки, охлаждающей стенки 114 и 112 соответственно.

Это направление вдоль отражателей обеспечивается боковыми стенками, ориентированными радиально. Эти стенки выполняют также функцию герметизации. Будучи в контакте или образуя минимальный зазор с дном камеры, они препятствуют проникновению воздуха между двумя смежными отражателями в жаровую часть, где он может помешать горению. Эти помехи увеличивают выброс загрязняющих веществ и, следовательно, их необходимо избегать. Действительно, характеристики, связанные с выбросом СО и СНх, могут существенно ухудшиться вследствие нежелательного поступления холодного воздуха, особенно в режиме замедления хода двигателя, при котором зазор является самым большим.

Современное развитие средств подачи воздуха и топлива в камеру привело к созданию систем впрыска, интегрирование которых в дно камеры становится все более сложным. Например, системы впрыска многоточечного типа имеют больший диаметр, так как через них проходит основная часть воздуха, предназначенного для камеры; поэтому они занимают больше места по контуру дна камеры, оставляя меньший промежуток между двумя смежными системами.

Аналогичное решение используют, когда требуется увеличить число систем впрыска для одной камеры, чтобы сократить мертвые зоны между двумя смежными форсунками, или когда размеры дна камеры являются меньшими при таком же количестве систем впрыска.

В этих случаях отверстия центровки отражателей расположены близко друг к другу. Следовательно, остается мало места для выполнения боковых стенок на отражателях.

На фиг. 3 и 4 показаны два решения, которые могут быть использованы при применении современных технологий для такой ситуации. Так, на фиг. 3 отражатель 222 содержит стенку 222b, 222c по обе стороны боковых краев, которая занимает всю зону В, С между краем отражателя и буртиком 222a', образующим край отверстия 222а. Это решение могло бы позволить сохранить герметичность, но в силу наличия такого утолщения отражатель не может охлаждаться в этой зоне.

Решение, показанное на фиг. 4, состоит в прерывании стенки 322b, 322с в критической зоне между боковыми краями отражателя 322 и буртиком 322а' на краю отверстия 322а. Образовавшееся пространство позволяет охлаждать отражатель обдувающими его воздушными струями, но в ущерб герметичности.

Задачей настоящего изобретения является решение этой проблемы.

Согласно изобретению камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая наружную стенку, внутреннюю стенку, стенку, соединяющую обе эти стенки и образующую дно камеры, при этом стенка дна камеры оборудована отверстиями для систем впрыска топлива, при этом на стенке закреплены теплозащитные отражатели, при этом отражатели содержат плоский участок стенки с отверстием, центрованным по упомянутым отверстиям систем впрыска топлива, два продольных края и два поперечных края, отличается тем, что, по меньшей мере, вдоль одного из продольных краев отражатель содержит язычок, образующий стыковое перекрытие, оставляющее паз вдоль упомянутого края для края смежного отражателя таким образом, чтобы обеспечить герметичность стыка между двумя краями, при этом упомянутый язычок отстоит от стенки дна камеры, оставляя пространство, питаемое охлаждающим воздухом через каналы в стенке дна камеры.

Благодаря решению в соответствии с настоящим изобретением критическая зона, находящаяся между двумя смежными отверстиями, одновременно уплотняется стыковым перекрытием и охлаждается, так как стыковое перекрытие позволяет оставить пространство, питаемое охлаждающим воздухом.

В частности, камера имеет следующие отличительные признаки:

паз образован выемкой в стенке;

отражатели содержат заплечик, которым они опираются на край отверстий систем впрыска;

заплечик образует зазор между стенкой дна камеры и стыковым перекрытием в зоне, заключенной между двумя смежными отверстиями систем впрыска топлива;

поперечные края отражателей содержат изогнутый участок стенки, при этом пазы выполнены также вдоль продольных краев упомянутого изогнутого участка.

Отражатели содержат стыковое перекрытие вдоль продольного края и край без стыкового перекрытия вдоль другого продольного края, при этом оба края являются взаимодополняющими, чтобы стыковаться с краем другого такого же отражателя, расположенного рядом.

Часть отражателей содержат стыковое перекрытие вдоль двух продольных краев.

Часть отражателей содержат два продольных края, взаимодополняющих с упомянутыми стыковыми перекрытиями предыдущих отражателей.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - вид в осевом разрезе половины известной камеры сгорания расходящегося типа;

Фиг. 2 - вид отражателя из известного уровня техники, используемого для тепловой защиты стенки дна камеры сгорания;

Фиг. 3 - конфигурация отражателя согласно известному техническому решению;

Фиг. 4 - другая конфигурация отражателя согласно известному уровню техники;

Фиг. 5 - вид в перспективе двух теплозащитных отражателей дна камеры в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг. 6 - детальный вид стыкового перекрытия на отражателях, показанных на фиг. 5;

Фиг. 7 - детальный вид зоны в камере сгорания между двумя отверстиями;

Фиг. 8 - вариант выполнения уплотнения между двумя смежными отражателями.

На фиг. 5-7 показан первый вариант выполнения уплотнения между двумя отражателями 10 и 10' из огнеупорного материала, установленными рядом друг с другом на дне камеры. Отражатель 10 содержит плоскую часть 10а с центральным отверстием 10b, соответствующим гнезду не показанной форсунки. Как показано на фиг.5, по краю отверстия выполнен буртик 10b1 для крепления в дне камеры. Отражатель содержит два продольных края, радиально ориентированных относительно оси двигателя: продольный край 10с и край 10d. Они являются прямолинейными. Отражатель 10 содержит также два поперечных края 10е и 10f, выполненные закругленными, чтобы соответствовать кривизне камеры сгорания, и изогнутыми в направлении внутреннего пространства камеры сгорания для направления воздуха. Край 10с, показанный на фиг. 5 слева, является прямолинейным и следует радиальному профилю отражателя. Край 10d с другой стороны содержит уступ задний по отношению к стороне, показанной на фиг. 5, образованный язычком 10d1, который продолжает заднюю сторону стенки отражателя. Этот уступ образует продольный паз 10d10 для края 10с' смежного отражателя 10'. Этот отражатель 10' идентичен отражателю 10. Он содержит плоскую часть 10'a, два продольных края 10'c и 10'd и два закругленных и изогнутых поперечных края 10'е и 10'f. Край 10'd содержит продольный язычок 10'd1, образующий паз 10'd10.

В примере, показанном на фиг. 5-7, все отражатели являются идентичными и установлены по контуру дна 16 камеры, не показанного на фиг. 5 и 6, и закреплены буртиками 10b1 и 10'b1 отверстий 10b, 10'b для систем впрыска. На каждый отражатель приходится одна система впрыска. Стыковое перекрытие, образованное язычком 10d1 каждого из отражателей, перекрывает край 10'c смежного отражателя 10' по ширине, достаточной чтобы компенсировать колебания расширения камеры сгорания. Каждый паз 10d10, 10'd10 выполнен с возможностью удержания края 10с, 10'c смежного отражателя таким образом, чтобы свести к минимуму или даже полностью устранить утечки между двумя смежными отражателями, при любом режиме работы двигателя.

На фиг. 7 в разрезе показано выполнение соединения между отражателями 10 и 10', с одной стороны, и дном 16 камеры. С другой стороны, необходимо отметить, что расстояние между двумя смежными отверстиями дна камеры является очень незначительным. Отражатели опираются на края отверстий заплечиком 10b1е и 10'b1е соответственно. Стенка отражателя 10 продолжена вдоль края 10d язычком 10d1, который перекрывает край 10'c смежного отражателя 10'. За счет заплечика 10b1е, 10'b1е образуется пространство между стенкой дна 16 камеры и задними сторонами отражателей. Воздух в виде струи проходит через каналы 16а, выполненные в стенке дна камеры между двумя отверстиями. Следует отметить, что отражатели неподвижно закреплены относительно дна камеры зажимами 16b, образующими вместе с заплечиками захват для стенки дна камеры.

Таким образом, решение в соответствии с настоящим изобретением одновременно позволяет обеспечить герметичность между отражателями и охлаждение воздушной струей в узкой критической зоне, находящейся между отверстиями систем впрыска.

В варианте выполнения, показанном на фиг. 5-7, отражатели являются идентичными, однако решение предусматривает также случай, в котором первый отражатель 10 содержит стыковое перекрытие 10с1 и 10d1 вдоль двух продольных краев, взаимодействующих с простыми краями 10'c и 10'd второго отражателя 10' без стыкового перекрытия. Эффективность остается такой же. Это выполнение показано на фиг. 8. Однако монтаж при этом отличается. Он является более простым, хотя и требует выполнения двух разных деталей.

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит наружную и внутреннюю стенки и стенку, соединяющую обе эти стенки и образующую дно камеры. Стенка дна камеры оборудована отверстиями для систем впрыска топлива. На стенке закреплены теплозащитные отражатели. Отражатели содержат плоский участок стенки с отверстием, центрованным по упомянутым отверстиям систем впрыска топлива, два продольных края и два поперечных края. По меньшей мере, вдоль одного из продольных краев отражатель содержит язычок, продолжающий заднюю сторону стенки отражателя и образующий стыковое перекрытие, оставляющее паз вдоль упомянутого края для края смежного отражателя таким образом, чтобы обеспечить герметичность стыка между двумя смежными краями двух отражателей. Упомянутый язычок расположен на расстоянии от стенки дна камеры, образуя пространство, куда через каналы в стенке дна камеры поступает охлажденный воздух. Изобретение одновременно позволяет обеспечить герметичность между отражателями и охлаждение воздушной струёй в узкой критической зоне, находящейся между отверстиями систем впрыска. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая наружную стенку, внутреннюю стенку, стенку, соединяющую обе эти стенки и образующую дно камеры, при этом стенка дна камеры оборудована отверстиями для систем впрыска топлива, при этом на стенке закреплены теплозащитные отражатели (10, 10'), при этом отражатели содержат плоский участок (10а; 10'а) стенки с отверстием, центрованным по упомянутым отверстиям систем впрыска топлива, два продольных края (10с, 10d; 10'с, 10'd) и два поперечных края (10е, 10f; 10'е, 10'f), отличающаяся тем, что, по меньшей мере, вдоль одного из продольных краев (10d) отражатель содержит язычок, продолжающий заднюю сторону стенки отражателя и образующий стыковое перекрытие (10d1), оставляющее паз (10d10) вдоль упомянутого края для края (10'с) смежного отражателя (10') таким образом, чтобы обеспечить герметичность стыка между двумя смежными краями двух отражателей, при этом упомянутый язычок расположен на расстоянии от стенки (16) дна камеры, образуя пространство, куда через каналы (16а) в стенке (16) дна камеры поступает охлажденный воздух.

2. Камера сгорания по п.1, в которой паз (10d10) образован выемкой в стенке (10а).

3. Камера сгорания по п.2, в которой отражатели содержат заплечики (10b1e, 10'b1e), которыми они опираются на край отверстий систем впрыска стенки (16) дна камеры.

4. Камера сгорания по п.3, в которой заплечик (10b1e; 10'b1e) образует зазор между стенкой (16) дна камеры и стыковым перекрытием (10d1) в зоне, заключенной между двумя смежными отверстиями систем впрыска топлива в камеру сгорания.

5. Камера сгорания по п.1, в которой поперечные края (10е, 10f; 10'е, 10'f) отражателей (10, 10') содержат изогнутый участок стенки, при этом пазы (10d10) выполнены также вдоль продольных краев упомянутого изогнутого участка.

6. Камера сгорания по п.1, в которой отражатели содержат стыковое перекрытие (10d1) вдоль продольного края и край (10с) без стыкового перекрытия вдоль другого продольного края, при этом оба края являются взаимодополняющими, чтобы стыковаться с краем другого такого же отражателя, расположенного рядом.

7. Камера сгорания по п.1, в которой часть отражателей содержат стыковое перекрытие вдоль двух продольных краев.

8. Камера сгорания по п.7, в которой часть отражателей содержат два продольных края, взаимодополняющие с упомянутыми стыковыми перекрытиями.

9. Газотурбинный двигатель, содержащий камеру (10) сгорания по любому из пп.1-8.