ДИФФУЗОР ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЙ ДИФФУЗОР Российский патент 2013 года по МПК F04D29/44 

Настоящее изобретение относится к диффузору газотурбинного двигателя и к газотурбинному двигателю, такому как реактивный двигатель или турбовинтовой двигатель для воздушного судна, содержащему диффузор, расположенный по потоку выше кольцевой камеры сгорания, при этом диффузор и камера сгорания окружены по существу цилиндрическим наружным корпусом.

Диффузор газотурбинного двигателя может иметь по существу цилиндрическую форму или изогнутую L-образную форму, содержащую переднюю по потоку радиальную часть, соединенную на ее наружной периферии с задней по потоку цилиндрической частью, в соответствии с чем последняя ступень компрессора, расположенная по потоку перед диффузором, является осевой ступенью или центробежной ступенью. В обоих случаях диффузор содержит две по существу параллельные кольцевые перегородки, которые входят внутрь друг друга и которые соединены между собой по существу радиальными лопатками. Воздух, который выходит из диффузора, нагнетается в кольцевую полость, ограниченную наружным корпусом, с целью обеспечения подачи воздуха в камеру сгорания.

Камера сгорания содержит две коаксиальные стенки, соответственно, внутреннюю и наружную, которые соединены между собой на своих передних по потоку концах с помощью по меньшей мере радиальной базовой кольцевой стенки камеры. Эта базовая стенка камеры содержит отверстия для установки систем впрыска смеси воздуха и топлива внутрь камеры. Топливо подается с помощью инжекторов, равномерно распределенных вокруг продольной оси камеры и проходящих по существу радиально во внутреннее пространство от наружного корпуса. Каждый инжектор имеет по существу L-образную форму и содержит передний по потоку радиальный канал, который фиксирован на своем радиально наружном конце на наружном корпусе и который соединен на своем радиально внутреннем конце с головкой или носовой частью, проходящей по существу в осевом направлении вниз по потоку, при этом головка включена в систему для впрыска смеси воздуха и топлива.

Согласно уровню техники, нижние по потоку периферийные края перегородок диффузора расположены на относительно значительном расстоянии в осевом направлении от радиальных каналов инжекторов топлива. Во время операции снятия инжектора с узла двигателя, это расстояние или осевой зазор действительно требуется для перемещения с осевым сдвигом этого инжектора выше по потоку с целью отсоединения его осевой головки от соответствующей системы впрыска. Инжекторы снимаются, в частности, для удаления отложений сажи и кокса с головок инжекторов, которые могут мешать подаче топлива в камеру. Однако, указанный выше осевой зазор, который не оказывает влияния на подачу воздуха в камеру сгорания, приводит к увеличению длины или осевого размера газотурбинного двигателя и тем самым к увеличению массы газотурбинного двигателя, что всегда нежелательно в авиационной промышленности.

Задачей изобретения является, в частности, создание простого, эффективного и экономичного решения этих проблем.

Для этого предлагается диффузор газотурбинного двигателя, содержащий две кольцевые перегородки, проходящие внутри друг друга и соединенные между собой по существу радиальными лопатками, который характеризуется тем, что нижний по потоку периферийный край по меньшей мере одной из перегородок содержит выемки, равномерно распределенные вокруг продольной оси диффузора.

Диффузор предпочтительно соединен с выпрямителем с образованием диффузорно-выпрямительного блока, при этом перегородки этого блока имеет по существу L-образное поперечное сечение.

Диффузор предпочтительно является диффузором осевого типа, при этом его перегородки по существу цилиндрические и параллельны друг другу.

Кроме того, в изобретении предлагается газотурбинный двигатель, такой как реактивный двигатель или турбовинтовой двигатель воздушного судна, который характеризуется тем, что содержит кольцевой диффузор, указанный выше, и кольцевую камеру сгорания, расположенную по потоку ниже диффузора и внутри наружного корпуса газотурбинного двигателя, при этом в камеру сгорания подается топливо инжекторами, расположенными между диффузором и камерой и проходящими по существу радиально во внутреннее пространство от наружной корпуса, причем выемки нижнего по потоку периферийного края каждой перегородки диффузора выровнены в осевом направлении с инжекторами так, что обеспечивается сдвиг вверх по потоку каждого инжектора в выемке перегородки или каждой перегородки для снятия этого инжектора.

Согласно изобретению, выемки перегородок диффузора обеспечивают возможность отодвигания назад инжекторов, которое достаточно для отсоединения их от системы впрыска и снятия. Таким образом, диффузор может быть приближен в осевом направлении к инжекторам топлива так, чтобы уменьшить и даже устранить осевой зазор между нижними по потоку периферийными краями перегородок диффузора и радиальными каналами инжекторов. В этом случае значительно уменьшается длина газотурбинного двигателя.

Диффузор, согласно изобретению, может быть осевым диффузором или частью диффузорно-выпрямительного блока.

Предпочтительно, две перегородки диффузора включают в себя на своих нижних по потоку периферийных краях выемки, которые выровнены в радиальном направлении парами от одной перегородки к другой, и которые выровнены в осевом направлении с инжекторами топлива.

Выемки имеют, например, по существу U-образную или C-образную форму, раскрыв которой направлен вниз по потоку. Указанная или каждая перегородка диффузора может содержать от 16 до 20 выемок, равномерно распределенных вокруг продольной оси диффузора, в соответствии с числом инжекторов камеры сгорания.

Выемки предпочтительно имеют ширину в окружном направлении, которая по существу равна или больше наружного диаметра инжекторов.

Выемки предпочтительно имеют длину в осевом направлении, равную или большую длины, необходимой для отсоединения инжекторов.

Эти выемки могут иметь длину в осевом направлении и ширину в окружном направлении величиной примерно 10 мм. Размеры выемок определяются, в частности, в соответствии с размерами инжекторов, так что выемки могут принимать эти инжекторы, когда они находятся в отведенном назад положении, в котором они отсоединяются от систем впрыска. Поэтому длина выемок определяется расстоянием, необходимым для отсоединения головок инжекторов от систем впрыска, а их ширина определяется наружным диаметром или поперечным сечением радиальных каналов инжекторов.

Упомянутая или каждая перегородка диффузора предпочтительно содержит количество выемок, равное количеству инжекторов, при этом эти выемки равномерно распределены вокруг продольной оси диффузора.

Предпочтительно, выемки выполнены на нижней по потоку концевой части указанной или каждой перегородки диффузора, которая проходит ниже по потоку лопаток, так, чтобы не нарушать поток воздуха на выходе диффузора. Нижняя по потоку концевая часть указанной или каждой перегородки может быть усилена по меньшей мере одним утолщением или элементом жесткости для ограничения вибраций этой концевой части во время работы. Нижний по потоку периферийный край перегородки или каждой перегородки может быть дополнительно краем опущенного типа и соединен по существу с радиальным кольцевым краем с помощью кольцевой соединительной зоны, имеющей округленный профиль поперечного сечения.

Для лучшего понимания изобретения и пояснения других деталей, характеристик и преимуществ данного изобретения ниже приводится подробное описание не имеющего ограничительного характера примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:

Фиг.1 - осевой разрез половины диффузорно-выпрямительного блока и камеры сгорания газотурбинного двигателя, согласно уровню техники;

Фиг.2 - газотурбинный двигатель, согласно изобретению, на виде, согласно фиг.1;

Фиг.3 - газотурбинный двигатель, согласно фиг.2, в перспективе снизу по потоку и сбоку;

Фиг.4 - топливный инжектор и диффузорно-выпрямительный блок, показанные на фиг.3, на виде сверху;

Фиг.5 - частичный осевой разрез диффузорно-выпрямительного блока газотурбинного двигателя, согласно одному альтернативному варианту осуществления изобретения;

Фиг.6 - частичный осевой разрез диффузорно-выпрямительного блока газотурбинного двигателя, согласно другому альтернативному варианту осуществления изобретения;

Фиг.7 - осевой разрез половины осевого диффузора, согласно изобретению, и камеры сгорания газотурбинного двигателя.

На фиг.1 показана часть газотурбинного двигателя, такого как реактивного двигателя или турбовинтового двигателя воздушного судна, содержащего сверху внизу по потоку в направлении протекания газов внутри газотурбинного двигателя центробежную ступень компрессора (не показан) и L-образный диффузорно-выпрямительный блок 10 и камеру 12 сгорания.

Диффузорно-выпрямительный блок 10 содержит по существу радиальную верхнюю по потоку кольцевую часть 14, образующую диффузор, соединенный на своей наружной периферии по существу с цилиндрической или сужающейся вниз по потоку кольцевой частью 16, образующей выпрямитель. Блок 10 образует L-образный кольцевой канал, вход которого выровнен в радиальном направлении с выходом центробежной ступени компрессора, и выход которого направлен вниз по потоку. Воздух, который выходит из выпрямителя 16, проникает в кольцевую полость, ограниченную по существу цилиндрическим наружным корпусом 38, в котором расположена камера 12 сгорания, с целью обеспечения подачи топлива в эту камеру хорошо известным из уровня техники образом.

Блок 10 содержит две кольцевые перегородки 18, 20 с L-образным поперечным сечением, которые параллельны друг другу и которые соединены между собой по существу радиальными лопатками. Каждая перегородка 18, 20 содержит верхнюю по потоку радиальную часть, соединенную на ее наружной периферии с по существу цилиндрической или сужающейся вниз по потоку частью. Радиальные стенки перегородок 18, 20 соединены между собой лопатками (не показаны), и их цилиндрические стенки соединены лопатками 26.

В показанном примере лопатки 26 проходят лишь по части осевого размера цилиндрических частей перегородок 18, 20, и концевые части этих перегородок, которые проходят вниз по потоку от лопаток 26, параллельны друг другу.

Камера 12 сгорания имеет по существу кольцевую форму и содержит две коаксиальные стенки 28, 30, проходящие внутри друг друга и соединенные на своих верхних по потоку концах базовой кольцевой стенкой 32 камеры.

Наружная стенка 28 камеры соединена на своем нижнем по потоку конце с радиально наружным фланцем 34 для крепления на кольцевом фланце 36 наружного корпуса 38.

Внутренняя стенка 30 камеры соединена на своем нижнем по потоку конце с радиально внутренним фланцем 40 для крепления на кольцевом фланце 42, предусмотренном на нижнем по потоку конце нижней по потоку кольцевой пластины 44 для опоры диффузорно-выпрямительного блока 10. Верхний по потоку конец пластины 44 соединен с радиально внутренним концом перегородки 20 блока 10.

Базовая стенка 32 камеры содержит отверстия для установки систем 46 для впрыска смеси воздуха и топлива внутрь камеры, при этом воздух приходит из блока 10, и топливо подается инжекторами 48, закрепленными на наружном корпусе 38 и равномерно распределенными по окружности вокруг продольной оси камеры.

Каждый инжектор 48 содержит радиальный канал 50, который проходит в радиальном направлении внутрь от своего радиально наружного конца, закрепленного на наружном корпусе 38. Радиально внутренний конец радиального канала 48 соединен с носовой частью или распыляющей топливо головкой 52, которая проходит в осевом направлении вниз по потоку и находится в зацеплении с устройством для центрирования системы 46 впрыска.

Согласно уровню техники, когда распылительная головка 52 инжектора входит на осевое расстояние 54 в устройство для центрирования системы 46 впрыска, то нижние по потоку периферийные края перегородок 18, 20 блока 10 должны быть отделены от радиальных каналов 50 инжекторов осевым зазором 56 по меньшей мере равным этому осевому расстоянию 54. Этот осевой зазор 56 действительно требуется для обеспечения возможности перемещения с осевым сдвигом вверх по потоку инжектора с целью отсоединения его от системы 46 впрыска. Эта операция снятия выполняется регулярно на узле двигателя для очистки головок 52 инжекторов и предотвращения скапливания сажи и кокса на этих головках, которые препятствуют подаче топлива в камеру 12, или же для другого технического обслуживания.

Изобретение обеспечивает возможность уменьшения и даже исключения этого осевого зазора за счет выемок или вырезов, выполненных в нижнем по потоку периферийном крае по меньшей мере одной из перегородок 18, 20 блока 10 напротив инжекторов, при этом эти выемки предназначены для приема инжекторов 48 во время их снятия и их отсоединения от систем 46 впрыска.

В показанном в качестве примера варианте осуществления, показанном на фиг.2-4, на которых элементы, идентичные элементам, показанным на фиг.1, обозначены аналогичными ссылочными позициями, но с добавлением 100 каждая перегородка 118, 120 блока 110 заканчивается в непосредственной близости от инжекторов 148 и содержит количество выемок 160, равное количеству инжекторов 148 топлива газотурбинного двигателя. Каждая перегородка содержит, например, от 16 до 20 выемок, равномерно распределенных вокруг продольной оси газотурбинного двигателя. Выемки 160 внутренней перегородки 120 выровнены в радиальном направлении с выемками 160 наружной перегородки 118 и выровнены в осевом направлении с радиальными каналами 150 инжекторов 148.

Выемки 160 имеют U-образную или С-образную форму, раскрыв которой направлен вниз по потоку. Дно каждой выемки имеет по существу скругленную форму с внутренним диаметром больше наружного диаметра радиального канала 150 инжектора, так что по меньшей мере одна часть канала 150 инжектора может быть размещена в этой выемке. Выемки имеют, например, длину 162 или осевой размер с величиной примерно 10 мм и ширину 164 или размер в окружном направлении с величиной примерно 10 мм.

В показанном примере, выемки 160 имеют форму для приема канала 150 инжекторов полностью во время их отсоединения от систем 146 впрыска и их перемещения с осевым сдвигом вверх по потоку. В качестве альтернативного решения, выемки могут иметь подходящую форму и размеры, предназначенные для размещения лишь части радиальных каналов 150 инжекторов.

Выемки 160 проходят в осевом направлении по большей части осевого размера нижних по потоку концов перегородок 118, 120 по потоку ниже лопаток 126, при этом верхние по потоку концы выемок 160 расположены на расстоянии от задних краев лопаток 126 блока 110.

Предпочтительно, выемки 160 не образованы между радиальными лопатками 126 и поэтому не нарушают или нарушают очень незначительно поток воздуха в диффузорно-выпрямительном блоке. Поэтому подача воздуха в камеру сгорания не нарушается за счет выемок в перегородках 118, 120 блока.

В альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг.5, на которой элементы, идентичные элементам, показанным на фиг.1, обозначены аналогичными ссылочными позициями, но с добавлением 100 и апострофа, наружная перегородка 118' блока содержит на своем нижнем по потоку конце скругленный кольцевой край, который проходит вниз по потоку по существу радиально наружу. Внутренняя перегородка 120' блока содержит на своем нижнем по потоку конце скругленный кольцевой край, который проходит вниз по потоку по существу радиально внутрь. Нижние по потоку края 118', 120' обеспечивают возможность увеличения жесткости нижнего по потоку конца блока и ограничения деформаций изгиба и вибраций во время работы нижних по потоку концевых частей этих перегородок, чему способствует наличие выемок 160.

В другом альтернативном варианте осуществления, показанном на фиг.6, на которой элементы, идентичные элементам, показанным на фиг.1, обозначены аналогичными ссылочными позициями, но с добавлением 200, толщина внутренней перегородки 220 блока 120 увеличена для повышения жесткости этой перегородки. Жесткость наружной перегородки 218 может быть также увеличена аналогичным образом.

В другом, не показанном варианте осуществления внутренняя и наружная перегородки могут быть сделаны более жесткими или усилены с использованием элементов жесткости, которые либо выполнены с помощью машинной обработки непосредственно на перегородках, либо добавлены и закреплены с помощью пайки жестким припоем или сварки на этих перегородках.

Выемки 360 для снятия инжекторов 348 могут быть выполнены по меньшей мере на одном из нижних по потоку периферийных краях перегородок 318, 320 осевого диффузора 310 (см. фиг.7, на которой элементы, идентичные элементам, показанным на фиг.1, обозначены аналогичными ссылочными позициями, но с добавлением 300), при этом этот осевой диффузор расположен по потоку ниже компрессора с осевым выходом (не показан). Осевой диффузор 310 содержит две по существу цилиндрические перегородки 318, 320, которые проходят параллельно внутри друг друга и которые соединены между собой с помощью по существу радиальных лопаток 326. Выемки 360 в показанном примере образованы на нижнем по потоку периферийном крае 318 диффузора по потоку ниже лопаток 326 этого диффузора. Поэтому эти выемки 360 не нарушают или нарушают очень незначительно поток воздуха в осевом диффузоре. Выемки 360 выровнены в осевом направлении с радиальными каналами 350 инжекторов 348 и являются такими же выемками, что и выемки, описание со ссылкой на фиг.2-6.

Диффузор газотурбинного двигателя содержит две кольцевые перегородки, проходящие внутри друг друга и соединенные между собой, по существу, радиальными лопатками. Нижний по потоку периферийный край по меньшей мере одной из перегородок содержит выемки, равномерно распределенные вокруг продольной оси диффузора. Другим объектом настоящего изобретения является газотурбинный двигатель, в частности реактивный двигатель или турбовинтовой двигатель воздушного судна, содержит описанный выше кольцевой диффузор и кольцевую камеру сгорания, расположенную ниже по потоку диффузора и внутри наружного корпуса газотурбинного двигателя. В камеру сгорания подается топливо инжекторами, расположенными между диффузором и камерой и проходящими, по существу, радиально во внутреннее пространство от наружного корпуса. Выемки нижнего по потоку периферийного края указанной или каждой перегородки диффузора выровнены в осевом направлении с инжекторами так, что обеспечивается сдвиг вверх по потоку каждого инжектора в выемке указанной или каждой перегородки для снятия этого инжектора. Изобретение позволяет уменьшить осевой размер газотурбинного двигателя и снизить его массу. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Диффузор газотурбинного двигателя, содержащий две кольцевые перегородки (118, 120), проходящие внутри друг друга и соединенные между собой по существу радиальными лопатками (126), отличающийся тем, что нижний по потоку периферийный край по меньшей мере одной из перегородок содержит выемки (160), равномерно распределенные вокруг продольной оси диффузора.

2. Диффузор по п.1, отличающийся тем, что он соединен с выпрямителем с образованием диффузорно-выпрямительного блока, при этом перегородки (118, 120) этого блока имеют по существу L-образное поперечное сечение.

3. Диффузор по п.1, отличающийся чем, что он является диффузором осевого типа, при этом его перегородки (118, 120) по существу цилиндрические и параллельны друг другу.

4. Газотурбинный двигатель, в частности реактивный двигатель или турбовинтовой двигатель воздушного судна, отличающийся тем, что он содержит кольцевой диффузор по п.1, и кольцевую камеру (112) сгорания, расположенную ниже по потоку диффузора и внутри наружного корпуса (138) газотурбинного двигателя, при этом в камеру сгорания подаётся топливо инжекторами (148), расположенными между диффузором и камерой и проходящими по существу радиально во внутреннее пространство от наружного корпуса, причем выемки (160) нижнего по потоку периферийного края указанной или каждой перегородки диффузора выровнены в осевом направлении с инжекторами так, что обеспечивается сдвиг вверх по потоку каждого инжектора в выемке указанной или каждой перегородки для снятия этого инжектора.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что две перегородки диффузора (116) включают в себя на своих нижних по потоку периферийных краях выемки (160), которые выровнены в радиальном направлении парами от одной перегородки к другой и которые выровнены в осевом направлении с инжекторами (148) топлива.

6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что выемки (160) имеют по существу U-образную или C-образную форму, раскрыв которой направлен вниз по потоку.

7. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что выемки (160) имеют ширину в окружном направлении, которая по существу равна или больше наружного диаметра инжекторов (148).

8. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что выемки (160) имеют длину (162) в осевом направлении, равную или большую длины, необходимой для отсоединения инжекторов (148).

9. Двигатель по п.7, отличающийся тем, что выемки (160) имеют длину и/или ширину величиной примерно 10 мм.

10. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что указанная или каждая перегородка (118, 120) диффузора содержит количество выемок, равное количеству инжекторов (148), при этом эти выемки равномерно распределены вокруг продольной оси диффузора.

11. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что выемки (160) выполнены на нижней по потоку концевой части указанной или каждой перегородки, которая проходит ниже по потоку лопаток (126) диффузора.

12. Двигатель по п.11, отличающийся тем, что нижняя по потоку концевая часть указанной или каждой перегородки (118, 120) усилена по меньшей мере одним утолщением или элементом жесткости.

13. Двигатель по п.11, отличающийся тем, что нижний по потоку периферийный край указанной или каждой перегородки (118, 120) соединен с по существу радиальным кольцевым краем кольцевой соединительной зоной, имеющей скругленную форму профиля поперечного сечения.

14. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что диффузор является осевым диффузором или частью диффузорно-выпрямительного блока.