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

Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю, такому как турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, оборудованный кольцевой камерой сгорания.

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит две образованные вращением коаксиальные стенки - внутреннюю и наружную, - соединенные на своих входных концах жесткой кольцевой стенкой дна камеры и содержащие на своих выходных концах фланцы крепления к внутреннему и наружному картерам. Она содержит также входной кольцевой обтекатель, закрепленный на дне камеры и предназначенный для направления воздушного потока на входе и/или вокруг камеры сгорания. Стенка дна камеры и обтекатель содержат отверстия, обеспечивающие проход воздуха в камеру и введение форсунок, подающих топливо в камеру сгорания.

На выходе камера соединена наружным фланцем с наружным картером турбинной секции, находящейся на выходе камеры сгорания.

Монтаж этой камеры на внутреннем и наружном картерах, а также ее крепление имеют ряд недостатков, которые приводят к ухудшению характеристик газотурбинного двигателя.

Действительно, из-за способа крепления камеры расположение форсунок по отношению к камере, необходимое для нормального горения, не является оптимальным. Действительно, последовательные крепления различных деталей камеры, то есть крепления внутренней и наружной образованных вращением стенок на дне камеры, затем крепление внутреннего и наружного фланцев на картерах газотурбинного двигателя приводит к накоплению производственных и монтажных допусков деталей и, следовательно, порождают неточность позиционирования камеры в картерах. Вследствие этого крепление форсунок на картере и выравнивание их головок по оси камеры сгорания невозможно осуществить достаточно точно, что не позволяет обеспечить идеальный процесс горения в камере и снижает характеристики газотурбинного двигателя.

В современной технике различают два типа камер сгорания, в зависимости от того, являются ли они расходящимися или сходящимися, то есть в зависимости то того, приближаются ли они или удаляются от оси газотурбинного двигателя в направлении от входа к выходу.

Как правило, камеру сгорания устанавливают в наружный картер со стороны выхода, что не представляет особой сложности в случае расходящихся камер.

В некоторых случаях сходящиеся камеры сгорания являются более предпочтительными, чем расходящиеся камеры, так как они имеют меньшие осевые габариты. Установка этих камер в наружный картер со стороны выхода требует увеличения выходного диаметра наружного картера камеры, что приводит к увеличению радиального габарита, массы и стоимости. Увеличение выходного диаметра картера приводит также к нарушению выравнивания наружного картера камеры с наружным картером турбинной секции, что снижает аэродинамические характеристики. Наконец, крепление камеры со стороны входа для устранения вышеуказанных проблем нежелательно, так как это потребовало бы использования внутреннего и наружного фланцев, закрепленных на входной части камеры сгорания в огибающем ее потоке, с точками крепления в зоне крепления форсунок, что создало бы механические проблемы и проблемы прохождения воздушного потока вокруг камеры.

Во время работы перепад температур между камерой и наружным картером тоже может привести к нарушению выравнивания форсунок по отношению к оси камеры по причине осевого расширения камеры, которое может достигать нескольких миллиметров.

Объектом настоящего изобретения является газотурбинный двигатель, в частности, со сходящейся кольцевой камерой, который позволяет просто, эффективно и экономично избежать вышеуказанных недостатков известных технических решений.

В этой связи изобретением предлагается газотурбинный двигатель, включающий в себя кольцевую камеру сгорания, содержащую образованные вращением стенки, соответственно радиально внутреннюю и радиально наружную по отношению к оси газотурбинного двигателя, соединенные на своих входных концах кольцевым дном камеры, оборудованным средствами впрыска топлива, отличающийся тем, что содержит средства подвески входного конца камеры сгорания к наружному картеру, при этом упомянутые средства содержат, по меньшей мере, одну тягу, шарнирно соединенную своими концами со стенкой камеры сгорания и с наружным картером, при этом выходной конец камеры сгорания соединен с внутренним или наружным картером гибкими соединениями или опорами.

Подвеску камеры к наружному картеру осуществляют на уровне входного конца камеры, что позволяет производить установку камеры со стороны входа в наружный картер и избежать увеличения выходного диаметра наружного картера. Выравнивание наружного картера камеры с наружным картером турбинной секции улучшает аэродинамические характеристики газотурбинного двигателя. Подвеска камеры на ее входном конце улучшает положение ее входной части и позволяет, таким образом, точно выровнять головки форсунок с отверстиями дна камеры и, следовательно, оптимизировать горение топлива. Отказ от фланцев, соединяющих выходную часть камеры с наружным и внутренним картерами, позволяет уменьшить массу газотурбинного двигателя.

Эта тяга идеально вписывается в механическую среду форсунок и входной части камеры сгорания и не мешает воздушному потоку, огибающему камеру сгорания. Соединение камеры с наружным картером при помощи одной или нескольких тяг позволяет устранить радиальные напряжения, действующие на камеру во время работы.

Предпочтительно тяга расположена в плоскости, проходящей через ось газотурбинного двигателя.

Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения, один конец тяги шарнирно соединяют с входным концом образованной вращением наружной стенки, а ее другой конец шарнирно устанавливают в приливе картера, выступающем наружу. Каждый конец тяги шарнирно устанавливают вокруг поперечной оси на цилиндрическом стержне, установленном в отверстиях проушины наружной стенки камеры или картера соответственно.

Шарнирное соединение тяги с камерой выполнено на входном конце образованной вращением наружной стенки, поскольку эта часть является более холодной, чем другие части камеры, что позволяет ограничить деформации проушин при нагревании камеры во время работы и оптимизировать, таким образом, положение форсунок по отношению к камере.

В отверстия проушин можно вставить направляющие втулки, что обеспечивает хорошее позиционирование стержней на проушинах круглой наружной стенки и позволяет, таким образом, оптимально позиционировать камеру на наружном картере.

Согласно другому отличительному признаку, концы тяги шарнирно соединяют с цилиндрическими стержнями при помощи шаровых опор, через которые проходят стержни.

Установка шаровых опор внутри проушин обеспечивает поворотные движения стержней в проушинах, что позволяет компенсировать дефекты формы деталей, а также дефекты посадки камеры по отношению к наружному картеру.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения камера сгорания содержит три тяги, распределенные на верхней полуокружности наружной стенки камеры, при этом одна тяга находится в вертикальной плоскости, проходящей через ось газотурбинного двигателя, а две другие тяги расположены симметрично по обе стороны от этой вертикальной плоскости.

Тяги могут быть по существу параллельными оси газотурбинного двигателя, что позволяет ограничить осевые перемещения камеры сгорания и оптимизировать расположение форсунок относительно камеры при ее нагревании во время работы.

Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения, тяги могут содержать средства, например винтовые, регулировки длины, позволяющие лучше регулировать положение камеры в картерах.

Предпочтительно тяги соединены с наружной стенкой камеры между топливными форсунками для повышения точности расположения форсунок по отношению к камере.

Согласно другому отличительному признаку настоящего изобретения, по меньшей мере, одна из стенок, внутренняя или наружная, камеры сгорания содержит на своем выходном конце гибкую деталь соединения или опоры на наружный или внутренний картер. Гибкую соединительную деталь крепят сваркой или пайкой на камере, и она опирается по существу в радиальном направлении на картер.

Использование гибких деталей позволяет ограничить вибрации на выходе камеры во время работы газотурбинного двигателя. Такие детали можно выполнять из более легких материалов, чем фланцы из известных технических решений, так как механическая прочность в основном обеспечивается средствами подвески на входе камеры сгорания.

Выходной конец внутренней стенки камеры может быть соединен с внутренним картером при помощи гибкого металлического фланца.

В случае кольцевой камеры сгорания, сходящейся в направлении оси газотурбинного двигателя, ее можно устанавливать в наружный картер со стороны входа.

Настоящее изобретение, его другие детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид в осевом полуразрезе камеры сгорания газотурбинного двигателя из предшествующего уровня техники.

Фиг.2 - схематичный вид в осевом полуразрезе камеры сгорания газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - схематичный вид в перспективе в разборе со стороны выхода системы подвески камеры сгорания в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 - частичный схематичный вид в перспективе со стороны входа части камеры сгорания и ее системы подвески в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.5 - частичный схематичный увеличенный вид сбоку системы подвески камеры сгорания в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.6 - вид в разрезе по линии А-А входной части камеры сгорания, показанной на фиг.5.

Фиг.7 - вид в разрезе по линии В-В входной части камеры сгорания, показанной на фиг.5.

Фиг.8 - схематичный вид в поперечном разрезе камеры сгорания, иллюстрирующий угловое распределение тяг.

На фиг.1 показана известная сходящаяся кольцевая камера 10 сгорания, в которой центробежный диффузор 12, установленный на выходе не показанного компрессора высокого давления, питает воздухом кольцевое пространство 13, которое ограничено двумя коаксиальными картерами, - одним картером 14, радиально внутренним по отношению к оси 16 газотурбинного двигателя, и другим, радиально наружным картером 18, и которое содержит камеру 10 сгорания. Эта камера 10 сгорания установлена на входе турбинной секции 20, окруженной наружным картером 22, и содержит образованные вращением две, по существу, цилиндрические и коаксиальные стенки, внутреннюю 24 и наружную 26, и входную кольцевую стенку 28 дна камеры, на которой закреплен кольцевой обтекатель 30, направленный в сторону входа. Выходные концы стенок 24, 26 соединены с картерами 14 и 18 соответственно кольцевыми фланцами 32 и 34. Входные концы радиально внутренней 24 и радиально наружной 26 круглых стенок закреплены на радиально внутреннем и радиально наружном бортиках стенки дна 28 камеры и обтекателя 30, соответственно, при помощи болтов 36.

В стенке дна 28 камеры установлены головки форсунок 38, которые выходят в камеру 10 сгорания и которые направлены вдоль оси 40 этой камеры 10. Каждая форсунка 38 проходит через отверстие обтекателя 30 и содержит изогнутую часть, которая огибает входной наружный край обтекателя 30 и соединена со средствами 42 подачи топлива, установленными на наружном картере 18. Эти средства 42 подачи топлива закреплены на приливе 44 наружного картера 18.

Во время работы воздушный поток, создаваемый компрессором высокого давления и выходящий из диффузора 12, направляется обтекателем 30 и делится на одну часть (стрелки А), которая проходит через входные воздушные отверстия обтекателя 30 и через соответствующие отверстия 46 дна 28 камеры для питания камеры 10 сгорания, и на две части (стрелки В), которые огибают камеру 10 сгорания.

В известном техническом решении камеру 10 сгорания устанавливают со стороны выхода и крепят выходными фланцами 32, 34 на наружных 18, 22 и внутреннем 14 картерах. Если камера 10 является сходящейся, как показано на фиг.1, камеру можно ввести между внутренним 14 и наружным 18 картерами только при условии увеличения выходного диаметра наружного картера 18, чтобы выходной диаметр R₁ наружного картера 18 был больше, чем диаметр R₂ дна 28 камеры, что приводит к увеличению массы, габаритов и стоимости. Это увеличение диаметра приводит также к нарушению выравнивания между наружными картерами 18 и 22, в результате чего нарушается воздушный поток в тракте, расположенном между наружной стенкой 26 и наружными картерами 18, 22.

Переднее крепление камеры сгорания, как расходящейся, так и сходящейся, невозможно выполнить при помощи фланца, аналогичного фланцу, используемому для заднего крепления. Действительно, это предполагает размещение фланца в зоне вокруг камеры 10, что привело бы к возмущению воздушного потока, и крепление этого фланца в зоне крепления форсунок 38, что практически невозможно осуществить.

Согласно изобретению, эти недостатки, а также упомянутые выше, можно устранить за счет того, что, как показано на фиг.2, камера 48 сгорания соединена своим входным концом с наружным картером 18 при помощи средств подвески.

Эти средства подвески содержат, по меньшей мере, одну тягу 50, расположенную в плоскости, проходящей через ось 16 газотурбинного двигателя, при этом концы тяги шарнирно установлены на наружной стенке 26 камеры 48 сгорания и на наружном картере 18. Применение тяг 50 на входе камеры 48 позволяет восстановить выравнивание между наружными картерами 18 и 22, что дает существенный выигрыш в массе. Кроме того, тяги 50 не мешают воздушному потоку (стрелки В), огибающему камеру 48.

Каждая тяга 50 содержит отверстие 52 на каждом из своих концов, в которое вставляют шаровую опору 54, содержащую отверстие и удерживаемую в положении в отверстии 52 поворотом на 90°.

Передний конец каждой тяги 50 вставляют между двух проушин 56 наружной круглой стенки 18, выполненных по существу в радиальном направлении (фиг.3 и 4). Каждая проушина 56 содержит поперечное отверстие, выровненное с отверстием соседней проушины 56 и предназначенное для крепления тяги 50. Радиально внутренняя часть каждой проушины содержит бортик 55 с плоской поверхностью. В каждом отверстии установлена втулка 58 причем втулка затянута так чтобы образовать бортик 60 на противоположных сторонах проушин 56. Крепление тяги 50 обеспечивается при помощи стержня 62, проходящего через отверстия проушин 56 и отверстие шаровой опоры 54 тяги 50. Стержень 62 содержит резьбовой конец 64, на который навинчивают крепежную гайку 66, а другой конец содержит головку 68 с двумя фасками, одна из которых взаимодействует с бортиком 55 проушины, препятствуя повороту стержня 62 и его отвинчиванию во время работы газотурбинного двигателя.

Задний конец каждой тяги 50 вставляют в прилив 72 наружного картера, который выступает наружу и имеет L-образую форму. Прилив 72 содержит два коаксиальных отверстия, в которые вставляют втулку 58, чтобы образовать буртики 60 внутри прилива 72. Аналогично проушинам 56 прилив содержит плоские части 74, одна из которых предназначена для взаимодействия с фаской 70 резьбового стержня 62. Крепежная гайка 66 позволяет удерживать резьбовой стержень 62 в положении в отверстиях прилива 72 и в отверстии шаровой опоры 54 тяги 50.

Как показано на фиг.3, прилив 72 расположен между двумя последовательными форсунками 38, что позволяет установить тягу 50 как можно ближе к форсункам 38, чтобы обеспечить очень точное расположение форсунок 38 относительно камеры 48 сгорания. Таким образом, можно регулировать заглубление форсунок 38 для оптимизации горения топлива.

Шаровые опоры 54 застопорены с каждой стороны блокировочными юбками 60 втулок 58. Эти втулки 58 обеспечивают правильное расположение стержней 62 в отверстиях. Втулки 58 прилива 72 обеспечивают также герметичность по отношению к воздуху, огибающему камеру 48 сгорания (фиг.5-7).

Тяга 50 направлена по существу параллельно оси 16 газотурбинного двигателя, что позволяет ограничить движения камеры 48 сгорания в осевом направлении. Использование шарнирно установленной тяги 50 позволяет поглощать радиальные напряжения, действующие на камеру 48 во время работы.

Крепление тяг 50 на входном конце наружной стенки 26, соответствующем наиболее холодной зоне камеры 48 сгорания, ограничивает тепловое расширение камеры 48 на проушинах, что позволяет сохранять выравнивание между форсунками 38 и осью 40 камеры 48 и оптимизировать горение топлива.

Чтобы ограничить вибрации на выходе камеры 48, между выходным концом наружной круглой стенки 26 и наружным картером 18 устанавливают гибкую деталь 76. Эта деталь 76 содержит кольцевой буртик 78 на своем внутреннем конце, закрепленный сваркой или пайкой на наружной стенке 26, и ветви 80, направленные наружу и сопрягающиеся своими наружными концами с буртиками 82, опирающимися на внутреннюю поверхность наружного картера 18.

Если газотурбинный двигатель не работает, гибкая деталь 76 находится под небольшим предварительным напряжением между наружной круглой стенкой 26 и наружным картером 18. Во время работы газотурбинного двигателя гибкая деталь 76 позволяет поглощать, по меньшей мере, часть вибраций на выходе камеры. Особая форма гибких деталей с отстоящими друг от друга наружными концами, позволяет обеспечивать постоянный контакт между наружным картером 18 и наружной стенкой 26.

В варианте выполнения, показанном на чертежах, внутренняя круглая стенка 24 соединена с внутренним картером 14 при помощи кольцевого фланца 32.

В варианте выполнения обе образованные вращением стенки, внутреннюю 24 и наружную 26, соединяют при помощи гибких деталей 76 с внутренним 14 и наружным 18 картерами соответственно.

В отдельном варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.8, камеру соединяют с наружным картером при помощи трех тяг 50, распределенных по верхней полуокружности наружной стенки 26 камеры 48. Одна тяга 84 находится в вертикальной плоскости, проходящей через ось 16 газотурбинного двигателя, тогда как две другие тяги 86, 88 расположены симметрично по отношению к этой вертикальной плоскости. Две симметричные тяги 86, 88 находятся на угловом расстоянии примерно 80° от тяги 84, оптимально обеспечивая, таким образом, функцию подвески.

Предпочтительно тяги 50 могут содержать винты регулировки по длине, чтобы обеспечить оптимальное выравнивание камеры в картере.

Как вариант переднее крепление тяги 50 выполняют на наружном картере 18, а заднее крепление тяги 50 выполняют на наружной стенке 26 камеры 48.

Изобретение находит свое предпочтительное применение в газотурбинном двигателе со сходящейся камерой сгорания, обеспечивая ее введение со стороны входа, однако его можно также применять для расходящейся камеры сгорания, чтобы повысить точность расположения форсунок относительно камеры.

Газотурбинный двигатель содержит кольцевую камеру сгорания, содержащую образованные вращением стенки, соответственно радиально внутреннюю и радиально наружную по отношению к оси газотурбинного двигателя, соединенные на своих входных концах кольцевым дном камеры, оборудованным средствами впрыска топлива. Газотурбинный двигатель содержит средства подвески входного конца камеры сгорания к наружному картеру. Средства подвески содержат, по меньшей мере, одну тягу, шарнирно соединенную своими концами со стенкой камеры сгорания и с наружным картером. Каждый конец тяги шарнирно устанавливают вокруг поперечной оси на цилиндрическом стержне, установленном в отверстиях проушины наружной стенки камеры или картера соответственно. Выходной конец камеры сгорания соединен с внутренним или наружным картером гибкими соединениями или опорами. Изобретение направлено на повышение эффективности и экономичности работы двигателя. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Газотурбинный двигатель, содержащий кольцевую камеру (48) сгорания, содержащую образованные вращением стенки, соответственно радиально внутреннюю (24) и радиально наружную (26) по отношению к оси (16) газотурбинного двигателя, соединенные на своих входных концах кольцевым дном (28) камеры, оборудованный средствами впрыска топлива, отличающийся тем, что содержит средства (50) подвески входного конца камеры (48) сгорания к наружному картеру (18), при этом упомянутые средства содержат, по меньшей мере, одну тягу, шарнирно соединенную своими концами со стенкой камеры (48) сгорания и с наружным картером, при этом каждый конец тяги (50) шарнирно устанавливают вокруг поперечной оси на цилиндрическом стержне (62), установленном в отверстиях проушины (56) наружной стенки (26) камеры или картера (18) соответственно, при этом выходной конец камеры (48) сгорания соединен с внутренним (14) или наружным (18) картером гибкими соединениями или опорами (32, 76).

2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что тяга (50) расположена в плоскости, проходящей через ось (16) газотурбинного двигателя.

3. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что один конец тяги (50) шарнирно соединяют с входным концом наружной, образованной вращением стенки (26), а ее другой конец шарнирно устанавливают в приливе (72) картера (18), выступающем наружу.

4. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в отверстия проушин (56) устанавливают внатяг направляющие втулки (58).

5. Газотурбинный двигатель по п.4, отличающийся тем, что концы тяги (50) шарнирно соединяют с цилиндрическими стержнями (62) при помощи шаровых опор (54), через которые проходят стержни (62).

6. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит три тяги (84, 86, 88), распределенные на верхней полуокружности наружной стенки (26) камеры, при этом одна тяга (84) находился в вертикальной плоскости, проходящей через ось (16) газотурбинного двигателя, а две другие тяги (86, 88) расположены симметрично по обе стороны от этой вертикальной плоскости.

7. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая тяга (50) установлена, по существу, параллельно оси (16) газотурбинного двигателя.

8. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждая тяга (50) содержит средства, например винтовые, регулировки длины.

9. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что тяга или каждая тяга (50) соединена с наружной стенкой (26) камеры между топливными форсунками (38).

10. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из стенок, наружная (26) или внутренняя (24), камеры сгорания содержит на своем выходном конце гибкую деталь (76) соединения или опоры на наружный (18) или внутренний (14) картер.

11. Газотурбинный двигатель по п.10, отличающийся тем, что гибкую соединительную деталь (76) крепят сваркой или пайкой на камере, и она опирается, по существу, в радиальном направлении на картер.

12. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что выходной конец внутренней стенки (24) камеры соединяют с внутренним картером (14) при помощи гибкого металлического фланца (32).

13. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что кольцевая камера (48) является сходящейся, и ее устанавливают в наружный картер (18) со стороны входа.