УЗЕЛ ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩИЙ ВКЛАДЫШ И КОЛЬЦЕВОЙ ЭЛЕМЕНТ
ASSEMBLY FOR COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE, WHICH CONTAINS INSERT AND ANNULAR ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к общей области камер сгорания газотурбинных двигателей и, в частности, к креплению жаровой трубы в камере сгорания газотурбинного двигателя.
Уровень техники
Как правило, газотурбинный двигатель содержит от входа к выходу в направлении потока газов вентилятор, одну или несколько ступеней компрессоров, например, компрессор высокого давления и компрессор низкого давления, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбин, например, турбину высокого давления и турбину низкого давления, и сопло выпуска газов.
На фиг. 1 в продольном разрезе показана известная камера 1 сгорания.
Вход камеры 1 сгорания соединен с компрессором (не показан), от которого в камеру 1 сгорания поступает сжатый воздух через диффузор (не показан), а выход камеры сгорания соединен с сопловым аппаратом 2.
Камера 1 сгорания ограничена кольцевым наружным картером 3, который проходит вдоль продольной оси 5. Наружный картер 3 закреплен на наружном кожухе газотурбинного двигателя (не показан).
Камера 1 сгорания содержит «жаровую трубу» или «жаровую трубу» 7, в которой происходит сгорание газов.
Жаровая труба 7 окружена кольцевым каналом питания воздухом, который отделен от нее стенкой 8 в основном тороидальной формы.
В примере, представленном на фиг. 1, жаровая труба 7 является трубой «противоточной», и стенка 8 имеет изогнутую кольцевую форму, позволяющую направлять газовый поток от выхода газотурбинного двигателя к входу в турбину. Газы проходят последовательно от выхода к входу, а затем опять к выходу камеры 1 сгорания. На уровне вершины жаровой трубы 7 обычно установлены форсунки.
Жаровая труба 7 соединена с камерой 1 сгорания при помощи крепежных пальцев 9, каждый из которых расположен радиально в сквозном входном отверстии 10, выполненном в наружном картере 3, и в сквозном приемном отверстии 11, выполненном в стенке 8 жаровой трубы 7 напротив входного отверстия 10. Эти крепежные пальцы 9 обеспечивают удержание жаровой трубы 7 внутри камеры 1 сгорания.
Приемные отверстия 11 оснащены, каждое, вкладышем 12, имеющим трубчатый корпус 13, внутри которого установлен с возможностью скольжения соответствующий крепежный палец таким образом, что, когда жаровая труба 7 расширяется по причине высокой температуры при горении газов, корпус 13 вкладыша 12 перемещается скольжением вдоль крепежного пальца 9. Кроме того, на одном из своих концов каждый из вкладышей 12 содержит кольцевой фланец 14, герметично скрепленный встык при помощи способа сварки TIG (на английском языке “Tungsten Inert Gas”) с приемным отверстием 11 стенки 8 жаровой трубы 7.
Однако использование таких вкладышей 12 связано с рядом проблем.
В частности, операция крепления сваркой вкладышей 12 на стенке 8 жаровой трубы 7 сопровождается деформациями вкладышей 12 и стенки 8 жаровой трубы 7, что требует после операции сварки выполнения операций вытяжки и повторной механической обработки корпусов 13 вкладышей 12 для обеспечения точного позиционирования жаровой трубы 7 относительно наружного картера 3.
Кроме того, кольцевой фланец 14 вкладышей 12 в основном является плоским, и его трудно адаптировать к скругленному профилю стенки 8 жаровой трубы 7, поэтому вкладыши 12 не позволяют точно позиционировать жаровую трубу 7 по отношению к наружному картеру 3 без повторной механической обработки корпусов 13 вкладышей 12.
Кроме того, после операции сварки необходимо произвести термическую обработку и осуществить не деструктивный контроль вкладышей 12 и жаровой трубы 7.
Эти дополнительные операции значительно усложняют процесс изготовления камеры 1 сгорания и приводят к ее удорожанию.
Наконец, трения между корпусами 13 вкладышей 12 и крепежными пальцами 9, возникающие, когда жаровая труба 7 расширяется от температуры при горении газов и когда корпуса 13 вкладышей 12 перемещаются скольжением вдоль крепежных пальцев 9, приводят к износу вкладышей 12.
Изношенные вкладыши 12 заменяют во время операций обслуживания. Например, изношенные вкладыши 12 можно отрезать при помощи лазера, затем устанавливают новые вкладыши 12 и крепят их сваркой на приемных отверстиях 11 стенки 8 жаровой трубы 7. После этого необходимо опять осуществлять операции вытяжки на жаровой трубе 7 и на новых вкладышах 12, повторную механическую обработку корпусов 13 новых вкладышей 12, термическую обработку и не деструктивный контроль новых вкладышей 12 и жаровой трубы 7.
Таким образом, замена таких вкладышей 12 является исключительно трудоемкой и дорогой.
Раскрытие сущности изобретения
Задача изобретения состоит в устранении вышеприведенных недостатков за счет создания узла для камеры сгорания, содержащего вкладыш и кольцевой элемент, обеспечивающий точное позиционирование жаровой трубы в камере сгорания и в то же время позволяющий уменьшить сложность и снизить расходы на изготовление камеры сгорания.
В частности, объектом изобретения является узел для камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащий:
- вкладыш для камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащий трубчатый корпус, выполненный с возможностью захождения в приемное отверстие, выполненное в кольцевой стенке жаровой трубы, и с возможностью установки в нем стержня пальца крепления жаровой трубы на наружном картере, при этом первый конец вкладыша содержит кольцевой фланец, выполненный с возможностью блокировки радиального поступательного движения вкладыша в первом направлении, и второй конец вкладыша выполнен с возможностью запрессовки на стенке жаровой трубы таким образом, чтобы блокировать радиальное поступательное движение вкладыша во втором направлении, и
- кольцевой элемент, выполненный с возможностью установки коаксиально с приемным отверстием и в радиальном контакте с кольцевой стенкой жаровой трубы, с одной стороны, и с кольцевым фланцем вкладыша, с другой стороны.
Объектом изобретения является также камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая:
- наружный кольцевой картер, расположенный вдоль продольной оси,
- жаровую трубу, расположенную внутри наружного картера и содержащую кольцевую стенку, проходящую в основном вдоль продольной оси, при этом стенка содержит по меньшей мере одно приемное отверстие, выполненное напротив наружного картера,
- по меньшей мере один палец крепления жаровой трубы на наружном картере, содержащий стержень, проходящий через приемное отверстие,
- по меньшей мере один вкладыш, при этом вкладыш содержит трубчатый корпус, который заходит в приемное отверстие и в котором установлен стержень пальца крепления, при этом первый конец вкладыша содержит кольцевой фланец, выполненный с возможностью блокировки радиального поступательного движения вкладыша в первом направлении, и второй конец вкладыша выполнен с возможностью запрессовки на стенке жаровой трубы таким образом, чтобы блокировать радиальное поступательное движение вкладыша во втором направлении,
- по меньшей мере один кольцевой элемент (39), выполненный с возможностью установки коаксиально с приемным отверстием (29) и в радиальном контакте с кольцевой стенкой (25) жаровой трубы, с одной стороны, и с кольцевым фланцем (35) вкладыша (32), с другой стороны.
Предпочтительно кольцевой элемент закреплен посредством сварки в одной или нескольких точках на стенке жаровой трубы.
Предпочтительно кольцевой элемент расположен напротив наружной поверхности стенки жаровой трубы, и второй конец запрессован на внутренней поверхности жаровой трубы.
Предпочтительно кольцевой элемент имеет поверхность контакта со стенкой жаровой трубы, соответствующую по форме стенке жаровой трубы.
Предпочтительно кольцевой элемент содержит кольцевой поясок, образующий поверхность контакта со стенкой жаровой трубы, при этом кольцевой поясок имеет плоский срез, предназначенный для указания оператору ориентации профиля контактной поверхности кольцевого элемента.
Объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий описанную выше камеру сгорания.
Объектом изобретения является также способ изготовления камеры сгорания газотурбинного двигателя, содержащей наружный кольцевой картер, расположенный вдоль продольной оси, и жаровую трубу, расположенную внутри наружного картера и содержащую кольцевую стенку, проходящую в основном вдоль продольной оси, при этом способ содержит следующие этапы:
- выполняют по меньшей мере одно приемное отверстие в стенке жаровой трубы напротив наружного картера,
- устанавливают по меньшей мере один кольцевой элемент коаксиально с приемным отверстием или одним из приемных отверстий на стенке жаровой трубы,
- в приемное отверстие или приемные отверстия и в соответствующий кольцевой элемент или кольцевые элементы (39) вставляют вкладыш, содержащий на первом конце кольцевой фланец, выполненный с возможностью блокировки радиального поступательного движения вкладыша или вкладышей в первом направлении, таким образом, чтобы кольцевой фланец (35) вкладыша или вкладышей (32) опирался на кольцевой элемент или кольцевые элементы (39),
- второй конец вкладыша или вкладышей запрессовывают на стенке жаровой трубы таким образом, чтобы блокировать радиальное поступательное движение вкладыша или вкладышей во втором направлении.
Предпочтительно после этапа запрессовки вкладыша или вкладышей способ содержит этап крепления сваркой кольцевого элемента или кольцевых элементов в одной или нескольких точках на стенке жаровой трубы.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 (уже описана) показана известная камера сгорания, вид в продольном разрезе;
на фиг. 2 показана камера сгорания согласно варианту осуществления изобретения, вид в продольном разрезе;
на фиг. 3 показан вкладыш жаровой трубы камеры сгорания, изображенной на фиг. 2, детальный вид в разрезе;
на фиг. 4 представлена блок-схема способа изготовления камеры сгорания согласно варианту осуществления изобретения;
на фиг. 5, 6 и 7 показан, на каждой, соответствующий этап способа изготовления, представленного на фиг. 4;
на фиг. 8 показана блок-схема способа замены вкладыша камеры сгорания, изготовленной при помощи способа, представленного на фиг. 4;
на фиг. 9 и 10 показан, на каждой, соответствующий этап способа, представленного на фиг. 8.
Осуществление изобретения
На фиг. 2 в продольном разрезе показана камера 20 сгорания газотурбинного двигателя согласно варианту осуществления изобретения.
Вход в камеру 20 сгорания соединен с компрессором (не показан), от которого в камеру сгорания 20 поступает сжатый воздух через диффузор (не показан), а на выходе камера сгорания соединена с сопловым аппаратом.
Камера 20 сгорания ограничена наружным кольцевым картером 21, расположенным вдоль продольной оси 23.
Кроме того, камера 20 сгорания содержит жаровую трубу 24, имеющую стенку 25 в основном тороидальной формы, проходящую вдоль продольной оси 23. Стенка 25 проходит на расстоянии от наружного картера 21, образуя кольцевой канал питания воздухом.
В примере, представленном на фиг. 2, жаровая труба 24 является противоточной трубой, и стенка 25 имеет изогнутую кольцевую форму, позволяющую направлять газовый поток от выхода газотурбинного двигателя к входу в турбину. При этом поток газов проходит последовательно от выхода к входу, затем опять в сторону выхода камеры 20 сгорания. На уровне вершины жаровой трубы 24 обычно установлены форсунки.
Согласно варианту (не показан), жаровая труба является прямоточной трубой и содержит кольцевые стенки, имеющие форму тела вращения, соединенные на уровне входного конца дном, и обтекатель, содержащий отверстия для прохождения топливных форсунок, установленных на камере сгорания.
Камера 20 сгорания содержит крепежный палец 26, выполненный с возможностью соединения стенки 25 жаровой трубы 24 с наружным картером 21.
Для этого крепежный палец 26 содержит стержень 27, проходящий радиально через сквозное входное отверстие 28, выполненное в наружном картере 21, и через сквозное приемное отверстие 29, выполненное в стенке 25 жаровой трубы 24 напротив входного отверстия 28, и головку 30, расположенную в положении упора в наружную поверхность 31 наружного картера 21.
Кроме того, камера 20 сгорания содержит вкладыш 32, имеющий трубчатый корпус 33, расположенный в приемном отверстии 29, в который заходит стержень 27 крепежного пальца 26. Стержень 27 установлен с возможностью перемещения скольжением в корпусе 33 вкладыша 32 так, что, когда жаровая труба 24 расширяется, корпус 33 вкладыша 32 перемещается скольжением вдоль стержня 27.
Вкладыш 32 выполнен, например, из никеля, кобальта или хрома.
Вкладыш 32, показанный на фиг. 2, более детально представлен на фиг. 3, в положении перед установкой стержня 27 крепежного пальца 26 во вкладыш 32.
Предпочтительно наружный диаметр D1 корпуса 33 вкладыша 32 по существу равен диаметру соответствующего ему приемного отверстия 29.
Первый открытый конец 34 вкладыша 32 образован кольцевым фланцем 35, выполненным с возможностью блокировать радиальное поступательное движение вкладыша 32 относительно продольной оси 23 в первом направлении А, когда вкладыш 32 вставлен в соответствующее приемное отверстие 29. Как показано на фиг. 3, наружная поверхность корпуса 33 вкладыша 32 сопрягается с кольцевым фланцем 35, например, через переходную поверхность, и внутренняя поверхность корпуса 33 вкладыша 32 сопрягается с кольцевым фланцем 35, например, через закругление.
В примере, представленном на фиг. 2 и 3, кольцевой фланец 35 вкладыша 32 расположен напротив наружной поверхности 36 стенки 25 жаровой трубы 24. Таким образом, кольцевой фланец 35 блокирует радиальное поступательное движение вкладыша 32 внутрь жаровой трубы 24.
Противоположно кольцевому фланцу 35 вкладыш 32 содержит также второй конец 37, запрессованный на стенке 25 жаровой трубы 24 таким образом, что блокирует радиальное поступательное движение вкладыша во втором направлении В, противоположном первому направлению А. Предпочтительно второй конец 37 запрессован на стенке 25 жаровой трубы 24 по всей своей окружности.
В примере, представленном на фиг. 2, второй конец 37 вкладыша 32 запрессован на внутренней поверхности 38 жаровой трубы 24. Таким образом, запрессованный конец 37 вкладыша 32 блокирует радиальное поступательное движение вкладыша 32 наружу жаровой трубы 24.
Предпочтительно, когда второй конец 37 вкладыша запрессовывают на стенке 25 жаровой трубы 24, он следует форме стенки 25 жаровой трубы 24. В примере, представленном на фиг. 3, второй конец 37 вкладыша 32 изогнут таким образом, что прилегает к вогнутой внутренней поверхности 38 стенки 25 жаровой трубы 24. Вкладыш 32, установленный таким образом в приемное отверстие 29 стенки 25 жаровой трубы 24, обеспечивает точное позиционирование жаровой трубы 24 относительно наружного картера 21, поэтому нет необходимости в его креплении сваркой на стенке 25 жаровой трубы 24.
Камера 20 сгорания содержит также кольцевой элемент 39, расположенный коаксиально с соответствующим приемным отверстием 29 в радиальном контакте относительно продольной оси 23 со стенкой 25 жаровой трубы 24, с одной стороны, и с кольцевым фланцем 35 вкладыша 32, с другой стороны.
Таким образом, кольцевой элемент 39 позволяет, с одной стороны, предохранять стенку 25 жаровой трубы 24 от усилий, действующих на вкладыш 32 во время его установки, и, с другой стороны, облегчает запрессовку второго конца 37 вкладыша 32 на стенке 25 жаровой трубы 24.
Кольцевой элемент 39 выполнен, например, из никеля, кобальта или хрома.
В примере, представленном на фиг. 2 и 3, кольцевой элемент 39 расположен на наружной поверхности 36 станки 25 жаровой трубы 24.
Кольцевой элемент 39 имеет поверхность 40 контакта со стенкой 25 жаровой трубы 24. Предпочтительно контактная поверхность 40 имеет форму, соответствующую форме стенки 25 жаровой трубы 24. В примере, представленном на фиг. 3, контактная поверхность 40 имеет небольшую вогнутость, что позволяет ей следовать выпуклости наружной поверхности 36 стенки 25 жаровой трубы 24.
Согласно примеру осуществления изобретения, кольцевой элемент 39 содержит кольцевой поясок, образующий контактную поверхность 40. Кольцевой поясок кольцевого элемента 39 имеет, например, плоский срез, показывающий оператору ориентацию профиля контактной поверхности 40 кольцевого элемента 39. Таким образом, кольцевой элемент 39 можно правильно позиционировать на стенке 25 жаровой трубы 24.
Кольцевой элемент 39 имеет также упорную поверхность 41, на которую опирается кольцевой фланец 35 вкладыша 32, блокируя таким образом радиальное поступательное движение вкладыша 32 в первом направлении А.
Предпочтительно кольцевой элемент 39 имеет внутреннюю боковую поверхность, выполненную с возможностью прилегать к наружной боковой поверхности корпуса 33 вкладыша 32. Для этого внутренний диаметр кольцевого элемента 39 по существу равен наружному диаметру D1 корпуса 33 вкладыша 32. Как показано на фиг. 3, кольцевой элемент 39 может также иметь скошенную фаску между упорной поверхностью 41 и внутренней боковой поверхностью для установки напротив переходной поверхности, соединяющей наружную боковую поверхность корпуса 33 вкладыша 32 с кольцевым фланцем 35, чтобы избегать риска заклинивания между наружной поверхностью корпуса 33 вкладыша 32 и кольцевым элементом 39.
Кольцевой элемент 39 крепят, например, сваркой в одной или нескольких точках стенки 25 жаровой трубы 24, чтобы сохранять точное положение вкладыша 32. Такой вариант выполнения представляет особый интерес в случае замены вкладыша 32, что будет пояснено ниже в описании.
Предпочтительно камера 20 сгорания содержит несколько крепежных пальцев 26, которым соответствуют описанные выше входные отверстия 28, приемные отверстия 29, вкладыши 32 и кольцевые элементы 39. Предпочтительно крепежные пальцы 26 расположены в плоскости Р, нормальной к продольной оси 23. Предпочтительно крепежные пальцы 26 распределены на одинаковом расстоянии в плоскости Р вокруг жаровой трубы 24.
Изготовление 100 камеры 20 сгорания осуществляют в соответствии со следующими этапами, представленными на фиг. 4.
На первом этапе 101 в стенке 25 жаровой трубы 24 напротив наружного картера 20 выполняют приемное отверстие 29. Первый этап 101 представлен, например, на фиг. 5.
Затем на втором этапе 102 на стенке 25 жаровой трубы 24 располагают кольцевой элемент 39 коаксиально с приемным отверстием 29.
После этого на третьем этапе 103 в кольцевой элемент 39 и в приемное отверстие 29 вставляют вкладыш 32. Вкладыш 32 вставляют вторым концом 37 таким образом, чтобы кольцевой фланец 35 пришел в положение опоры на упорную поверхность 41 кольцевого элемента 39 и блокировал, таким образом, радиальное поступательное движение вкладыша 32 в первом направлении А. Третий этап 103 показан, например, на фиг. 6. В этом примере кольцевой элемент 39 располагают на наружной поверхности 25 стенки 25 жаровой трубы 24, и вкладыш 32 вставляют в приемное отверстие 29 снаружи жаровой трубы 24 таким образом, чтобы кольцевой фланец 35 блокировал радиальное поступательное движение вкладыша 32 внутрь жаровой трубы 24.
Затем на четвертом этапе 104 второй конец 37 вкладыша 32 запрессовывают на стенке 25 жаровой трубы 24, чтобы блокировать радиальное поступательное движение вкладыша 32 во втором направлении В. Четвертый этап 104 показан, например, на фиг. 7. В этом примере второй конец 37 вкладыша 32 запрессовывают на внутренней поверхности 38 стенки 25 жаровой трубы 24 таким образом, чтобы запрессованный конец 37 блокировал радиальное поступательное движение вкладыша 32 наружу жаровой трубы 24.
После установки вкладыша 32 и его запрессовки на стенке 25 жаровой трубы 24 кольцевой элемент 39 крепят, например, сваркой в одной или нескольких точках стенки 25 жаровой трубы 24 на пятом этапе 105. В примере, показанном на фиг. 5-7, кольцевой элемент 39 крепят сваркой на наружной поверхности 36 стенки 25 жаровой трубы 24.
Независимо от этапов 101-105, на шестом этапе 106 в наружном картере 20 просверливают входное отверстие 28 таким образом, чтобы входное отверстие 28 и приемное отверстие 29 находились друг против друга. Под выражением «независимо от этапов 101-105» следует понимать, что шестой этап 106 можно осуществлять до, параллельно и даже после этапов 101-104.
Наконец, на седьмом этапе 107 жаровую трубу 24 располагают внутри наружного картера 21, и стержень 27 крепежного пальца 26 сначала вставляют во входное отверстие 28, затем в приемное отверстие 29 и во вкладыш 32, пока головка 30 не придет в положение упора в наружную поверхность 31 наружного картера 21, обеспечивая таким образом точное позиционирование жаровой трубы 24 в камере 20 сгорания.
Этапы 101-107 осуществляют, например, в несколько приемов или параллельно таким образом, чтобы позиционировать жаровую трубу 24 при помощи нескольких крепежных пальцев 26, каждый из которых связан с входным отверстием 28, с приемным отверстием 29, с вкладышем 32 и с кольцевым элементом 39, как было описано выше. Предпочтительно приемные отверстия 29 выполняют в плоскости Р, нормальной к продольной оси 23. Предпочтительно приемные отверстия 29 распределены равномерно на одинаковом расстоянии в плоскости Р вокруг жаровой трубы 24.
Замену 200 изношенного вкладыша 32, ранее установленного на стенке 25 жаровой трубы 24 во время этапов 102-104, производят в ходе этапов, представленных на фиг. 8.
На первом этапе 201 крепежный палец 26 извлекают из входного отверстия 28, приемного отверстия 29 и вкладыша 32.
Затем на втором этапе 202 удаляют кольцевой фланец 35 таким образом, чтобы вкладыш 32 мог свободно перемещаться поступательным движением в первом направлении А. Например, кольцевой фланец 35 вкладыша 32 снимают посредством механической обработки фрезерования или стачивания. Второй этап 202 показан, например, на фиг. 9. В этом примере вкладыш 32 может свободно перемещаться поступательным движением внутрь жаровой трубы 24.
Затем вкладыш 32 извлекают из кольцевого элемента 39 и из приемного отверстия 29 в первом направлении А на третьем этапе 203. Третий этап 203 показан, например, на фиг. 10. В этом примере вкладыш 32 извлекают из кольцевого элемента 39 и из приемного отверстия 29 внутрь жаровой трубы 24.
Таким образом, при износе вкладыша 32 нет необходимости заменять кольцевой элемент 39. При этом понятно, что во время изготовления камеры 20 сгорания предпочтительно кольцевой элемент 39 крепят сваркой в одной или нескольких точках на стенке 25 жаровой трубы 24 после запрессовки вкладыша 32, чтобы сохранять нормальное позиционирование жаровой трубы 24 относительно наружного картера 21, несмотря на замену вкладыша 32.
Наконец, на стенке 25 жаровой трубы 24 устанавливают новый вкладыш 32 при помощи ранее описанных этапов 103 и 104 и соответствующий крепежный палец 26 опять вставляют в наружный картер 21 и во вкладыш 32 при помощи ранее описанного этапа 107.
Преимуществом описанной выше камеры 20 сгорания является то, что она содержит вкладыши 32, которые можно легко и с меньшими затратами устанавливать и снимать, обеспечивая при этом точное позиционирование жаровой трубы 24 в камере 20 сгорания.