КОНСТРУКЦИЯ КУЛАЧКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, КАМЕРА СГОРАНИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКУЮ КОНСТРУКЦИЮ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DESIGN OF CLUTCH COUPLING FOR COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE, COMBUSTION CHAMBER CONTAINING SUCH DESIGN, AND GAS TURBINE ENGINE

Область техники
Настоящее изобретение относится к общей области камер сгорания газотурбинных двигателей. В частности, оно касается конструкции камеры сгорания, содержащей дно камеры, в котором выполнено, по меньшей мере, одно сквозное круглое отверстие, систему впрыска, связанную с отверстием, и отражатель, установленный в отверстии с задней стороны дна камеры.
Предшествующий уровень техники
Как правило, кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит две продольные кольцевые стенки (внутреннюю стенку и наружную стенку), соединенные между собой на своем соответствующем переднем конце также кольцевой поперечной стенкой, образующей дно камеры. Дно камеры содержит множество круглых отверстий, выполненных через равномерные промежутки, в которых установлены системы впрыска воздушно-топливной смеси, предназначенной для сжигания внутри камеры сгорания.
Топливо поступает в системы впрыска через форсунки, неподвижно соединенные с картером газотурбинного двигателя, головки которых центрированы по осям систем впрыска. Воздух подается в каждую систему впрыска через один или несколько воздушных завихрителей, сообщающихся с задней частью головки топливной форсунки. Кроме того, в каждом отверстии установлен котелок, расширяющийся в сторону выхода и предназначенный для обеспечения хорошего распределения воздушно-топливной смеси в первичной зоне рабочей части камеры сгорания. Наконец, отражатель, установленный в каждом отверстии дна камеры с его задней стороны, обеспечивает тепловую защиту дна камеры от повышенных температур газов, образующихся в результате сгорания воздушно-топливной смеси в камере сгорания.
Между картером газотурбинного двигателя, с которым неподвижно соединены топливные форсунки, и стенками камеры сгорания возникают перепады теплового расширения. Чтобы компенсировать эти отклонения расширения, необходимо предусмотреть определенную степень свободы между камерой сгорания и системами впрыска. Для этого головки топливных форсунок можно центрировать по подвижной поперечине, которая может перемещаться в радиальном направлении по отношению к системе впрыска (см., например, патент ЕР 0 833 107). В альтернативном варианте, поскольку в некоторых ситуациях нарушение концентричности между форсункой и соответствующей системой впрыска является недопустимым, компенсирование перепадов расширения необходимо осуществлять за счет перемещения системы впрыска относительно дна камеры. Настоящее изобретение касается конструкции именно этого последнего типа.
Такая конструкция должна также отвечать еще одному требованию. В случае разрушения одного из мест спайки или сварных швов, при помощи которых соединены компоненты конструкции, необходимо избегать отрыва одной из этих деталей и ее попадания внутрь камеры сгорания, так как это может привести к поломке турбины высокого давления, установленной на выходе камеры. Чтобы предупредить такую возможность, детали конструкции выполняют с диаметром, превышающим диаметр отверстия дна камеры, и их устанавливают с передней стороны дна камеры.
Кроме того, обычно котелок системы впрыска оборудуют буртиком, выступающим внутрь дна камеры и расположенным параллельно дну камеры. Основной функцией такого буртика является защита системы впрыска от факела пламени камеры сгорания в случае нарушения центровки системы впрыска относительно дна камеры. Однако при конструкции, в которой ее составные детали устанавливают через переднюю часть дна камеры, диаметр буртика котелка, проходящего при установке через отверстие дна камеры, должен обязательно быть меньше диаметра отверстия. Как следствие, в случае существенного нарушения центровки системы впрыска относительно дна камеры буртик котелка перестает выполнять свою функцию тепловой защиты от факела пламени камеры сгорания.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков путем создания конструкции для камеры сгорания газотурбинного двигателя, позволяющей, с одной стороны, избежать попадания одной из ее составных частей внутрь камеры сгорания в случае разрушения спайки или сварного шва и, с другой стороны, содержащей буртик котелка, обеспечивающий свою функцию тепловой защиты при любом нарушении центровки системы впрыска относительно дна камеры.
В той связи объектом настоящего изобретения является конструкция, в которой система впрыска содержит зажимное кольцо, установленное с передней стороны дна камеры и закрепленное на втулке, вместе с которой ограничивает кольцевой паз, открытый со стороны оси отверстия дна камеры, и кольцевой котелок, установленный в отверстии дна камеры, при этом согласно изобретению котелок выполнен, по меньшей мере, из двух отдельных частей, при этом, по меньшей мере, одна первая часть образует кольцевой фланец, выполненный с возможностью радиального перемещения скольжением в пазу, образованном зажимным кольцом и втулкой, и вторая часть образует кольцевой буртик, расположенный параллельно дну камеры с его задней стороны, при этом упомянутые первая и вторая части котелка крепятся друг к другу при помощи кулачкового соединения.
В такой конструкции компенсирование отклонений теплового расширения между картером и камерой сгорания происходит за счет перемещения скольжением системы впрыска по отношению к дну камеры. Поскольку котелок выполнен, по меньшей мере, из двух отдельных частей, одна из которых соответствует буртику котелка, этот буртик можно устанавливать сзади (то есть через заднюю часть дна камеры). Таким образом, этот буртик может иметь диаметр, больший диаметра отверстия дна камеры, и за счет этого может выполнять свою функцию тепловой защиты системы впрыска при любом нарушении центровки системы впрыска относительно дна камеры. Кроме того, кулачковое соединение между двумя частями котелка позволяет предупредить возможность контакта между буртиком котелка и камерой сгорания или турбиной высокого давления в случае разрушения спайки (или сварного шва), соединяющей между собой эти две детали.
Предпочтительно, чтобы фланец котелка содержал на своем заднем конце соединительное кольцо, содержащее первые зубцы, отстоящие друг от друга в окружном направлении и выступающие в радиальном направлении, и буртик котелка содержал соединительное кольцо, коаксиальное с соединительным кольцом фланца котелка и содержащее вторые зубцы, отстоящие друг от друга в окружном направлении и выступающие в радиальном направлении, при этом промежутки между первыми и вторыми зубцами должны быть достаточно большими, чтобы первые зубцы могли заходить между вторыми зубцами.
Предпочтительно также, чтобы конструкция дополнительно содержала средство блокировки вращения, предотвращающее проворачивание фланца котелка относительно буртика котелка.
Это средство может быть выполнено в виде шпонки, проходящей через дно камеры и заходящей одним концом в паз буртика котелка, а другим концом - в паз фланца котелка.
Предпочтительно также, чтобы первые зубцы были направлены радиально внутрь, а вторые зубцы - радиально наружу.
Предпочтительно также, чтобы буртик второй части котелка имел длину, по существу равную длине паза, образованного зажимным кольцом и втулкой.
Буртик котелка может содержать множество сквозных вентиляционных отверстий, открытых в сторону входа и выходящих напротив буртика. В этом случае буртик котелка может содержать заплечик, выступающий радиально наружу и предназначенный для того, чтобы не допустить закупоривания вентиляционных отверстий в случае значительного нарушения центровки системы впрыска относительно дна камеры.
Буртик котелка может быть выполнен из двух отдельных частей, соединенных друг с другом при помощи сварки или пайки.
Объектом настоящего изобретения является также камера сгорания газотурбинного двигателя, содержащая описанную выше конструкцию, и газотурбинный двигатель, содержащий указанную конструкцию.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют не ограничительный пример выполнения и на которых
Фиг.1 изображает частичный вид в разрезе камеры сгорания, содержащей конструкцию в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - вид в разборе конструкции камеры сгорания, показанной на фиг.1.
Фиг.3 - вид в разборе соединения котелка конструкции в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 - вид в разборе, иллюстрирующий монтаж устройства блокировки вращения между двумя частями котелка конструкции в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 - вид, аналогичный фиг.1, показывающий нарушение центровки системы впрыска относительно дна камеры.
Фиг.6 - частичный вид в разрезе конструкции согласно варианту выполнения настоящего изобретения.
Подробное описание варианта осуществления изобретения
На фиг.1 частично и в разрезе показана камера 2 сгорания газотурбинного двигателя, оборудованная конструкцией в соответствии с настоящим изобретением.
Как известно, такая камера 2 сгорания содержит внутреннюю продольную кольцевую стенку и наружную продольную кольцевую стенку (на фиг.1 эти стенки не показаны), при этом обе стенки соединены друг с другом на своем соответствующем переднем конце поперечной кольцевой стенкой 4, образующей дно камеры.
Дно 4 камеры содержит переднюю сторону 4а и заднюю сторону 4b, при этом последняя направлена внутрь камеры 2 сгорания. Дно камеры содержит множество сквозных отверстий 6, которые выполнены через равномерные промежутки и каждое из которых имеет по существу круглую форму вокруг оси Х-Х. С каждым из этих отверстий 6 соединяется система 8 впрыска воздушно-топливной смеси.
Отражатель 10, защищающий дно 4 камеры от факела пламени, установлен в каждом из отверстий 6 с задней стороны 4b дна камеры при помощи кольцевой втулки 12, выступающей с передней стороны.
Каждая система 8 впрыска имеет ось вращения Y-Y и содержит, в частности, топливную форсунку, неподвижно соединенную с картером газотурбинного двигателя (на фигурах не показан). Головка 14 топливной форсунки расположена с передней стороны 4а дна камеры и центрирована по оси Y-Y системы впрыска при помощи охватывающего ее центровочного кольца 16.
На заднем конце центровочного кольца 16 системы впрыска закреплены один или несколько воздушных завихрителей 18, в случае необходимости оборудованных трубкой 20 Вентури. Завихритель(ли) 18 обеспечивают подачу воздуха в систему впрыска по существу в радиальном направлении и его смешивание с топливом, поступающим из головки 14 топливной форсунки. После этого воздушно-топливная смесь поступает в камеру 2 сгорания, где происходит ее сгорание.
Каждая система 8 впрыска содержит также кольцо 22, называемое зажимным кольцом, установленное с передней стороны 4а дна 4 камеры и закрепленное на втулке 12 крепления отражателя 10. Это зажимное кольцо 22 центрировано по оси Х-Х отверстия 6 дна камеры и ограничивает вместе с втулкой 12 кольцевой паз 24, открытый со стороны оси Х-Х.
Каждая система 8 впрыска содержит также котелок 26, закрепленный на заднем конце воздушного завихрителя 18 и предназначенный для обеспечения хорошего распределения воздушно-топливной смеси в первичной зоне рабочей части камеры сгорания.
Котелок 26 установлен в соответствующем отверстии 6 дна 4 камеры и выполнен в основном в виде кольца, центрированного по оси Х-Х системы впрыска, и содержит, в частности, по существу цилиндрический участок 26а и другой участок 26b, расширяющийся в сторону выхода и содержащий множество сквозных воздухозаборных отверстий 28.
На своем заднем конце котелок 26 содержит также кольцевой буртик 30, выполненный параллельно дну 4 камеры 4 и находящийся с его задней стороны 4b. Этот буртик предназначен, в частности, для защиты системы впрыска от факела пламени камеры сгорания и для обеспечения крепления системы впрыска, выполняя роль теплозащитного экрана.
Наконец, котелок 26 содержит кольцевой фланец 32, установленный с передней стороны 4а дна 4 камеры и выполненный с возможностью радиального перемещения скольжением внутри паза 24, образованного между зажимным кольцом 22 и втулкой 12 крепления отражателя 10. Этот фланец 32 охватывает цилиндрический участок 26а котелка и является с ним концентричным.
Таким образом, головка 14 топливной форсунки и узел системы 8 впрыска установлены с возможностью перемещения скольжением относительно дна 4 камеры, чтобы компенсировать перепады теплового расширения между картером и камерой сгорания. Благодаря такой конструкции головка 14 топливной форсунки постоянно остается центрированной относительно системы 8 впрыска.
Согласно изобретению котелок 26 системы 8 впрыска выполнен, по меньшей мере, из двух отдельных частей, а именно содержит, по меньшей мере, одну первую часть, представляющую собой кольцевой фланец 32, выполненный с возможностью перемещения скольжением в пазу 24, и, по меньшей мере, одну вторую часть 34, называемую буртиком котелка и содержащую, в частности, цилиндрический участок 26а, расширяющийся участок 26b и теплозащитный буртик 30. Согласно изобретению эти первая и вторая части котелка крепятся друг к другу при помощи описанного ниже кулачкового соединения.
Фланец 32 котелка 26 на своем заднем конце содержит соединительное кольцо 32а, охватывающее цилиндрический участок 26а котелка и содержащее первые зубцы (или шипы) 36, например, в количестве шести в примере выполнения, представленном на фиг.2-4. Эти первые зубцы 36 выполнены через равномерные промежутки в окружном направлении и выступают радиально внутрь (то есть обращены к оси Х-Х отверстия дна камеры).
По всей окружности соединительного кольца 32а фланца 32 первые зубцы 36 чередуются с вырезами 37. В представленном примере окружная длина зубцов 36 по существу равна окружной длине 37 таким образом, что при наличии шести зубцов и шести вырезов каждый из зубцов и вырезов имеет угловую длину 30°.
Точно также буртик 34 котелка содержит соединительное кольцо 34а, коаксиальное с соединительным кольцом фланца 32 котелка и имеющее меньший по сравнению с ним диаметр. Это кольцо содержит шесть вторых зубцов 38, выполненных через равномерные промежутки в окружном направлении и выступающих радиально наружу. Эти вторые зубцы 38 тоже чередуются с вырезами 40 по существу идентичной длины (то есть каждый из вторых зубцов и вырезов занимает угол 30°).
Таким образом, зубцы 36 фланца 32 и зубцы 38 буртика 34 котелка выполнены с достаточными промежутками, чтобы зубцы фланца могли заходить между зубцами буртика котелка (и наоборот).
Конструкция в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит средство блокировки вращения, препятствующее проворачиванию фланца 32 котелка 26 относительно буртика 34 котелка.
В примере выполнения, показанном на фиг.3 и 4, это средство выполнено в виде шпонки 42, проходящей через дно 4 камеры и заходящее одним концом в осевой паз 44, выполненный в одном из зубцов 38 буртика 34 котелка (фиг.4), и другим концом - в осевой паз 46, выполненный в одном из зубцов 36 фланца 32 (фиг.3).
Монтаж конструкции в соответствии с настоящим изобретением осуществляют следующим образом. Втулку 12 крепления отражателя, фланец 32 котелка 26 и зажимное кольцо 32 устанавливают спереди (то есть через переднюю сторону 4а дна 4 камеры) и соединяют друг с другом (например, при помощи пайки или сварки). Отражатель 10 устанавливают в отверстии 6 дна 4 камеры сзади (то есть через заднюю сторону 4b дна камеры), затем крепят к втулке 12. Буртик 34 котелка также устанавливают в отверстии 6 сзади (см. фиг.3 и 4). После того фланец 32 котелка и буртик 34 котелка поворачивают таким образом, чтобы их пазы 44, 46 для захождения блокировочной шпонки находились на одной линии в осевом направлении. После этого буртик 34 котелка поворачивают на долю оборота таким образом, чтобы зубцы 36 соединительного кольца 32а фланца оказались на одной линии в осевом направлении с вырезами 40 соединительного кольца 34а буртика котелка (и наоборот). Таким образом, в описанном примере с шестью зубцами и шестью вырезами буртик котелка поворачивают на 30°. В результате соединительное кольцо 34а буртика котелка заходит под соединительное кольцо фланца, при этом первые зубцы 36 проходят между вторыми зубцами 38. Установив таким образом буртик котелка, его поворачивают на 30° в противоположном направлении таким образом, чтобы пазы 44, 46 для установки шпонки опять оказались на одной линии и чтобы зубцы 36 фланца 32 оказались сзади зубцов 38 буртика 34 котелка. После этого в оба паза 44, 46 вставляют шпонку 42, блокируя таким образом буртик котелка от проворачивания относительно фланца котелка. После этого спереди устанавливают воздушный завихритель 18 и центровочное кольцо 16.
В конце все составные детали конструкции крепят друг к другу при помощи пайки или сварки. В частности, дополнительно к кулачковому соединению соединительные кольца 32а, 34а соответственно первой части 32 и второй части 34 котелка 26 соединяют пайкой или сваркой.
Таким образом, представляется понятным, что даже в случае разрушения спайки или сварного шва между двумя частями котелка буртик 34 котелка будет удерживаться зубцами 38, заходящими за зубцы 36 фланца. Даже в случае дефекта пайки или сварки буртик 34 котелка не может попасть внутрь камеры 2 сгорания.
Следует отметить, что процесс сборки деталей конструкции может меняться. Действительно, все детали можно соединять друг с другом при помощи пайки или сварки после их установки, однако можно также осуществлять монтаж отдельными узлами деталей, которые затем крепят друг к другу (например, дно камеры, отражатель и втулка могут образовать отдельный узел).
Следует также отметить, что в примере выполнения, показанном на фиг.2-4, зубцы 36 фланца 32 направлены радиально внутрь, а зубцы 38 буртика 34 котелка направлены радиально наружу. Однако можно предусмотреть обратное расположение, при котором соединительное кольцо 34а буртика котелка имеет диаметр, превышающий диаметр соединительного кольца фланца 32.
При рассмотрении конструкции согласно изобретению представляется понятным, что с учетом установки второй части 34 котелка 26 сзади буртик 30 этой второй части котелка может иметь диаметр, больший диаметра отверстия 6 дна 4 камеры, и за счет этого эффективно защищать систему впрыска от факела пламени камеры сгорания при любом нарушении центровки этой системы относительно дна камеры.
В частности, можно предотвратить повреждение фланца 32 котелка от действия факела пламени камеры сгорания при любом нарушении центровки системы 8 впрыска относительно дна 4 камеры. Этот отличительный признак изобретения проиллюстрирован на фиг.5. На этой фигуре показан один из двух возможных случаев максимального нарушения центровки между системой впрыска и дном камеры. В частности, ось вращения Y-Y системы впрыска смещена в радиальном направлении максимально внутрь относительно оси Х-Х отверстия дна камеры (по сравнению с расположением на фиг.1, где нет нарушения центровки). В этой ситуации диаметр буртика 30 второй части 34 котелка позволяет перекрывать фланец 32 системы впрыска в радиальном направлении, чтобы защитить его от факела пламени камеры сгорания.
Согласно предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения длина буртика 30 второй части 34 котелка по существу равна длине паза 24, образованного между зажимным кольцом 22 и втулкой 12 крепления отражателя.
Согласно другому предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения буртик 34 котелка содержит множество сквозных вентиляционных отверстий 48, открытых в сторону входа и выходящих напротив буртика 30. Такие отверстия предназначены для создания воздушной пленки в радиальном направлении вдоль задней стороны отражателя для его охлаждения. Кроме того, отводя воздух в радиальном направлении, буртик 30 не позволяет охлаждающему воздуху проникать непосредственно в рабочую часть камеры сгорания, что может сказаться на параметрах загрязнения.
Согласно еще одному предпочтительному отличительному признаку настоящего изобретения соединительное кольцо 34а буртика 34 котелка содержит кольцевой заплечик 50, выступающий радиально наружу. Таким образом, в другом случае максимального нарушения центровки системы впрыска относительно дна 4 камеры, показанном на фиг.6, этот заплечик 50 упирается в радиальном направлении во внутреннюю сторону отражателя 10, что позволяет избежать закупоривания отражателем вентиляционных отверстий 48 буртика котелка.
Следует отметить, что вторая часть 34 котелка 26 тоже может быть образована двумя отдельными частями, соединенными друг с другом при помощи сварного шва или спайки 52 (фиг.1). Например, как показано, в частности, на фиг.1 и 2, буртик котелка может состоять из одной части, оборудованной буртиком 30 и соединительным кольцом 34а, и второй части, содержащей цилиндрический участок 26а и расширяющийся участок 26b котелка. Такая конструкция позволяет легко выполнять вентиляционные отверстия 48 буртика 34 котелка путем механической обработки. В альтернативном варианте буртик котелка может быть выполнен в виде литой моноблочной детали, как показано на фиг.3 и 4.