КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F23R3/50 F23R3/60 

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и направлено на кольцевые камеры сгорания этих двигателей, в частности на дно камеры сгорания.

На фиг.1 изображена классическая кольцевая камера сгорания, вариант выполнения которой раскрыт в патенте ЕР 1818615. Она представлена в виде осевого половинчатого разреза камеры сгорания, выполненного относительно оси двигателя, при этом другая симметричная относительно данной оси половина удалена. Камера сгорания 110 расположена в диффузионной камере 130, которая представляет собой кольцевое пространство между внешним корпусом 132 и внутренним корпусом 134, в которое из переднего компрессора (не показан) по круглому диффузионному каналу 136 подается сжатый воздух. Такая классическая камера сгорания 110 содержит внешнюю стенку 112 и внутреннюю стенку 114, которые расположены соосно, имеют фактически коническую форму и обеспечивают соединение газовоздушного тракта компрессора с газовоздушным трактом турбины. Внешняя 112 и внутренняя 114 стенки соединены между собой в передней части посредством стенки, образующей дно 116 камеры.

Дно камеры - это кольцевой имеющий форму усеченного конуса элемент, который располагается между двумя фактически перпендикулярными плоскостями и расширяется от выхода к входу. Дно камеры крепится к каждой из двух стенок 112 и 114 посредством кольцевых скоб 116е и 116i.

В дне камеры просверлены отверстия 118, через которые проходят системы 120 впрыска топлива, предварительно смешанного с поступающим в зону горения воздухом. Эти отверстия распределены под углом вокруг оси двигателя. На выходе систем впрыска формируются топочные пространства. Поверхность отверстий перпендикулярна оси топочных пространств. В представленном примере показаны топочные пространства, размещенные по оси 200, отклонены на угол α относительно оси двигателя.

Для защиты дна камеры сгорания от теплового излучения предусмотрены экраны тепловой защиты, которые называются дефлекторами 122. Эти дефлекторы представляют собой фактически плоские пластины, выполненные из жаропрочного материала и имеющие отверстия, которые соответствуют отверстиям систем впрыска. Дефлекторы имеют соосное с отверстиям систем впрыска расположение и крепятся к дну камеры сгорания путем припаивания. Их охлаждение осуществляется потоками охлаждающего воздуха, который поступает в камеру через просверленные в стенке дна камеры отверстия 124, предназначенные для осуществления охлаждения. Эти перемещаемые из передней части назад воздушные потоки, которые направляются при помощи головок камеры 126, проходят сквозь дно камеры 116 и производят ударное охлаждение передней стороны дефлекторов 122.

Способ фиксации дефлекторов и систем впрыска топлива на стенке основания камеры сгорания на уровне отверстий описан в патенте ЕР 1731839.

В связи с тем, что стенка дна камеры имеет конусообразную форму, вокруг отверстий систем впрыска изготавливаются плоские опорные поверхности, на которые накладываются заплечики дефлекторов. Поскольку стенка дна камеры представлена металлическим листом, эти опорные поверхности изготавливаются путем локальной отбортовки. Отбортовка прессованием обеспечивает соединение отбортованной поверхности с конусообразной поверхностью металлического листа.

Развитие техники приводит к созданию систем впрыска, обладающих большим диаметром. Кроме того, предпринимаются попытки расположить рассредоточенные вокруг оси камеры топочные пространства как можно ближе друг к другу для обеспечения оптимального сгорания.

В связи с этим возникает проблема изготовления путем отбортовки опорных поверхностей в наиболее узкой зоне, расположенной между двумя соседними отверстиями. Приближение отверстий друг к другу не позволяет изготавливать эти опорные поверхности путем отбортовки.

Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечить крепление дефлекторов на стенке дна камеры, несмотря на незначительное пространство, разделяющее два соседних отверстия.

Таким образом, предлагаемое изобретение относится к кольцевой камере сгорания газотурбинного двигателя, содержащей внешнюю стенку и внутреннюю стенку, которые соединяются посредством стенки, образующей дно камеры, и стенкам, ограничивающим топочные пространства, установленным по оси, которая наклонена относительно оси камеры; при этом в стенке дна камеры, имеющей форму усеченного конуса, просверлены отверстия для систем впрыска топлива; при этом плоскости отверстий перпендикулярны осям топочных пространств; при этом дефлекторы тепловой защиты, отцентрированные относительно каждого отверстия, содержат заплечик, посредством которого они упираются в часть плоской поверхности, расположенной по окружности отверстия.

Согласно изобретению, камера сгорания отличается тем, что стенка основания представлена последовательностью граничащих друг с другом плоских фасок, образующих один общий борт, с одной фаской с отверстием системы впрыска, при этом заплечик дефлекторов упирается в несущую поверхность фасок.

В связи с тем, что поверхность стенки дна камеры, соответствующая дефлектору, плоская, отсутствует необходимость формирования опорных зон путем отбортовки. Таким образом, значительно упрощается процесс изготовления. Отсутствует также необходимость использовать формы стенок, обеспечивающих сопряжение плоских зон с зонами, имеющими коническую форму. И, наконец, представляется возможным изготавливать дефлекторы с плоской поверхностью, что является предпочтительным в промышленном производстве.

Преимущественно, пересечение поверхностей двух соседних фасок образует прямую линию, проходящую через ось камеры сгорания. Таким образом, фаски изготавливаются путем простого сгибания металлического листа.

Данный тип изготовления стенки дна камеры применяется преимущественно в том случае, когда минимальное расстояние между двумя соседними отверстиями меньше значения Е, соответствующего минимальной ширине металлического листа, необходимой для изготовления плоских поверхностей с зоной сопряжения согласно предшествующему уровню техники. Действительно, если это значение больше, то существуют два варианта изготовления дна камеры. Вариант согласно предшествующему уровню техники и вариант согласно изобретению. В случае, если расстояние меньше данного значения, то единственно возможным решением является вариант согласно изобретению. Расчет данного значения Е производится по формуле 9*е+2*р+5 (в мм), где е - соответствует толщине металлического листа, образующего дно камеры, а p - ширине заплечика или опорной поверхности заплечика дефлектора.

Согласно одному способу осуществления, дефлекторы содержат участок плоской поверхности, по краям которого располагаются две радиальные небольшие уплотнительные стенки, с дном камеры.

Предлагаемое изобретение также относится к газотурбинному двигателю, содержащему такую камеру сгорания.

Другие отличительные признаки и преимущества станут понятны после изучения приводимого ниже описания способа осуществления изобретения, которое не носит ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

фиг.1 изображает вид осевого половинчатого разреза классической кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя;

- фиг.2 - частичный вид в перспективе только стенки дна камеры, выполненной согласно предшествующему уровню техники;

- фиг.3 - вид в разрезе, выполненном по линии III-III, конструктивного элемента, представленного на фиг.2;

- фиг.4 - обычный способ крепления дефлектора на стенке дна камеры;

- фиг.5 - вид в разрезе расположения дефлекторов на уровне наиболее узкой зоны между двумя соседними отверстиями;

- фиг.6 - вид в перспективе стенки дна камеры, выполненной согласно предшествующему уровню техники, когда отверстия слишком близко расположены друг к другу;

- фиг.7 - вид в перспективе решения изобретения, согласно которому стенка дна камеры представлена плоскими фасками, осевое положение которых выверено с отверстиями систем впрыска;

- фиг.8 - вид в перспективе дефлектора, представленного стенкой дна камеры согласно изобретению;

- фиг.9 - вид в разрезе решения изобретения в пространстве между двумя соседними системами впрыска.

На фиг.2 изображена часть стенки 116 дна камеры (вид сбоку изнутри камеры, не обладающей кольцеобразными стенками). Два обозначенных отверстия, предназначенные для систем впрыска, являются круглыми и плоскими. Вокруг них располагается плоская опорная поверхность 116а. Эти поверхности 116а представляют собой плоскую опору для заплечиков дефлекторов, при этом они образуются в результате изменения формы, которая достигается путем отбортовки металлического листа, образующего дно камеры. Поверхность 116 имеет коническую форму и располагается соосно с двигателем, при этом деформация имеет минимальное значение вдоль образующей G₁ конуса, которая проходит через диаметр отверстия, и максимальное значение вдоль образующей G₂, проходящей по касательной к отверстиям, т.е. в наиболее узкой зоне между двумя соседними отверстиями.

На фиг.3 в разрезе, выполненном по линии III-III, показана форма стенки в этой зоне. На расстоянии Е, которое соответствует расстоянию между двумя отверстиями, имеются два плоских участка 116а, образующих опорную поверхность с шириной p, две закругленные зоны сопряжения с шириной t и конусообразная стенка дна камеры с шириной с.

На фиг.4 изображена сборка дефлектора в разрезе, выполненном вдоль образующей G₁. Этот дефлектор 122 содержит цилиндрическую скобу 122а, которая может размещаться в отверстии дна камеры. Внешняя поверхность этой скобы содержит заплечик 122b, упирающийся в опорную поверхность 116а. Направляющая гильза 123 удерживает дефлектор против опорной поверхности 116а. Вся конструкция соответствующим образом припаяна.

На фиг.5 изображена сборка дефлектора, которую можно увидеть в зоне, показанной на фиг.3. Заплечик 122b двух дефлекторов 122 упирается в опорную поверхность 116а стенки 116. Небольшие стенки 122с, располагаемые вдоль боковых бортов и имеющие радиальное относительно оси камеры расположение, обеспечивают герметичность и не допускают, чтобы содержащиеся в камере сгорания газы не циркулировали в пространстве между дном камеры и дефлектором. Эти небольшие стенки располагаются перпендикулярно поверхности дефлектора.

Эта зона подвергается соответствующему ударному охлаждению потоками охлаждающего воздуха, проходящими через просверленные отверстия (не показаны).

В случае увеличения диаметра отверстий систем впрыска или также значительного увеличения их количества расстояние Е, разделяющее два соседних отверстия, становится недостаточным для того, чтобы позволить путем отбортовки изготавливать одновременно как опорные поверхности 116а, так и зоны сопряжения.

Установлено, что данное минимальное значение, меньше которого деформация металлического листа механическим путем при помощи промышленных инструментов, предназначенных для работы по металлу, более невозможна, фактически равна в миллиметрах значению, которое выражается формулой 9*е+2*р+5 (в мм), где е - толщина металлического листа, образующего дно камеры, а p - ширина заплечика 122b, соответствующая ширине, которую следует предусмотреть для опорной поверхности 116а. На фиг.6 изображена такая стенка дна камеры 116', в которой отверстия размещаются очень близко друг к другу для того, чтобы имелась возможность произвести отбортовку прессованием между опорными поверхностями 116'.

Например, в случае, если е=1,5 мм, а р=1,5 мм, минимальное значение пространства, разделяющего два отверстия для установки в них инжекторов топлива, составляет 21,5 мм.

Таким образом, такая конфигурация стенки ограничивает возможности изменения конструкции камер в случае применения усовершенствованных систем впрыска.

На фиг.7 представлено решение изобретения. Стенка дна кольцевой камеры 16 располагается между двумя скобами (при этом одна скоба имеет внутреннее радиальное расположение 16i, a другая скоба - внешнее радиальное расположение 16е), посредством которых стенка крепится к внутренней и внешней стенкам кольцевой камеры сгорания (не показана, поскольку не является предметом изобретения).

Стенка содержит отверстия 16s, предназначенные для систем впрыска. Стенка, имеющая, как правило, форму усеченного конуса, состоит из плоских фасок 16f, которые располагаются вокруг каждого из отверстий 16s. Эти фаски ограничены с четырех сторон, при этом две стороны имеют форму дуги окружности 16f₁ и 16f₂. Радиально внутренняя сторона 16f₁ отбортована скобой 16i крепления к внутренней стенке камеры сгорания. Радиально внешняя сторона 16f₂ отбортована скобой 16е крепления к внешней стенке камеры сгорания. Две другие стороны 16f₃ и 16f₄ являются прямоугольными и общими для двух соседних фасок. Они сориентированы в радиальном направлении, проходящем через ось двигателя. Эти стороны изготовляются путем простого сгибания металлического листа. Стенка дна камеры также может быть образована простым согнутым листом.

При этом не только упрощается процесс изготовления стенки в связи с упрощением ее геометрической формы, но и повышается эффективность.

На фиг.8 изображен дефлектор, соответствующий этой новой геометрической форме дна камеры. Дефлектор 22 содержит плоскую стенку 22р, которая располагается параллельно плоской фаске дна камеры. Кольцевая скоба 22а устанавливается вокруг отверстия, которое представляет собой отверстие дна камеры. Эта скоба с внешней стороны содержит заплечик 22b, который будет опираться на плоскую поверхность фаски 16f. Две небольшие боковые стенки 22m обеспечивают герметичность между двумя соседними дефлекторами. В зоне, соответствующей пространству между двумя соседними дефлекторами, дефлектор в случае необходимости может иметь утолщение 22 с.

На фиг.9 в разрезе изображена эта зона на дне камеры между двумя соседними отверстиями. Два дефлектора 22 опираются своими заплечиками 22b на свою соответствующую фаску 16f, окружающую отверстия систем впрыска. Каждый дефлектор удерживается посредством направляющей гильзы (в данном случае не показана), скользящей вокруг кольцевой скобы с другой стороны относительно заплечика 22b и сжимающей вместе с заплечиком 22b стенку дна камеры 16f.

Таким образом, в связи с тем, что стенки дна камеры имеют форму фаски, отсутствует необходимость создания зон сопряжения между плоскими участками поверхности и конусообразными участками поверхностей, при этом представляется также возможным иметь большее количество топливных инжекторов и (или) систем впрыска, обладающих большим диаметром для лучшего сгорания. Кроме того, поскольку дефлекторы плоские, пространство между стенкой дна камеры и дефлекторами является плоским, что обеспечивает прохождение однородного охлаждающего воздуха в этом пространстве.

В данном примере осуществления изобретения представлена камера диффузорного типа, т.е. вершина конуса, образуемая стенкой дна камеры, располагается на выходе камеры, а оси топочных пространств с соответствующими инжекторами удаляются по оси двигателя к выходу.

Изобретение также применимо к камере сгорания конвергентного типа, т.е. в которой вершина конуса, образуемого стенкой дна камеры, располагается на входе камеры, а оси топочных пространств с соответствующими инжекторами сближаются по оси двигателя к выходу.

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит внешнюю стенку и внутреннюю стенку, соединяемые стенкой, образующей основание камеры. Данные стенки ограничивают топочные пространства, ось которых наклонена относительно оси камеры. В стенке основания камеры, имеющей форму усеченного конуса, просверлены отверстия, предназначенные для систем впрыска топлива. Плоскости отверстий перпендикулярны осям данных топочных пространств. Дефлекторы тепловой защиты, отцентрированные относительно каждого отверстия, содержат плоский заплечик, посредством которого они упираются в участок плоской поверхности вдоль окружности отверстий. Стенка основания камеры выполнена из одного листа по периметру камеры сгорания и представлена последовательностью граничащих друг с другом плоских фасок, образующих один общий борт. Каждая фаска имеет отверстие. Заплечик дефлекторов упирается в несущую поверхность фасок. Изобретение направлено на обеспечение крепления дефлекторов на стенке камеры сгорания при незначительном расстоянии между отверстиями для систем впрыска топлива. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит внешнюю стенку и внутреннюю стенку, соединяемые стенкой, образующей основание камеры, при этом данные стенки ограничивают топочные пространства, ось которых наклонена относительно оси камеры; при этом в стенке основания камеры, имеющей форму усеченного конуса, просверлены отверстия, предназначенные для систем впрыска топлива; при этом плоскости отверстий перпендикулярны осям данных топочных пространств; при этом дефлекторы тепловой защиты, отцентрированные относительно каждого отверстия, содержат плоский заплечик, посредством которого они упираются в участок плоской поверхности вдоль окружности отверстий, отличающаяся тем, что стенка основания камеры выполнена из одного листа по периметру камеры сгорания и представлена последовательностью граничащих друг с другом плоских фасок, образующих один общий борт, причем каждая фаска имеет отверстие; при этом заплечик дефлекторов упирается в несущую поверхность фасок.

2. Камера по п.1, в которой пересечение плоскостей двух соседних фасок образует прямую линию, проходящую через ось камеры сгорания.

3. Камера по п.1, в которой минимальное расстояние между двумя соседними отверстиями меньше значения Е=9·е+2·р+5, в мм, где е - соответствует толщине металлического листа, образующего основание камеры, а p - ширине данного заплечика.

4. Камера сгорания по п.3, в которой минимальное расстояние между двумя отверстиями меньше 21,5 мм при толщине стенки е=1,5 мм.

5. Камера сгорания по п.4, в которой ширина заплечика р=1,5 мм.

6. Камера сгорания по п.1, в которой дефлекторы содержат участок плоской поверхности, окруженный двумя радиальными небольшими стенками, обеспечивающими герметичность с основанием камеры.

7. Камера сгорания по любому из пп.1-6 является камерой конвергентного типа.

8. Камера сгорания по любому из пп.1-6 является камерой диффузорного типа.

9. Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания по любому из пп.1-8.