КАМЕРА СГОРАНИЯ С ВЕНТИЛИРУЕМОЙ СВЕЧОЙ ЗАЖИГАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F23R3/28 F23R3/60 

Настоящее изобретение относится к области двигателей газовых турбин и турбореакторам и, в частности, раскрывает устройство свечи зажигания в камере сгорания такого типа двигателей.

В двигателе газовой турбины в камеру сгорания подают от компрессора воздух, часть которого смешивается с топливом и сжигается в области первичного сгорания. Зажигание обеспечивается посредством одной или двух свечей, расположенных на выходе карбюраторной системы. Другая часть воздуха огибает зону первичного сгорания и смешивается с газом первичного сгорания. Совокупность горячих газов направляется к турбине. Камеры сгорания разрабатываются так, чтобы они соответствовали некоторым обязательным требованиям, таким как обратное зажигание при полете, форма профиля температуры, выделение загрязняющих газов, а также одновременно термическое и механическое поведение этих различных составляющих.

В частности, система зажигания должна обеспечивать обратное зажигание при полете в случае случайного прекращение горения камеры сгорания с выдерживанием термических напряжений, которые на нее воздействуют; она должна их выдерживать. Эти условия требуют сложносовместимых физических состояний. В действительности, при инжектировании образуется слой пульверизированного топлива, образующий определенный угол с осью камеры. Если он является слишком закрытым, то свеча находится вне конуса, образованного топливом; это благоприятно с термической точки зрения, но уменьшается зажигательная способность камеры. И наоборот, система инжектирования, в которой слой топлива образует слишком открытый конус, вызывает значительное нагревание зоны камеры, окружающей свечу, по причине удара топлива о стенки и о свечу. Термическое поведение этих элементов очень зависимо от этого. Эти термические условия учитывают при установке свечи.

Настоящее изобретение относится к системе зажигания, свечи которой установлены на картере камеры сгорания, например, посредством детали, образующей адаптер, которая сама установлена на картере камеры. Свеча на выходе системы инжектирования топлива расположена на картере радиально внутрь камеры, и ее конец находится на одном уровне с внутренней поверхностью стенки камеры в отверстии, выполненном в ней.

Боковой рабочий зазор вокруг камеры выполнен так, чтобы в результате разницы температур, давлений и сил во время различных фаз полета стало возможным относительное перемещение между камерой и картером, без чего свеча, жестко соединенная с картером, не будет заходить в упор или опираться в борта отверстия, выполненного в стенке камеры. Стенка на уровне отверстия снабжена цилиндрической деталью, более или менее высокой и образующей вентиляционный канал, в которой скользит удаленный конец свечи. Плавающая втулка образует направляющую свечи. Направляющая свечи окружает свечу так, чтобы закрыть вентиляционный канал и обеспечить герметичность между камерой и внешней зоной камеры между камерой и картером. Пример такого типа установки камеры сгорания двигателя газовой турбины раскрыт в заявке на имя заявителя FR 2926329.

Помимо такого узла относительного перемещения между камерой и картером, вентиляционный канал содержит вентиляционные отверстия для охлаждения свечи. Воздух поступает снаружи от камеры сгорания из-за разницы давления и сохраняет температуру конца свечи, подвергаемую воздействию горючего газа, на допустимом уровне при помощи материала, из которого она выполнена. Поскольку вентиляционные отверстия выполнены в стенках вентиляционного канала радиально, они представляют собой ребра потока воздуха в направлении поверхности свечи. Охлаждение, осуществляемое потоками, зависит от различных параметров, среди которых диаметр отверстий и расстояние от них до поверхности воздействия.

Тем не менее, охлаждение является оптимальным, когда свеча находится в центре вентиляционного канала, при этом все потоки проходят одинаковое расстояние, причем можно увидеть, что его эффективность уменьшается, когда свеча больше не находится в центре в результате колебания нагрузок между камерой и картером. Термический обмен между потоками воздуха и стенками воздействия, соответствующий номиналу, возрастает, когда расстояние от потоков является с одной стороны более коротким, и уменьшается, когда расстояние больше, чем оптимальное заданное расстояние.

Целью настоящего изобретения является средство, позволяющее поддерживать оптимальное охлаждение в независимости от фазы полета летательного аппарата и термических различий между камерой сгорания и картером, к которым она приводит.

Согласно настоящему изобретению эта цель достигается при помощи камеры сгорания газотурбинного двигателя, имеющей стенку, вентиляционный канал, жестко соединенный с этой стенкой, причем вентиляционный канал образует полость для свечи зажигания, открывающуюся в камеру сгорания, при этом направляющая свечи установлена в вентиляционном канале таким образом, что она является подвижной в поперечном направлении относительно оси вентиляционного канала, причем направляющая свечи имеет участок цилиндрической стенки для осевого направления свечи и уплотняющий заплечик, установленный в упор, скользящий по поверхности упора, выполненной в вентиляционном канале, отличающаяся тем, что в направляющей свечи предусмотрена камера охлаждения с отверстиями для подачи охлаждающего воздуха, причем указанная камера выполнена так, чтобы обеспечить охлаждение путем воздействия на стенки свечи, расположенной в направляющей свечи.

Рассмотрим камеру охлаждения, продуваемую охлаждающими потоками воздуха на уровне направляющей свечи, поверхность воздействия охлаждают вне зависимости от различий в расширении между камерой и окружающей ее средой. В действительности направляющая свечи следует за движением свечи в вентиляционном канале, а размеры камеры охлаждения является неизменяемыми.

Согласно одному предпочтительному способу воплощения изобретения камера охлаждения является кольцевой и коаксиальной с указанным участком цилиндрической стенки направляющей свечи. Таким образом обеспечивают охлаждение по контуру свечи. Более конкретно, камеру охлаждения располагают между указанным участком цилиндрической стенки направляющей свечи и камерой сгорания. В частности, она находится между участком цилиндрической стенки направляющей свечи и уплотняющим заплечиком.

Для того чтобы обеспечить достаточную подачу охлаждающего воздуха, отверстия подачи охлаждающего воздуха предпочтительно ориентированы радиально и перпендикулярно оси участка цилиндрической стенки направляющей свечи.

Тем не менее, чтобы учесть особенности геометрии направляющей свечи и напряжения в ближайшей окружающей среде, ограничивая также объем препятствий в потоке, отверстия подачи охлаждающего воздуха ориентированы наклонно относительно оси участка цилиндрической стенки.

Настоящее изобретение, его цели, детали, признаки и преимущества будут более понятны из нижеследующего описания, при этом несколько способов его воплощения приведены только в рамках иллюстративных и неограничительных примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает продольный разрез части камеры сгорания двигателя газовой турбины согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.2 показывает детально область свечи, расположенную на одном уровне с вентиляционным каналом и направляющей свечи, так как показано на фиг.1 согласно предшествующему уровню техники.

Фиг.3 иллюстрирует способ осуществления настоящего изобретения с улучшенной направляющей свечи.

Как показано на фиг.1, камера сгорания 1 находится в кольцевом пространстве вокруг оси двигателя, образованного внешним картером 3. Она содержит одну или несколько внутренних обечаек 8, удерживаемых вместе фланцем или соответствующими опорами, при этом камера закрыта на входе дном 9 камеры, связанным с входным обтекателем 6. Трубки 5 для инжектирования топлива распределены вокруг оси двигателя и открываются внутрь камер через отверстия, выполненные на дне 9 камеры. Дефлекторы 11 образуют шар вокруг каждой трубки инжектирования топлива, являющегося частью воздуха, который проникает в обтекаемую зону в радиальном направлении и двигается турбулентно относительно распыляемого топлива, и, таким образом, обеспечивают образование смеси топлива с воздухом. Зона первичного сгорания образуется непосредственно на выходе дна камеры, в котором смесь зажигается посредством электрической свечи 13 или нескольких свечей, в основном распределенных по окружности 2.

На фиг.2 представлен детальный разрез зоны камеры сгорания, содержащей отверстие для прохождения свечи зажигания. Во внешней обечайке 7, например, просверлено кольцевое отверстие 71, вокруг которого установлена цилиндрическая труба 72, ориентированная радиально относительно внешней стенки 7. Эта труба образует вентиляционный канал, через который проходит свеча 13. Этот вентиляционный канал имеет верхнюю опорную поверхность 73 в плоскости, перпендикулярной оси вентиляционного канала, отбортованного небольшой стенкой 73'. На этой поверхности 73' располагается направляющая свечи 75. Эта последняя содержит заплечик 76 и конус 77 вхождения вокруг направляющего цилиндрического участка 78. Направляющая 75 свечи располагается на опорной поверхности 73 посредством заплечика 76. Он может скользить по этой поверхности между стенками 73'. Желоб, приваренный на стенке 73', удерживает заплечик 76 радиально при любых его радиальных перемещениях вне стенки 73'. Участок цилиндрической поверхности 78 имеет диаметр, лишь слегка превышающий диаметр свечи. Последняя может, таким образом, скользить относительно направляющей 75 свечи. Цель конической поверхности 77 - облегчить вхождение свечи в направляющую свечи при установке камеры. Направляющая свечи также закрывает кольцевое пространство между свечой и вентиляционным каналом. Воздух подается в это кольцевое пространство через отверстия 72b, ориентированные к поверхности свечи.

Такая сборка позволяет следовать относительным перемещениям, происходящим в результате термических и других изменений между камерой и картером. Направляющая 75 свечи может, таким образом, перемещаться вдоль опорной поверхности 73 внутри небольшой стенки 73'. Отмечено, что кольцевое пространство между свечой 13 и вентиляционным каналом не является постоянным. Когда свеча перемещается к вентиляционному каналу, кольцевое пространство вокруг свечи изменяется между нулевым значением и значением, равным кольцевому пространству в состоянии покоя. Из этого следует, что эффективность охлаждения потоками воздуха, пересекающими отверстия 72b, не является однородной, что нежелательно.

Решение согласно настоящему изобретению позволяет поддерживать эффективное охлаждение путем воздействия на всю свечу зажигания.

Пример решения показан на фиг.3. Сборка согласно фиг.3 имеет те же ссылочные номера, что и на фиг.2, увеличенные на 100 для аналогичных частей.

Свеча 13 направляется в вентиляционном канале 172 посредством направляющей 175 свечи. Здесь имеется опорная поверхность 173 вентиляционного канала с небольшой стенкой 173' и желоб, позволяющий перемещение направляющей свечи в ограниченном пространстве.

Направляющая 175 свечи согласно настоящему изобретению содержит заплечик 176 опоры на опорную поверхность вентиляционного канала. Направляющий участок цилиндрической поверхности 178 имеет внутренний диаметр, адаптированный к диаметру свечи для осуществления отрегулированного скольжения свечи в этом участке цилиндра. Также здесь мы находим участок 177 поверхности в виде усеченного конуса, который сохраняет свою функцию упрощения введения свечи в направляющую свечи и вентиляционный канал.

Это направляющая 175 свечи согласно настоящему изобретению содержит участок 174 цилиндрической поверхности 174 охлаждения между участком 178 цилиндрической поверхности направления и заплечиком 176. Этот участок 174 цилиндрической поверхности охлаждения имеет диаметр, превышающий диаметр участка 178 направляющей цилиндрической поверхности. Камера 174а охлаждения, таким образом, выполнена с поверхностью 174 и участком 174b, радиально соединяющим поверхность 174 и 178. Камера открывается к камере сгорания, у которой только одна наружная стенка имеет ссылочный номер.

Отверстия 174с просверлены на участке 174 поверхности охлаждения. Эти отверстия ориентированы таким образом, что выход из них свободен и циркуляция воздуха возможна без значительных препятствий. В представленном способе воплощения изобретения отверстия наклонены относительно поверхности воздействия свечи; потоки воздуха имеют составляющую скорости, направленную к камере сгорания. Согласно другому способу воплощения изобретения, в котором участок цилиндрической поверхности охлаждения имеет большую высоту, отверстия ориентированы перпендикулярно к поверхности воздействия свечи.

При функционировании камеры сгорания свеча совпадает по уровню с внутренней поверхностью стенки камеры сгорания, то есть дистальная сторона, по существу, находится в плоскости стенки камеры. Диаметры отверстий калибруют инжектируемый воздух, а расстояние, отделяющее участок 174 стенки поверхности от поверхности свечи, задается так, что охлаждение при воздействии потоков воздуха на свечу является оптимальным. При различных фазах функционирования свеча, жестко соединенная с картером, перемещается относительно стенки камеры сгорания. Тем не менее, по мере того, как направляющая 175 свечи следует перемещению свечи, условия ее охлаждения остаются неизменными и эффективность также не меняется.

Камера сгорания газотурбинного двигателя имеет стенку, вентиляционный канал, жестко соединенный с этой стенкой. Вентиляционный канал образует полость для свечи зажигания, открывающуюся в камеру сгорания. Направляющая свечи установлена в вентиляционном канале таким образом, что она является подвижной в поперечном направлении относительно оси вентиляционного канала и имеет направляющий свечу участок цилиндрической стенки и уплотняющий заплечик, установленный в упор, скользящий по поверхности упора вентиляционного канала. В направляющей свечи предусмотрена камера охлаждения с отверстиями для подачи воздуха, охлаждающего указанную камеру. Камера охлаждения выполнена так, чтобы обеспечить охлаждение путем воздействия на стенку свечи, расположенной в направляющей свечи. При этом камера охлаждения расположена между направляющим участком цилиндрической стенки и камерой сгорания и имеет охлаждающий участок цилиндрической стенки, выполненный между направляющим участком цилиндрической стенки и уплотняющим заплечиком. Изобретение направлено на поддержание оптимального охлаждения вне зависимости от фазы полета летательного аппарата и термических различий между камерой сгорания и картером, к которым она приводит. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Камера сгорания газотурбинного двигателя, имеющая стенку, вентиляционный канал (172), жестко соединенный с этой стенкой, причем вентиляционный канал образует полость для свечи (13) зажигания, открывающуюся в камеру сгорания, при этом направляющая (175) свечи установлена в вентиляционном канале таким образом, что она является подвижной в поперечном направлении относительно оси вентиляционного канала, причем направляющая (175) свечи имеет направляющий свечу участок (178) цилиндрической стенки и уплотняющий заплечик (176), установленный в упор, скользящий по поверхности (173) упора вентиляционного канала (172), отличающаяся тем, что в направляющей (175) свечи предусмотрена камера (174а) охлаждения с отверстиями (174с) для подачи воздуха, охлаждающего указанную камеру (174а), причем указанная камера (174а) охлаждения выполнена так, чтобы обеспечить охлаждение путем воздействия на стенку свечи (13), расположенной в направляющей свечи, при этом камера (174а) охлаждения расположена между указанным направляющим участком (178) цилиндрической стенки и камерой сгорания и имеет охлаждающий участок цилиндрической стенки (174), выполненный между направляющим участком (178) цилиндрической стенки и уплотняющим заплечиком (176).

2. Камера сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что камера (174а) охлаждения является кольцевой, причем указанная камера охлаждения и указанный направляющий участок (178) цилиндрической стенки являются коаксиальными.

3. Камера сгорания по одному из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что отверстия (174с) подачи охлаждающего воздуха камеры (174а) охлаждения просверлены в указанном охлаждающем участке стенки и ориентированы перпендикулярно оси охлаждающего участка цилиндрической стенки (174).

4. Камера сгорания по одному из пп. 1 или 2, отличающаяся тем, что отверстия (174с) подачи охлаждающего воздуха ориентированы наклонно относительно оси охлаждающего участка цилиндрической стенки (174).