СТАБИЛИЗАТОР ПЛАМЕНИ
FLAME STABILIZER

Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к области двухконтурных турбореактивных двигателей, и более конкретно к форсажным устройствам таких реактивных двигателей.
В двухконтурном турбореактивном двигателе с форсажным устройством, имеющим заднюю часть типа, показанного на Фиг. 1, поток воздуха сначала всасывается компрессором низкого давления. Первая часть потока воздуха на выходе из компрессора низкого давления поступает в компрессор высокого давления, тогда как вторая часть проходит в первый проход 1, образованный между наружным кольцеобразным кожухом 2 и первым внутренним кольцеобразным кожухом 3. Поток воздуха, сжатый компрессором высокого давления, поступает в камеру сгорания, которая, в свою очередь, подает газообразные продукты сгорания к турбине высокого давления, после которой следует турбина низкого давления, выход которой проходит через второй проход 4, образованный между первым внутренним кольцеобразным кожухом 3 (или пластиной слияния) и вторым внутренним кольцеобразным кожухом 5 (или стекателем газов). Газообразные продукты сгорания, поступающие во второй проход 4, имеют высокую температуру и называются "первичным" потоком (или горячим потоком). Воздух, поступающий в первый проход 1, имеет температуру, которая значительно ниже, чем температура первичного потока, и называется "вторичным" потоком (или холодным потоком).
Ниже по потоку от выхода турбины возможно увеличивать тягу посредством впрыскивания дополнительной порции топлива в первичный и вторичный потоки, причем топливо сгорает в форсажной камере. Такая система в основном содержит комплект устройств 8, называемых "стабилизаторами пламени", и форсуночное кольцо 6. Форсуночное кольцо 6 установлено на стабилизаторах 8 пламени и находится во вторичном потоке, вблизи от пластины 3 слияния.
Часть впрыскивания происходит через форсуночное кольцо 6, которое предназначено для равномерного впрыскивания части топлива и для стабилизации пламени.
Конструкция стабилизатора 8 пламени показана на Фиг. 2 и 3. Стабилизатор 8 пламени, который описан в Документе US 2011/0138773, содержит стойку 80 желобообразной формы с коробчатым профилем (причем этот профиль может быть V-образным или U-образным), перемычка которого обращена в направлении выше по потоку относительно направления потока газов, вентиляционную трубку 81, трубчатую топливную форсунку 82, и тепловой экран 83 в форме изогнутого металлического листа, вогнутая сторона которого обращена в направлении ниже по потоку.
Стабилизатор 8 пламени также имеет переходник 84 (Фиг. 3), содержащий основание или плиту 840, из которой проходят две крепежные лапы 841 и 842, первую крепежную опору 843 для прикрепления наружной части форсуночного кольца 6, проходящего между двумя лапами 841 и 842, на одном уровне с их центральными ветвями, и направляющий элемент 844, имеющий два отверстия 8440 и 8441, через которые проходят соответственно топливная форсунка 82 и вентиляционная трубка 81, которые установлены на лапах 841 и 842, причем направляющий элемент 844 также имеет вторую крепежную опору 845 для прикрепления внутренней части форсуночного кольца и включает в себя отверстие 8442, через которое проходит крепежное средство (не показано на Фиг. 2) для прикрепления внутренней части форсуночного кольца 6.
Переходник 84 предназначен для позиционирования и закрепления стоек в проходе для потока, причем основание 840 прикреплено к внутренней стенке наружного кожуха 2 (Фиг. 1), тогда как стойка 80 прикреплена к лапам 841 и 842 посредством крепежных элементов типа заклепок или болтов, через крепежные отверстия 8410 и 8420, присутствующие в крепежных лапах, и отверстия 801, присутствующие в стойке 80.
В дополнение к позиционированию и удерживанию стойки 80, переходник 84 выполняет несколько других функций, а именно:
- отбор статического давления от вторичного потока воздуха через две лапы 841 и 842, внутренняя часть каждой из которых составлена пустотелой полостью 841a и 842a, которая ведет в верхнюю полость 840a, образованную в основании 840, причем в нижней части каждой из лап 841 и 842 образовано отборное отверстие 8410, 8420 для подачи воздуха в полость 840a;
- закрепление форсуночного кольца через первую и вторую крепежные опоры 843 и 845; и
- направление вентиляционной трубки посредством направляющего элемента 844.
Тем не менее, выполнение всех этих функций требует переходника, который имеет сложную форму и является затратным в изготовлении.
К тому же, позиционирование и крепление стойки посредством переходника не является производительным, поскольку оно требует подбора и подгонки каждой из изготовленных деталей.
Наконец, еще одним недостатком является то, что по меньшей мере плита, крепежные лапы и первая крепежная опора для форсуночного кольца выполнены как единая деталь из металлического материала, полученная, например, посредством литья. Поскольку переходник проходит вблизи от источника тепла с высокой температурой (горячего потока), он также должен быть выполнен из металлического материала, который выдерживает высокие температуры и который, следовательно, является дорогим.
Краткое изложение сущности изобретения
Цель настоящего изобретения заключается в ослаблении недостатков предшествующего уровня техники посредством разработки стабилизатора пламени для форсажной камеры турбореактивного двигателя, причем стабилизатор пламени содержит желобообразную стойку, образующую полость, и тепловой экран, закрепленный в полости стойки, причем стабилизатор пламени отличается тем, что он дополнительно содержит крепежную плиту, содержащую первую лапу, выполненную как единое целое с крепежной плитой, и вторую лапу, установленную с возможностью снятия на упомянутой плите, причем стойка прикреплена к первой и второй лапам посредством крепежных элементов.
В стабилизаторе пламени согласно изобретению, стойка позиционирована и закреплена посредством детали, имеющей форму, которая значительно упрощена по сравнению с переходником предшествующего уровня техники. Крепежная плита стабилизатора пламени согласно изобретению имеет только одну лапу, образованную как единое целое с ней, причем эта первая лапа предназначена для принятия большинства сил, прилагаемых потоком к стойке.
К тому же, поскольку вторая лапа установлена с возможностью снятия на крепежную плиту, возможно регулировать ее положение на плите для приспосабливания к возможным отклонениям формы плеча. Следовательно, не требуется механическая обработка крепежной плиты для приспосабливания, даже в случае умеренных отклонений формы и/или размеров стойки. Следовательно, уменьшаются затраты на изготовление крепежной плиты согласно изобретению.
В первом аспекте стабилизатора пламени согласно изобретению, первая и вторая лапы являются сплошными, причем стабилизатор пламени дополнительно содержит полую деталь для отбора статического давления, которая прикреплена к крепежной плите. Перенос функции отбора статического давления на элемент, который является внешним по отношению к плите, предназначен для дополнительного упрощения изготовления плиты, поскольку отсутствует потребность в образовании внутренней полости в стойках плиты. Поскольку полая деталь выполняет только функцию отбора статического давления из вторичного потока, она может иметь очень простую конструкцию, удешевляющую ее изготовление.
Во втором аспекте стабилизатора пламени согласно изобретению, он дополнительно содержит опору форсуночного кольца, прикрепленную к внутренним частям первой и второй лап. Опять же, функция поддерживания форсуночного кольца, которую в стабилизаторе пламени предшествующего уровня техники выполняет плита переходника, теперь в стабилизаторе пламени согласно изобретению выполняется посредством детали, которая является внешней по отношению к плите, чтобы упростить и удешевить изготовление стабилизатора пламени согласно изобретению. Опора форсуночного кольца имеет две крепежные лапы.
В третьем аспекте стабилизатора пламени согласно изобретению, опора форсуночного кольца образована из куска листового металла, таким образом, позволяя изготавливать опору кольца из материала, который является недорогим и легко обрабатываемым. В частности, опора форсуночного кольца может быть выполнена из листового металла с ограниченным количеством изгибов, благодаря чему дополнительно уменьшаются затраты на ее изготовление.
В четвертом аспекте стабилизатора пламени согласно изобретению, плита имеет гнездо, образующее углубление под поверхностью упомянутой плиты, причем в упомянутом гнезде удерживается крепежное основание второй лапы. Таким образом, возможно установить вторую стойку на плиту без возмущения потока, причем крепежное основание второй лапы скрыто в гнезде, образованном в поверхности плиты.
В пятом аспекте стабилизатора пламени согласно изобретению, крепежная плита выполнена из титана, который может выдерживать температуры, которые воздействуют на крепежную плиту. Титан является материалом, который дешевле других металлических материалов, которые могут выдерживать высокие температуры. Использование титана становится возможным, поскольку крепежная плита для стабилизатора пламени согласно изобретению присутствует только во вторичном потоке и на значительном расстоянии от первичного потока (горячего потока). Титан не может быть использован для изготовления переходника предшествующего уровня техники, поскольку часть детали находится очень близко от первичного потока.
В шестом аспекте стабилизатора пламени согласно изобретению, он дополнительно содержит усиливающий элемент, проходящее между поверхностью крепежной плиты и первой лапой, чтобы усиливать возможность лапы выдерживать воздействие сил, образуемых потоком.
В настоящем изобретении также разработана форсажная камера турбореактивного двигателя, включающая в себя по меньшей мере один стабилизатор пламени согласно изобретению.
В изобретении также разработан турбореактивный двигатель, включающий в себя форсажную камеру согласно изобретению.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут понятны из последующего описания, данного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показан вариант осуществления, не являющийся ограничивающим. На чертежах:
- Фиг. 1 представляет собой вид в разрезе задней части двухконтурного турбореактивного двигателя с форсажным устройством;
- Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе в частично разобранном состоянии стабилизатора пламени предшествующего уровня техники;
- Фиг. 3 представляет собой вид в перспективе переходника стабилизатора пламени с Фиг. 2;
- Фиг. 4 представляет собой вид в перспективе в разобранном состоянии стабилизатора пламени согласно варианту осуществления изобретения;
- Фиг. 5 представляет собой вид в перспективе, на котором показана наружная лицевая поверхность плиты переходника стабилизатора пламени с Фиг. 4;
- Фиг. 6 представляет собой вид в перспективе, на котором показана наружная лицевая поверхность плиты переходника стабилизатора пламени с Фиг. 4 с установленной на нее второй лапой; и
- Фиг. 7 представляет собой вид фрагмента в перспективе, на котором показана установка полой детали для отбора статического давления в стабилизаторе пламени с Фиг. 4.
Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения
На Фиг. 4-7 показаны элементы стабилизатора 100 пламени согласно варианту осуществления изобретения. Как видно на Фиг. 4, стабилизатор 100 пламени содержит крепежную плиту 110, стойка 120 с формой желоба, образующего полость 121, тепловой экран 130 для закрепления в полости 121 стойки 120, крепежную опору 140 форсуночного кольца, вентиляционную трубку 150, трубчатую топливную форсунку 160, и пустотелую деталь 170 для отбора давления.
Крепежная плита 110 предназначена для прикрепления к внутренней стенке наружного кольцеобразного кожуха задней части двухконтурного турбореактивного двигателя с форсажным устройством, такого как наружный кожух 2 показанного на Фиг. 1 турбореактивного двигателя, посредством четырех болтов с гайками в сборе (не показанных на Фиг. 4), проходящих через отверстия 111, образованные в плите 110. Плита 110 также имеет отверстие 112 для прохождения топливной форсунки 160 и два углубления 133, образованных на ее внутренней лицевой поверхности 110a для принятия головок болтов с плоской головкой (не показаны на Фиг. 4) для прикрепления головки трубки впрыска топлива.
Крепежная плита 110, которая выполнена из металлического материала, например, титана, имеет первую лапу 114, которая образована как единое целое с ней и которая проходит от наружной лицевой поверхности 110b плиты (Фиг. 5 и 6). Также плита 110 имеет вторую лапу 115, которая установлена на нее с возможностью снятия и регулировки.
В данном варианте осуществления, гнездо 116, утопленное в наружной лицевой поверхности 110b плиты 110, принимает крепежное основание 1150 второй лапы 115. Таким образом, съемная вторая лапа 115 может быть установлена на плите 110 без возмущения потока. Основание 1150 включает в себя отверстие 1151 для прохождения одного из болтов для прикрепления плиты к наружному кожуху, причем боль также предназначен для прикрепления второй лапы 115 к плите 110. Отверстие 1151 выполнено с такими размерами, чтобы оставлять зазор относительно проходящего через него болта. Этот зазор предназначен для обеспечения регулировки положения, в котором вторая лапа 115 прикреплена к плите 110, для приспосабливания под отклонения формы стойки 120. В результате этого, для крепежной плиты 110 не требуется какая либо механическая обработка для приспосабливания, даже в случае умеренных отклонений формы и/или размеров стойки 120. В данном варианте осуществления, съемная лапа 115 также включает в себя элемент 1152 жесткости. Первая лапа 114 в этом примере также включает в себя элемент 1140 жесткости, проходящее от наружной поверхности 110b плиты 110.
Стойка 120 предпочтительно выполнена из композитного материала с керамической матрицей (CMC), то есть, термоконструкционного композитного материала, содержащего усиление, выполненное из жаростойкого волокна, такого как углеродное волокно или карбидокремниевое (SiC) волокно, уплотненное посредством матрицы, которая по меньшей мере частично является керамической, такой как SiC матрица. Примерами CMC материалов являются C/SiC композитные материалы (усиление из углеродного волокна и карбидная матрица), C/C SiC композитные материалы (из углеродного волокна и матрица, содержащая как углеродную фазу, обычно вблизи от волокна, так и карбидокремниевую фазу), SiC/SiC композитные материалы (как усилительное волокно, так и матрица выполнены из карбида кремния), и оксид/оксидные композитные материалы (как усилительное волокно, так и матрица выполнены из оксида алюминия).
Стойка 120 прикреплена к наружной части первой лапы 114 в двух точках посредством крепежных элементов (не показанных на Фиг. 4) типа болт-гайка или типа заклепки, проходящих через отверстия 1211 и 1140, предусмотренные соответственно в стенке 1210 стойки 120 и в первой лапе 114. Стойка 120 также прикреплена к наружной части второго съемной стойки 115 в одной точке посредством крепежного элемента (не показанного на Фиг. 4) типа болт-гайка или типа заклепки, проходящего через отверстие 1221, образованное в стенке 1220 стойки 120, и отверстие 1153, образованное во второй лапе 115.
Тепловой экран 130 также предпочтительно выполнен из CMC композитного материала. Он закреплен в полости 121 стойки 120 посредством четырех крепежных элементов (не показанных на Фиг. 4) типа болт-гайка или типа заклепки, проходящих через отверстия 1212 и 1222, образованные соответственно в стенках 1210 и 1220 стойки 120, и через отверстия 1311 и 1321, образованные соответственно в стенках 1310 и 1320 теплового экрана 130 (Фиг. 4).
Крепежная опора 140 для форсуночного кольца выполнена из металлического материала. В данном варианте осуществления, опора 140 выполнена из согнутого и сваренного металлического листа. Опора 140 содержит две крепежные язычки 141 и 142, которые предназначены для прикрепления соответственно к внутренней части и к наружной части форсуночного кольца, причем каждая крепежный язычок 141 и 142 включает в себя соответствующее отверстие 1410, 1420 для прохождения крепежного элемента типа болта. Также опора 140 включает в себя отверстие 1400 для прохождения и удерживания вентиляционной трубки 150. Крепежная опора 140 для форсуночного кольца прикреплена к внутренней части первой лапы 114 в двух точках посредством крепежных элементов (не показанных на Фиг. 4), проходящих через отверстия 1430 и 1440, предусмотренные соответственно в ветви 143 опоры 140 и в первой лапе 114. Опора 140 также прикреплена к внутренней части съемной второй стойки 115 в одной точке посредством крепежного элемента (не показанного на Фиг. 4), проходящего через отверстие 1440, образованное в ветви 144 опоры 140, и отверстие 1153, образованное во второй лапе 115.
Пустотелая деталь 170 для отбора давления выполнена из металлического материала. В данном варианте осуществления, деталь 170 включает в себя кожух 171, имеющий профиль овальной формы и образующий внутреннюю полость 172 (Фиг. 4 и 7). Внутренняя полость 172 закрыта концевой стенкой 173, закрепленной на одном уровне с нижним концом 170a детали 170, причем полость 172 открыта на одном уровне с верхним концом 170b детали 170. Деталь 170 также включает в себя отверстие 1710 вблизи от ее нижнего конца. Деталь 170 предназначена для обеспечения отбора статического давления во вторичном потоке воздуха, что в предшествующем уровне техники выполняется через полости в лапах, как описано выше для лап 841 и 842 переходника 84 стабилизатора пламени предшествующего уровня техники, показанного на Фиг. 3 Открытый верхний конец 170b детали 170 прикреплен, например, посредством сварки, к наружной лицевой поверхности 110b крепежной плиты 110 у овального отверстия 116, соответствующего форме профиля детали 170 (Фиг. 6). Конец 170b предназначен для взаимодействия с отверстием 116 для подачи к внутренней лицевой поверхности 11a плиты воздуха, который отбирается из вторичного потока через отверстие 1710.