УСТРОЙСТВО КРЕПЛЕНИЯ СТОЙКИ СТАБИЛИЗАТОРА ФАКЕЛА ПЛАМЕНИ НА КОРПУСЕ ФОРСАЖНОЙ КАМЕРЫ
ATTACHMENT OF FLAME STABILISER STRUT AT AUGMENTER BODY

Областью применения настоящего изобретения являются турбореактивные двигатели двухконтурной конструкции, а более конкретно форсажной камеры подобных турбореактивных двигателей.
В турбореактивном двигателе двухконтурной конструкции с форсажной камерой, с задним корпусом типа того, который показан на фиг.1, воздушный поток сначала засасывается компрессором низкого давления. Первая часть этого воздушного потока на выходе из компрессора низкого давления используется для питания компрессора высокого давления, тогда как вторая часть этого потока поступает в первый проход 1, расположенный между наружным кольцевым контуром 2 и первым внутренним кольцевым контуром 3. Воздушный поток, сжатый в компрессоре высокого давления, поступает в камеру сгорания, которая снабжает в свою очередь газообразными продуктами сгорания турбину высокого давления, а после нее и турбины низкого давления, и на выходе из нее подается во второй проход 4, расположенный между первым внутренним кольцевым контуром 3 (или листом смешения) и вторым внутренним кольцевым контуром 5 (или выхлопным коком).
Газообразные продукты сгорания, поступающие во второй проход 4, имеют повышенную температуру и представляют собой то, что называют первичным потоком (или горячим потоком). Воздух, который подается в первый проход 1, имеет по существу температуру более низкую по сравнению с температурой первичного потока и представляет собой то, что называют вторичным потоком (или холодным потоком).
На выходе из турбины можно обеспечить увеличение тяги за счет впрыска дополнительного количества топлива в первичный и вторичный потоки, с тем, чтобы оно сгорало внутри канала форсажной камеры. Подобная система включает в себя главным образом узел стойки 7, называемый стойкой стабилизатора факела пламени, и кольцевую горелку 6. Кольцевая горелка 6 установлена на стойках 7 и внутри вторичного потока, поблизости от листа смешения 3.
Часть впрыска топлива осуществляется посредством кольцевой горелки 6, что позволяет осуществлять гомогенным образом впрыск части топлива и стабилизировать пламя.
В то же время каждая стойка содержит топливную форсунку, которая осуществляет впрыск, в первичный поток, другой части топлива форсажной камеры.
Стойка также содержит вентиляционную трубу, предназначенную для охлаждения с одной стороны металлических стенок стойки, омываемых первичным потоком, а с другой стороны - форсунки посредством воздуха, поступающего непосредственно с холодным потоком. Что касается узла “форсунка - труба”, то он защищается от теплового излучения пламени посредством другой металлической детали, а именно защитного теплового экрана.
В известных конструкциях стойки 7 изготовлялись первоначально методом литья из металла. Недостатком подобной технологии являлась необходимость их охлаждения. В более поздних по времени конструкциях эти металлические детали изготовлялись уже из композитных материалов на основе керамических матриц (CMC), что позволяло снизить их вес и придавать им большую стойкость к воздействию высоких температур. Оказалось, таким образом, возможным отказаться от использования систем вентиляции, применение которых являлось обязательным в случае применения систем, изготовляемых из металлов.
Однако эти материалы отличаются коэффициентами теплового расширения, очень отличающимися от тех, которые имеют материалы, используемые для изготовления корпусов двигателя, к которым они крепятся. Необходимо, таким образом учитывать влияние этих факторов при разработке конструкций крепления стоек 7 к конструкции двигателя, в частности, на уровне наружного кольцевого контура 2.
Предлагались различные конструкции устройств для крепления стойки 7, изготовляемых как из металлических, так и композитных материалов. Эти конструкции описаны в патентах FR2699226, FR2699227, а также в патентах US 5103638, GB 2295214, US 5022805 или US 5090198.
В патенте, принадлежащем заявителю FR2865502, описана моноблочная стойка стабилизатора факела пламени 7, выполненная из композитного материала (композитный материал на основе керамической матрицы или CMC) для обеспечения его стойкости по отношению к воздействию высоких температур, который крепится непосредственно к наружному кольцевому контуру 2. Эта стойка выполнена в виде двух жестко связанных между собой стенок, соединенных в своей нижней части посредством горловины и имеет в своей верхней части вырез, открытый в сторону поступления холодного потока и два отогнутых фланца. Крепление стойки осуществляется посредством этих двух фланцев, прикрепленных посредством болтовых соединений к корпусу, что требует при изготовлении стойки сгибания волокон композитного материала для придания им соответствующей формы. Как уже указывалось выше, эти фланцы изготовляются из композитного материала и не имеют один и тот же коэффициент расширения, что и металл корпуса. В результате, с одной стороны значительная разница в коэффициентах расширения стойки CMC и металлического корпуса может привести к ослаблению соединения между собой в горячем состоянии этих 2 деталей, а с другой стороны сам факт крепления стойки CMC к корпусу приводит к возникновению напряжений во фланцах стоек. Последствия возникновения этих напряжений еще более усиливаются за счет хрупкости самих фланцев в этой зоне, что обусловлено фактом сгибания волокон CMC. Указанные напряжения отражаются, разумеется, на их сроках службы.
В патенте EP 1803999 заявитель предлагает решить проблему возникновения напряжений путем установки металлической опоры стойки между самой стойкой и корпусом, то есть путем прикрепления стойки к опоре и прикрепления опоры к наружному кольцевому контуру 2. Однако боковые лапки опоры, в результате их приварки к верхней платине опоры в месте сопряжения с корпусом, подвергаются воздействию значительных тепловых напряжений, а также значительных аэродинамических усилий. Срок службы стоек в подобных конструкциях остается, таким образом, недостаточным в силу воздействия значительных по величине напряжений на опору в местах сварки.
Задачей изобретения является улучшение рассматриваемой конструкции за счет применения стоек стабилизатора факела пламени, обладающих более высокой механической стойкостью. Для решения этой задачи предложено устройство стабилизации факела пламени для форсажной камеры турбореактивного двигателя двухконтурной конструкции, причем указанный турбореактивный двигатель содержит первый и второй кольцевые внутренние контуры, между которыми располагается проход для первичного потока, и наружный кольцевой контур, причем между этим наружным кольцевым контуром и указанным первым внутренним кольцевым контуром располагается проход для вторичного потока, содержащее, по меньшей мере, одну опору стойки, изготовленную из металлического материала и предназначенную для крепления к указанному наружному кольцевому контуру посредством верхней платины, и, по меньшей мере, одну стойку стабилизатора факела пламени, представляющую собой моноблочную конструкцию, изготовленную из композитного материала, выполненную в виде двух жестко соединенных между собой стенок, образующих горловину, имеющую по существу профиль в форме буквы V, причем указанные стенки несут на себе, в своей верхней части, расположенной внутри вторичного потока, средства крепления к указанной опоре стойки, характеризующееся тем, что указанные выше верхние части являются плоскими и располагаются одна напротив другой.
Устранение необходимости в сгибании волокон обеспечивает заметное повышение срока службы стоек стабилизаторов факела пламени.
Предпочтительно, чтобы указанные выше средства крепления представляли собой болты, устанавливаемые в отверстия, специально предусмотренные для этой цели в указанных верхних частях, причем между головками указанных болтов и поверхностями, которыми эти головки опираются на указанные выше верхние части, установлены упругие шайбы, обеспечивающие затяжку соединения, несмотря на различие в коэффициентах расширения композитного материала и металлического материала,
Предпочтительно также, чтобы опора стойки содержала два боковых элемента, внутренняя часть каждого из которых представляет собой пустотелую полость, выходящую в направлении расположения наружного кольцевого контура, в верхнюю полость, предусмотренную в верхней платине; указанные полости предназначены для участия в регулировании процесса насыщения воздуха парами топлива в форсажной камере.
Предпочтительно также, чтобы утолщения обеспечивали герметичное прохождение полостей стоек болтами крепления стойки к опоре стойки,
Предпочтительно также, чтобы отверстие отбора давления было просверлено в нижней части каждой из стоек для обеспечения питания воздухом указанных полостей, и одно отверстие для выхода воздуха было предусмотрено в верхней части указанного устройства наружного кольцевого контура,
Предпочтительно, чтобы отверстия отбора давления были снабжены кольцом, предназначенным для обеспечения герметичности прохода воздуха в пространстве между внешней частью стойки стабилизатора факела пламени и опорой стойки.
Предпочтительно также, чтобы в верхних частях стенок было предусмотрено отверстие, располагающееся по завершении монтажа, напротив отверстий отбора давления, просверленных в нижней части стоек опоры, а верхняя платина содержала отверстие для прохода топливной форсунки,
Предпочтительно также, чтобы форсунка была прикреплена к наружному кольцевому контуру и была ориентирована в пространстве в своей нижней части посредством направляющей закраины, прикрепленной к вентиляционной трубе, которая в свою очередь сама присоединена, в своей верхней части, посредством шарнирного соединения к опоре стойки,
Предпочтительно также, чтобы опора стойки содержала промежуточную платину и нижнюю платину, способные нести на себе кольцевую горелку, входящую в состав форсажной камеры.
Предпочтительно также, чтобы на нижнюю платину опиралась посредством своих опорных поверхностей внутренняя поверхность указанной выше кольцевой горелки, а общая площадь этих поверхностей была меньше на 25% общей поверхности нижней платины,
Предпочтительно также, чтобы в нижней платине имелось отверстие для прохода форсунки и цилиндрическое отверстие для шарнирного соединения вентиляционной трубы с опорой стойки, а боковые элементы с одной стороны и верхние части с другой стороны расходились в пространстве друг относительно друга в плоскости симметрии опоры стойки, величина угла расхождения была меньше 7°, а указанный угол расхождения обеспечивал ограничение осевого биения, обусловленного наличием разницы в положениях стойки и опоры.
Предпочтительно также, чтобы утолщения имели вытянутую форму с тем, чтобы обеспечивалось наличие достаточного количества материала для выполнения встречных сверлений в стойках напротив отверстий, предусмотренных в верхних частях стойки.
Изобретение касается также заднего корпуса турбореактивного двигателя двухконтурной конструкции с форсажной камерой, содержащего подобное устройство стабилизатора факела пламени. И, наконец, оно касается турбореактивного двигателя двухконтурной конструкции с форсажной камерой, содержащей подобный задний корпус.
Изобретение станет более понятным, а другие его цели, детали, характеристики и преимущества станут более очевидными с учетом описания вариантов осуществления изобретения, приведенных ниже в качестве примеров, носящих чисто иллюстративный, но не ограничительный характер со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежей, на которых:
Фиг.1 представляет собой вид в разрезе заднего корпуса турбореактивного двигателя двухконтурной конструкции с форсажной камерой;
Фиг.2 представляет собой чертеж общего вида опоры стойки стабилизатора факела пламени согласно варианту осуществления изобретения;
Фиг.3 изображает общий вид в разрезе опоры стойки стабилизатора факела пламени согласно варианту осуществления изобретения;
Фиг.4 представляет собой вид сверху в разрезе опоры стойки и стойки стабилизатора факела пламени согласно варианту осуществления изобретения;
Фиг.5 представляет собой полуразрез общего вида опоры стойки и стойки стабилизатора факела пламени согласно варианту осуществления изобретения, находящихся в сборе в форсажной камере турбореактивного двигателя двухконтурной конструкции;
Фиг.6 представляет собой чертеж общего вида опоры стойки и стойки стабилизатора факела пламени согласно варианту осуществления изобретения, в собранном состоянии; и
Фиг.7 представляет собой чертеж общего вида опоры стойки и стойки стабилизатора факела пламени согласно варианту осуществления изобретения, находящихся в сборе и встроенных в модуль нагрева, состоящий из наружного кольцевого контура, листа смешения и кольцевой горелки.
В дальнейшем термины «наружный» и «внутренний» используются в отношении канала подачи воздуха, при этом термин наружный касается наружной части двигателя, а внутренний - его оси симметрии.
На фиг.2 и 3 показана опора стойки 8, содержащая верхнюю платину 9, предназначенную для крепления к наружному кольцевому контуру 2 посредством четырех, не представленных на фигурах, узлов винт-гайка, винты которых проходят через отверстия 10. Верхняя платина 9 содержит также отверстие 11, через которое проходит топливная форсунка, и два отверстия 12 для размещения головок винтов, называемых винтами с потайной головкой, предназначенными, как это можно видеть на фиг.6, для крепления головки форсунки.
Из верхней платины 9 выходят два, представленные на фигуре, боковых элемента 14a и 14b, имеющие форму откинутой на 90° буквы Т, причем такая форма не является обязательной, при этом верхняя ветвь буквы T простирается, начиная с верхней платины 9, и ее другой конец служит опорой двум ветвям 15a и 15b, несущим на себе нижнюю платину 16. Нижняя платина содержит в свою очередь два отверстия 17 и 18, через которые проходят соответственно топливная форсунка и вентиляционная труба, соединенные посредством шарнирного соединения, обеспечивающего свободное перемещение трубы. К центральной ветви буквы T каждого из боковых элементов 14a и 14b прикреплена промежуточная платина 20, которая наряду с нижней платиной 16 предназначена служить опорой кольцевой горелке 6. С этой целью промежуточная платина 20 содержит отверстие 21, через которое проходит, не представленное на фигуре, средство крепления внешней части кольцевой горелки 6, тогда как нижняя платина 16 содержит отверстие 22, через которое проходит, не представленное на фигуре средство крепления внутренней части кольцевой горелки 6. Нижняя платина 16 содержит, кроме того, две опорные поверхности 23a и 23b, которые представляют совместно с верхней частью отверстия 22 опорную поверхность, на которой покоится внутренняя часть кольцевой горелки 6. Для минимизации передачи тепла к опоре стойки 8 кольцевой горелки 6, внутренняя часть которой располагается внутри горячего потока, размер поверхностей контакта кольцевой горелки и нижней платины 16 снижен до максимума; с этой целью площадь опорных поверхностей 23a и 23b и отверстия 22 составляют максимум 25% от площади нижней платины 16.
На фиг.2 и 3 представлены два боковых элемента 14a и 14b, внутренняя часть каждого из которых представляет собой пустотелую полость 24a и 24b, которая выходит в направлении расположения наружного кольцевого контура в верхнюю полость 25, предусмотренную в верхней платине 9. Для обеспечения питания воздухом этой полости в нижней части каждой из стоек просверлено отверстие для отбора давления 26. Воздух циркулирует, таким образом, сначала в полостях 24 и 25, а затем удаляется наружу из устройства стабилизации факела пламени через наружный кольцевой контур 2. Оба отверстия отбора давления 26a и 26b способны, согласно одному из способов реализации изобретения, представленного на фиг.2 и 3, содержать кольцо 27, предназначенное для пересечения стойки стабилизатора факела пламени 7 с целью обеспечения герметизации прохода воздуха в пространстве между наружной частью стойки стабилизатора факела пламени 7 и опорой стойки 8. Указанное кольцо имеет форму втулки, опирающейся герметичным образом на внутреннюю поверхность соответствующего элемента и пересекающей элемент 14 стойки 7 по всей его толщине. Часть кольца 27, внутренняя по отношению к полости 24, содержит по своей окружности отверстия, обеспечивающие возможность прохождения воздуха, поступающего с холодным потоком, внутрь указанной полости.
Два утолщения вытянутой формы 35, расположенные внутри каждой полости, обеспечивают герметичное пересечение средств крепления стойки стабилизатора факела пламени 7 к опоре стойки 8. Они гарантируют также механическую прочность элементов 14 при креплении стойки 7 к опоре стойки 8, препятствуя раздавливанию полости 24.
При рассмотрении фиг.4 можно заметить, что оба элемента 14a и 14b не располагаются параллельно один по отношению к другому, но расходятся друг от друга на угол α относительно плоскости симметрии опоры 8. Указанный угол α соответствует углу, на который расходятся оба боковых крыла стойки стабилизатора факела пламени 7, которые имеют расходящийся профиль для обеспечения возможности извлечения из литьевой формы детали из композитного материала в процессе ее изготовления. Формовочный уклон, соответствующий углу α, как правило, ниже 7°, а предпочтительно равен 3°.
Существование указанного формовочного уклона позволяет обеспечить ситуацию, при которой относительное расположение опоры стойки внутри буквы V, образованной боковыми стенками стойки стабилизатора факела пламени 7, заранее предопределено, так как оно соответствует положению упора опоры стойки 8 внутри стойки 7. Однако допуска на сверление отверстий 34 в CMC слишком велики для того, чтобы отверстия 34, просверленные в боковых стенках стойки стабилизатора факела пламени, для его крепления к опоре стойки 8, располагались точно напротив отверстий, предварительно просверленных в стойках опоры стойки. Для учета указанной неточности утолщения 35 на уровне отверстий крепления стойки 7 имеют вытянутую форму в направлении оси двигателя и их наибольшая сторона ориентирована в сторону расположения основания буквы V, форму которой имеет стойка 7; кроме того, они содержат достаточно материала для того, чтобы выполнить, в процессе монтажа, встречное сверление стоек опоры напротив отверстий 34, предусмотренных в боковых стенках стойки стабилизатора факела пламени 7.
На фиг.5, показана стойка стабилизатора факела пламени 7, выполненная в виде моноблочной конструкции из композитного материала. Предпочтительно он изготовляется из композитного материала на основе керамической матрицы (CMC), который отличается особо высокой стойкостью к воздействию повышенных температур и который имеет массу, относительно более высокую по сравнению с металлическими материалами. В качестве примера рассматриваемая конструкция может быть выполнена из волоконной заготовки, в частности, на основе карбида кремния или углерода, пропитанной керамической матрицей, находящейся в жидкой или газовой фазе. Стойка стабилизатора факела пламени 7 содержит две, по существу симметричные, стенки 28a и 28b, которые соединяются между собой своими продольными сторонами с образованием горловины, профиль которой в сечении имеет по существу форму буквы V. Как уже указывалось выше, указанные две стенки расходятся друг относительно друга на угол α. Указанные две стенки соединяются между собой своими внутренними краями, то есть краями, ориентированными в направлении центральной части газовой струи, с тем, чтобы образовать лапку в форме скошенной кромки для того, чтобы разместиться в итоге вдоль оси первичного потока и способствовать тем самым истечению последнего. На другом краю каждой из стенок 28a и 28b имеется разрез, предназначенный для размещения в нем кольцевой горелки 6, которая располагается, по завершении монтажа, на одной линии с промежуточной платиной 20 и с опорными поверхностями 22, 23a и 23b нижней платины 16. Кроме того, указанные стенки расширяются в направлении наружного кольцевого контура 2, в своей верхней части, то есть в части, расположенной во вторичном потоке, над разрезами, с тем, чтобы охватить собой опору стойки 8.
Верхние части 31a и 31b каждой из стенок являются по существу плоскими и располагаются одна напротив другой. В каждой из них посверлены три отверстия, при этом два отверстия 34 используются для крепления стойки 8, а третье отверстие располагается на одной оси с отверстием отбора давления 26a или 26b, или с уплотнительным кольцом 27 одной из стоек опоры стойки 8 с тем, чтобы обеспечить питание соответствующей полости 24a или 24b.
На фиг.5 показана также вентиляционная труба 19 и топливная форсунка 13. Вентиляционная труба 19 прикреплена в своей нижней части к направляющей закраине 29, к которой прикреплена форсунка 13, и ориентирована в пространстве в своей верхней части посредством системы сферического центрирования, расположенной внутри цилиндрического прохода нижней платины опоры. И, наконец, на фигуре показан защитный тепловой экран 30, который воспроизводит форму стойки стабилизатора факела пламени 7 и который располагается внутри последнего с тем, чтобы защитить топливную форсунку 13 и вентиляционную трубу 19 от теплового излучения пламени в форсажной камере и таким образом препятствовать возникновению явления коксования топлива в форсунке.
На фиг.6 показана стойка стабилизатора факела пламени 7, установленная на своей опоре стойки 8. Весь узел удерживается в необходимом положении посредством четырех болтов 32, которые пересекают стойку 7, походя через оба отверстия 34a и 34b, каждое из которых посверлено в верхних частях 31a, 31b стенок 28a и 28b и которые пересекают опору стойки 8, проходя через встречные отверстия, предусмотренные в утолщениях 35a и 35b элементов 14a и 14b. Между головкой каждого винта и соответствующей стенкой стойки 7 устанавливается клееная фанера, что делается для того, чтобы распределить непрерывным образом усилия затяжки соединения и защитить материал CMC в процессе затяжки болтов. Между головкой винта и клееной фанерой установлены, кроме того, упругие шайбы, которые поддерживают необходимую затяжку соединения, несмотря на различия в расширении, возникающие в стойке 7 и в болте 32 в горячем и в холодном состоянии.
Форсунка 13 располагается внутри стойки стабилизатора факела пламени 7 и содержит на своем верхнем краю платину, обеспечивающую ее крепление к наружному кольцевому контуру 2. Указанная платина содержит два открытых отверстия, через которые проходит стержень винта, головка которого помещается в отверстиях 12, предусмотренных в верхней платине 9 опоры стойки 8, позволяющего осуществить привинчивание головки форсунки 13 к наружному кольцевому контуру 2. На фиг.7 показан узел, состоящий из стойки стабилизатора факела пламени 7 и опоры стойки 8, установленный на заднем корпусе турбореактивного двигателя двухконтурной конструкции с форсажной камерой. Кольцевая горелка 6 размещена в разрезе, предусмотренном в стойке стабилизатора факела пламени 7 и опирается на опору стойки 8 посредством с одной стороны промежуточной платины 20, а с другой стороны посредством опорных поверхностей 23a и 23b и верхней части отверстия 22 нижней платины 16.
По сравнению с устройством стабилизации факела пламени известной конструкции, описанной в заявке на изобретение EPl803999, настоящее изобретение имеет следующие преимущества:
- пустотелые полости 24a и 24b элементов 14a и 14b и полость 25 верхней платины 9 представляют собой камеры успокоения воздуха, отбираемого из вторичного потока на уровне точек отбора давления 26a и 26b. Величина давления этого воздуха на выходе из верхней полости 25 точно соответствует статическому давлению, существующему во вторичном потоке на уровне расположения стабилизаторов факела пламени и может использоваться системой регулирования процесса форсажной камеры,
- стойка стабилизатора факела пламени 7 начинает опираться на опору стойки 8 при занятии ею положения, при котором опора стойки начинает упираться в основание буквы V, форму которой имеет стойка стабилизатора факела пламени. Так как встречные отверстия в стойках опоры стойки просверливались в тот момент, когда обе детали находились в указанном положении, то и соединение этих двух деталей болтами 32 произойдет без каких-либо перенапряжений, обусловленных установкой обеих деталей в относительное положение друг относительно друга,
- приложенные к стойкам стабилизатора факела пламени 7 усилия передаются наружному кольцевому контуру 2 исключительно посредством металлических деталей, что позволяет исключить возможность повреждения деталей, изготовленных из композитных материалов,
- изготовление стойки 7 и опоры стойки 8 могут проводиться параллельно, и их соединение будет осуществляться исключительно при выполнении встречных отверстий в стойках опоры стойки 8,
- форма стойки 7 упрощена, что позволяет облегчить ее изготовление,
- внутренняя поверхность верхней платины 9 освобождается от контакта с фланцами стойки 7. Появляется, таким образом, возможность выполнить на ней четыре отверстия 10 вместо двух для крепления верхней платины и обеспечить за счет этого более надежную фиксацию верхней платины на наружном кольцевом контуре 2,
- стойка 7 может сниматься с опоры стойки 8, что позволяет производить их разборку и замену вентиляционной трубы 19 без разрушения мест сварки на одной из этих двух деталей.
Хотя настоящее изобретение и было описано применительно к частному варианту его осуществления, оно не ограничивается только этим вариантом и включает в себя все технически эквивалентные варианты применения описанных средств.