КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПЕРЕДНИМ КОЛПАКОМ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОГО ПОТОКА, КОЛЬЦЕВОЙ СТЕНКОЙ, ОБРАЗУЮЩЕЙ КОЗЫРЕК ПЕРЕДНЕГО КОЛПАКА КАМЕРЫ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ВЫШЕУКАЗАННУЮ КАМЕРУ
COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE WITH FRONT CAP FOR DIVISION OF GAS FLOW, ANNULAR WALL FORMING PEAK OF FRONT CAP OF CHAMBER, GAS TURBINE ENGINE CONTAINING ABOVE CHAMBER

Настоящее изобретение касается камеры сгорания газотурбинного двигателя с передним колпаком, разделяющим газовый поток, кольцевой стенки, образующей козырек переднего колпака камеры, и газотурбинного двигателя, содержащего такую камеру.
Турбореактивный двигатель содержит от входа к выходу по направлению потока газов, вентилятор, одну или несколько ступеней компрессоров, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбин и выпускную трубу. Под терминами «наружный» и «внутренний» следует понимать радиально наружное и радиально внутреннее положение относительно оси турбореактивного двигателя. Под терминами «внешний» и «внутренний» следует понимать внешнюю сторону и внутреннюю сторону камеры сгорания.
Как показано на фиг.1, на которой изображена камера 1 сгорания из предшествующего уровня техники, камера 1 сгорания, как правило, выполнена кольцевой вокруг оси турбореактивного двигателя. В своем переднем участке она содержит дно 2 камеры с системами впрыска, питаемыми топливом от форсунок 3, соединенных с топливным трубопроводом 4. Системы впрыска распределены вдоль дна 2 камеры. Газ первичного потока поступает на вход камеры 1 через диффузор 5, начиная от которого газовый поток разделяется на поток 6, проходящий в камеру 1 сгорания для обеспечения сгорания топлива, впрыскиваемого форсункой 3, и называемый рабочим потоком 6, на поток 7 внешнего обтекания входа камеры 1 и на поток 8 внутреннего обтекания входа камеры 1. Потоки 7, 8 обтекания входа камеры служат для охлаждения, в частности, камеры 1.
Разделение первичного газового потока происходит на уровне колпака 9. Этот колпак 9 содержит две детали, называемые наружным козырьком 10 и внутренним козырьком 11. Наружный козырек 10 выполнен в виде кольцевого листа, выгнутого в сторону входа, который закреплен на камере 1 сгорания на уровне заднего участка 15 наружной поверхности и внутренний передний край 12 которого образует загиб в сторону выхода, образуя, таким образом, аэродинамическую поверхность разделения на внешний поток 7 обтекания и рабочий поток 6.
Наружный 10 и внутренний 11 козырьки закреплены с внешней стороны соответственно наружной стенки 31 и внутренней стенки 32 камеры 1 сгорания на уровне их заднего участка 15, 16 наружной поверхности соответственно при помощи болтов 14. Таким образом, наружный 10 и внутренний 11 козырьки установлены консольно на камере 1 сгорания.
Камера сгорания подвергается воздействию вибраций, в частности, во время процесса сгорания и в режиме работы двигателя. Вследствие этого вибрации действуют также на козырьки 10, 11, в частности, на наружный козырек 10. Козырьки 10, 11 подвергаются также воздействию других частот динамического возбуждения, в частности, некоторых гармонических частот в режиме вращения вращающихся узлов турбореактивного двигателя. Установленные консольно козырьки 10, 11 могут иметь режимы резонанса, близкие к вышеуказанным частотам, и, следовательно, подвергаются сильным механическим динамическим напряжениям. Отсюда возникает опасность разрыва или возникновения трещин в козырьках 10, 11.
Было предложено несколько решений этой проблемы.
Первое решение состоит в использовании амортизационного кольца, установленного в загибе 12, 13 козырьков 10, 11 (или только наружного козырька, который наиболее подвержен воздействию вибрационных напряжений); для этого загиб 12, 13 наматывают вокруг кольца для его крепления. Трение, возникающее из-за присутствия кольца, производит амортизирующий эффект и, следовательно, эффект сдвига частот резонансных режимов козырьков 10, 11, который позволяет им удалиться от вибрационных частот, действующих на козырьки 10, 11. Однако такое устройство имеет недостаток, заключающийся в низкой механической прочности. Существует опасность ослабления кольца и даже разрыва (из-за действующих на него вибраций), которая снижает и даже сводит на нет его эффективность.
Второе решение состоит в использовании моноблочного колпака 9, который в этом случае называют капотом. В данном случае наружный 10 и внутренний 11 козырьки выполняют в виде единой детали с лапками соединения между ними на уровне их внутренних передних краев 12, 13. Такое устройство имеет два недостатка. Прежде всего, наличие соединительных лапок между козырьками 10, 11 уменьшает сечение для прохождения рабочего потока 6: известно, что это сечение должно быть максимально большим, чтобы способствовать прохождению этого потока и тем самым обеспечивать наилучший КПД сгорания. Во-вторых, между лапками следует выполнять выемки путем лазерной резки, причем эти выемки должны по своему контуру повторять форму загибов 12, 13. Выполнение такого капота является очень сложным и, следовательно, дорогим.
Задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков и разработка колпака, достаточно прочного по отношению к вибрационным воздействиям, соответствующего аэродинамическим критериям разделения потока при максимальном сечении канала для прохождения рабочего потока 6, при этом колпак должен быть простым и недорогим в изготовлении.
В этой связи объектом настоящего изобретения является кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя с наружной кольцевой стенкой и внутренней кольцевой стенкой, содержащая передний колпак, разделяющий газовый поток на входе камеры на рабочий поток и на поток обтекания входа камеры, при этом колпак содержит кольцевую стенку, образующую козырек, который содержит задний участок крепления к стенке камеры и передний участок, образующий край сечения канала для прохождения рабочего потока, отличающаяся тем, что передний участок продолжен, по меньшей мере, одним дополнительным задним участком крепления к стенке камеры.
Благодаря изобретению кольцевая стенка, образующая козырек, которая закреплена, с одной стороны, на уровне заднего участка крепления, с другой стороны, на уровне дополнительного заднего участка крепления, выполненного заодно со своим передним участком, имеет повышенную жесткость, что увеличивает частоту ее резонансных режимов, которые не совпадают с вибрационными частотами, действующими на фланец. Эффект консольности ослабляется. Кроме того, такой козырек обладает механической прочностью, что позволяет избежать недостатков, связанных с наличием кольца, и одновременно позволяет выполнить колпак разделения воздушного потока на входе камеры в виде наружного козырька и внутреннего козырька, сохраняя, таким образом, оптимальное сечение канала прохождения рабочего потока.
Предпочтительно задний участок крепления козырька крепится с внешней стороны стенки камеры, а дополнительный задний участок крепления козырька крепится с внутренней стороны стенки камеры.
В этом случае, поскольку камера сгорания содержит дно камеры, дополнительный задний участок крепления предпочтительно крепят на фланце дна камеры, который закреплен на стенке камеры с ее внутренней стороны.
Предпочтительно крепление заднего участка крепления козырька, камеры сгорания и дополнительного заднего участка крепления козырька осуществляют при помощи крепежных болтов.
В этом случае крепление фланца дна камеры предпочтительно осуществляют также при помощи крепежных болтов.
Согласно первому варианту выполнения дополнительный задний участок крепления содержит заднюю стенку с задним участком крепления на стенке камеры.
В частном варианте выполнения эта задняя стенка содержит выемки.
Согласно второму варианту выполнения дополнительный задний участок крепления содержит крепежные лапки, выполненные, начиная от переднего края, содержащие задний участок крепления к стенке камеры.
Согласно третьему варианту выполнения дополнительный задний участок крепления содержит усилительные лапки, соединенные задним буртиком, на котором выполнены лапки крепления к стенке камеры.
Настоящее изобретение касается также кольцевой стенки, образующей козырек переднего колпака описанной выше камеры сгорания.
Изобретение касается также газотурбинного двигателя, содержащего описанную выше камеру сгорания.
Предпочтительно, именно кольцевую стенку, образующую наружный козырек переднего колпака камеры сгорания, выполняют в соответствии с настоящим изобретением, так как она является наиболее подверженной воздействию вибрационных напряжений. Изобретение применяется также для внутреннего козырька.
Изобретение описано в связи с использованием в турбореактивном двигателе, однако, может быть использовано в любом газотурбинном двигателе, содержащего камеру сгорания.
Изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения колпака со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:
Фиг.1 изображает схематичный вид в разрезе камеры сгорания из предшествующего уровня техники.
Фиг.2 - вид сзади в изометрии в частичном разрезе первого варианта выполнения колпака в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - вид сзади в изометрии в частичном разрезе колпака, показанного на фиг.2, закрепленного на камере сгорания.
Фиг.4 - вид сзади в изометрии в частичном разрезе второго варианта выполнения колпака в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 - вид сзади в изометрии в частичном разрезе колпака, показанного на фиг.4, закрепленного на камере сгорания.
Фиг.6 - вид сзади в изометрии в частичном разрезе третьего варианта выполнения колпака в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.7 - вид сзади в изометрии в частичном разрезе колпака, показанного на фиг.6, закрепленного на камере сгорания.
В описанных ниже трех вариантах выполнения колпака 9 в соответствии с настоящим изобретением выполнена только кольцевая стенка, образующая наружный козырек колпака 9 камеры сгорания, а кольцевая стенка, образующая внутренний козырек, соответствует известным решениям, поскольку именно наружный козырек больше всего подвергается воздействию вибрационных напряжений. Внутренний козырек также может быть выполнен в соответствии с настоящим изобретением путем простого переноса на внутренний козырек характеристик наружного козырька.
В нижеследующем описании аналогичные элементы турбореактивного двигателя обозначены теми же позициями, что и на фиг.1. В частности, для упрощения передний колпак 9 камеры 1 сгорания, содержащий наружный козырек и внутренний козырек, обозначен той же позицией «9». Это же относится и к внутреннему козырьку 11, аналогичному внутреннему козырьку 11, показанному на фиг.1, и к элементам, общим для разных вариантов выполнения внутренних козырьков.
Как показано на фиг.2 и 7, и согласно описанным трем вариантам выполнения наружный козырек 20, 20', 20'' выполнен из листа постоянной толщины (благодаря этому снижаются затраты и упрощается изготовление). Этот лист может быть выполнен из любого подходящего материала, например из того же материала, что и стенки камеры сгорания, в данном случае из сплава на основе никеля или кобальта.
Наружный козырек 20, 20', 20'' содержит переднюю кольцевую стенку 21, разделяющую первичный газовый поток на рабочий поток 6 и на поток 7 обтекания, в данном случае наружный, входа камеры 1 сгорания. Эта передняя стенка 21 имеет площадь, аналогичную площади козырьков из предшествующего уровня техники, и служит для эффективного разделения первичного газового потока.
С задней и наружной стороны передняя стенка 21 содержит задний участок 22 крепления к наружной стенке 31 камеры 1 сгорания, в данном случае с ее внешней стороны. Этот задний участок 22 в данном случае выполнен плоским путем сгибания листа с задней стороны точно так же, как и в известных решениях. Он содержит отверстия 23 для болта, не показанного на чертеже, для его крепления к наружной стенке 31 камеры 1 сгорания, которая содержит соответствующие отверстия 33 для крепежных болтов.
С передней и внутренней стороны передняя стенка 21 наружного козырька 20, 20', 20'' содержит передний участок 24, загнутый в сторону выхода, называемый передним краем 24, образующий край сечения канала для прохождения рабочего потока 6, в данном случае наружный край этого сечения. Этот передний край 24 с задней стороны продолжен дополнительным задним участком 25 крепления к стенке камеры 1 сгорания, в данном случае к наружной стенке 31, который называется дополнительным задним участком 25 крепления.
В первом варианте выполнения, показанном на фиг.2 и 3, дополнительный задний участок 25 крепления содержит заднюю кольцевую стенку 26, выполненную сзади передней стенки 21. Эта задняя кольцевая стенка 26 начинается от переднего края 24 и неподвижно с ним соединена, в данном случае, будучи выполненной с ним в виде единой детали. В частности, начиная от переднего края 24, загнутого в сторону выхода, находится плоский участок 27, затем передний край 28, загнутый наружу, от которого наружу и в сторону выхода выполнена задняя кольцевая стенка 26, за передней стенкой 21. Задняя кольцевая стенка 26 содержит плоский задний участок 29 крепления, загнутый в сторону выхода, в данном случае параллельный заднему участку 22 крепления козырька 20, выполненному заодно с передней стенкой 21, и находящийся внутри относительно этой стенки. Задний участок 29 крепления задней кольцевой стенки 26 содержит отверстия 30 для болта, не показанного на чертеже, для его крепления к наружной стенке 31 камеры 1 сгорания, при этом каждое отверстие выполнено коаксиально с соответствующим отверстием 23 заднего участка 22 крепления передней стенки 21.
Как показано на фиг.3, задний участок 29 крепления задней кольцевой стенки 26 закреплен на наружной стенке 31 камеры 1 сгорания, с ее внутренней стороны. В частности, он крепится к фланцу 34 дна 2 камеры с его внутренней стороны, при этом сам фланец крепится непосредственно к внутренней поверхности наружной стенки 31 камеры 1 сгорания. Этот фланец 34 содержит соответствующие отверстия для крепежных болтов. Каждый крепежный болт проходит снаружи внутрь и участвует таким образом в креплении заднего участка 22 крепления передней стенки 21 козырька 20, наружной стенки 31 камеры 1 сгорания, фланца 34 дна 2 камеры и заднего участка 29 крепления задней кольцевой стенки 26 козырька 20.
В данном случае крепление наружного козырька 20 выполняют, во-первых, с наружной стороны наружной стенки 31 камеры 1 сгорания, в случае заднего участка 22 крепления передней стенки 21, во-вторых, с внутренней стороны наружной стенки 31 камеры 1 сгорания, в случае заднего участка 29 крепления задней стенки 26. Можно предусмотреть любую другую конструкцию, в которой наружный козырек 20 крепится к наружной стенке 31 камеры 1, с одной стороны, на уровне заднего участка 22 крепления его передней стенки 21, с другой стороны, на уровне его дополнительного заднего участка 25 крепления, продолжающего его передний край 24. В частности, нет необходимости в том, чтобы крепление этих деталей обеспечивало также крепление фланца 34 дна 2 камеры. В данном случае крепление осуществляют при помощи болтов, однако можно предусмотреть любой другой вариант крепления, например, при помощи сварки, клепки и т.д.
В рассматриваемом случае задняя кольцевая стенка 26 содержит выемки 36, распределенные вдоль ее окружности и выполненные для уменьшения ее массы. Однако задняя кольцевая стенка 26 может быть сплошной. В этом случае жесткость и механическая прочность наружного козырька 20 повышаются, тогда как в случае попадания инородного тела, которое может нанести удар по передней стенке 21 и вызвать ее поломку, задняя кольцевая стенка 26 может выполнять функцию запасной стенки.
Благодаря дополнительному заднему участку 25 крепления наружного козырька 20, закрепленному на наружной стенке 31 камеры 1, повышается жесткость наружного козырька 20, что приводит к сдвигу значений частоты его резонансных режимов, которые, таким образом, удаляются от вибрационных частот, действующих на наружный козырек 20. Таким образом, наружный козырек 20 подвергается меньшим вибрационным напряжениям и, кроме того, имеет большую общую прочность. Повышается его динамическая стойкость. Ослабляются консольные эффекты. Кроме того, сохраняется аэродинамическая функция разделения первичного газового потока, так как поверхность, которую он встречает на своем пути, то есть передняя поверхность передней стенки 21 является такой же, что и для наружных козырьков 20 из известных решений. Кроме того, колпак 9 образован двумя козырьками 20, 11, что обеспечивает оптимальное сечение канала для прохождения рабочего потока 6.
Во втором варианте выполнения, показанном на фиг.4 и 5, дополнительный задний участок 25 крепления содержит множество крепежных лапок 37, образующих также усиления и выполненных, начиная от переднего края 27 наружного козырька 20', заодно с ним, в данном случае в виде единой детали. В частности, начиная от переднего края 24, загнутого в сторону выхода, выполнен плоский участок 27, затем второй край 28, загнутый симметрично переднему краю 24, начиная от которого наружу и в сторону выхода выполнены лапки 37 за передней стенкой 21 наружного козырька 20'.
Лапки 37 равномерно распределены в угловом направлении вдоль окружности второго края 28 или заднего внутреннего края 28 напротив отверстий 23 заднего участка 22 крепления наружного козырька 20', выполненного заодно с его передней стенкой 21. Каждая крепежная лапка 37 содержит плоский задний участок 38 крепления, загнутый в сторону входа, в данном случае параллельный заднему участку 22 крепления передней стенки 21 козырька 20' и выполненный внутри относительно этого участка. Задний участок 38 крепления каждой крепежной лапки 37 содержит отверстие 39 для прохождения болта, не показанного на чертеже, для крепления лапки 37 к наружной стенке 31 камеры 1 сгорания, выполненное коаксиально с соответствующим отверстием 23 заднего участка 22 крепления передней стенки 21.
Как показано на фиг.5, крепежные лапки 37 закреплены на уровне их заднего участка 38 крепления на наружной стенке 31 камеры 1 сгорания с ее внутренней стороны. В частности, они крепятся к фланцу 34 дна 2 камеры с его внутренней стороны, а сам фланец крепится непосредственно на внутренней поверхности наружной стенки 31 камеры 1 сгорания. Фланец 34 содержит соответствующие отверстия 35 для крепежных болтов. Каждый крепежный болт проходит снаружи внутрь и, таким образом, участвует в креплении заднего участка 22 крепления передней стенки 21 козырька 20', наружной стенки 31 камеры 1 сгорания, фланца 34 дна 2 камеры и заднего участка 38 крепления крепежных лапок 37 козырька 20'.
В данном случае крепление наружного козырька 20' осуществляют, во-первых, с внешней стороны наружной стенки 31 камеры 1 сгорания, в случае заднего участка 22 крепления передней стенки 21, во-вторых, с внутренней стороны наружной стенки 31 камеры 1 сгорания, в случае заднего участка 38 крепления крепежных лапок 37. Можно предусмотреть любую другую конструкцию, в которой наружный козырек 20' крепится к наружной стенке 31 камеры 1, с одной стороны, на уровне заднего участка 22 крепления его передней стенки 21, с другой стороны, на уровне его дополнительного заднего участка 25 крепления, продолжающего его передний край 24. В частности, нет необходимости в том, чтобы крепление этих деталей обеспечивало также крепление фланца 34 дна 2 камеры. В данном случае крепление осуществляют при помощи болтов, однако можно предусмотреть любой другой вариант крепления, например, при помощи сварки, клепки и т.д.
Также, благодаря дополнительному заднему участку 25 крепления наружного козырька 20', закрепленному на наружной стенке 31 камеры 1 сгорания, повышается жесткость наружного козырька 20', и козырек 20' меньше подвергается вибрационным напряжениям. Кроме того, он становится более прочным, и повышается его динамическая стойкость. Ослабляются консольные эффекты. Кроме того, сохраняется аэродинамическая функция разделения первичного газового потока при оптимальном сечении канала прохождения рабочего потока 6. Отмечается, что дискретное распределение крепежных лапок 37 обеспечивает более простую установку на место наружного козырька 20' по сравнению с первым вариантом выполнения, в котором задний участок 29 крепления выполнен сплошным. Вместе с тем жесткость дополнительного заднего участка 25 крепления меньше, чем в первом варианте выполнения.
В третьем варианте выполнения, показанном на фиг.6 и 7, дополнительный задний участок 25 крепления содержит множество лапок 40, образующих усиления, выполненных, начиная от переднего края 24 наружного козырька 20” заодно с ним, в данном случае в виде единой детали с козырьком, и соединенных между собой на задних наружных концах кольцевым буртиком 41, содержащим множество крепежных лапок 42 или фестонов, направленных в сторону входа. В частности, от переднего края 24, загнутого в сторону выхода, выполнен плоский участок 27, затем второй край 28, загнутый симметрично переднему краю 24, начиная от которого наружу и в сторону выхода выполнены лапки 40, за передней стенкой 21 наружного козырька 20''. На своих задних концах лапки 40 соединены кольцевым буртиком 41, загнутым в сторону входа. На кольцевом буртике 41 выполнено множество крепежных лапок 42, выполненных плоскими и направленных в сторону входа, в данном случае параллельно заднему участку 22 крепления передней стенки 21 козырька 20'', и находящихся внутри относительно этого козырька.
Усилительные лапки 40 равномерно распределены в угловом направлении вдоль окружности второго края 28. Каждая крепежная лапка 42 расположена в угловом направлении между двумя усилительными лапками 40, в данном случае на равном удалении от этих усилительных лапок 40, и находится напротив отверстия 42 заднего участка 22 крепления передней стенки 21. Каждая крепежная лапка 42 содержит отверстие 43 для прохождения болта, не показанного на чертеже, для крепления лапки 42 к наружной стенке 31 камеры 1 сгорания, выполненное коаксиально с соответствующим отверстием 23 заднего участка 22 крепления передней стенки 21.
Как показано на фиг.7, крепежные лапки 42 крепятся к наружной стенке 31 камеры 1 сгорания с ее внутренней стороны. В частности, их крепят к фланцу 34 дна 2 камеры с его внутренней стороны, а сам фланец крепят непосредственно к внутренней поверхности наружной стенки 31 камеры 1 сгорания. Этот фланец 34 содержит соответствующие отверстия для крепежных болтов. Каждый крепежный болт проходит снаружи внутрь и участвует, таким образом, в креплении заднего участка 22 крепления передней стенки 21 козырька 20'', наружной стенки 31 камеры 1 сгорания, фланца 34 дна 2 камеры и крепежных лапок 42 козырька 20''.
В данном случае крепление наружного козырька 20'' осуществляют, во-первых, с внешней стороны наружной стенки 31 камеры 1 сгорания, в случае заднего участка 22 крепления передней стенки 21, во-вторых, с внутренней стороны наружной стенки 31 камеры 1 сгорания, в случае крепежных лапок 42. Можно предусмотреть любую другую конструкцию, в которой наружный козырек 20'' крепится к наружной стенке 31 камеры 1, с одной стороны, на уровне заднего участка 22 крепления его передней стенки 21, с другой стороны, на уровне его дополнительного заднего участка 25 крепления, продолжающего его передний край 24. В частности, нет необходимости в том, чтобы крепление этих деталей обеспечивало также в креплении фланца 34 дна 2 камеры. В данном случае крепление осуществляют при помощи болтов, однако можно предусмотреть любой другой вариант крепления, например, при помощи сварки, клепки и т.д.
Благодаря дополнительному заднему участку 25 крепления наружного козырька 20'', закрепленному на наружной стенке 31 камеры 1 сгорания, повышается жесткость наружного козырька 20'', и козырек 20'' меньше подвергается вибрационным напряжениям. Кроме того, он становится более прочным, и повышается его динамическая стойкость. Ослабляются консольные эффекты. Кроме того, сохраняется аэродинамическая функция разделения первичного газового потока при оптимальном сечении канала прохождения рабочего потока 6.
Указанный третий вариант выполнения является в некотором роде промежуточным между двумя первыми вариантами выполнения с креплением при помощи дискретно распределенных лапок 42, что облегчает установку на место козырька 20'', но конструкция при этом становится более жесткой, чем во втором варианте выполнения, за счет буртика 41, соединяющего усилительные лапки 40. Чередование усилительных лапок 40 и крепежных лапок 42 в угловом направлении обеспечивает лучшее распределение усилий.
Можно также предусмотреть другие варианты выполнения, в которых наружный козырек содержит задний участок 22, выполненный заодно с его передней стенкой 21, для крепления к наружной стенке 31 камеры 1 сгорания и дополнительный задний участок 25 крепления, продолжающий передний край 24 его передней стенки 21, для крепления к этой же наружной стенке 31.