КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ANNULAR COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE, AND GAS TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение относится к кольцевой камере сгорания газотурбинного двигателя, обычно включающей в себя внутреннюю стенку, внешнюю стенку и основание камеры, расположенное между вышеупомянутыми стенками в передней части вышеназванной камеры. Обычно две крепежные скобы, размещаемые позади основания камеры, обеспечивают крепление вышеупомянутых стенок к другим частям газотурбинного двигателя, чаще всего к внутреннему и внешнему картерам, окружающим камеру сгорания.
Вышеупомянутые внутренняя и внешняя стенки камеры сгорания ранее изготавливались из металла или металлических сплавов. В связи с этим возникала необходимость охлаждать эти стенки для того, чтобы они могли выдерживать температуры, достигаемые во время работы газотурбинного двигателя.
В настоящее время с целью уменьшения количества воздуха, направляемого на охлаждение стенок, эти стенки изготавливаются преимущественно из керамических материалов, а не из металла. На практике керамические материалы лучше выдерживают высокие температуры и обладают более низким по сравнению с обычно используемыми материалами объемным весом. Применение воздуха для охлаждения, а также других материалов позволяет повысить коэффициент полезного действия газотурбинного двигателя. Следует отметить, что используемые керамические материалы преимущественно представляют собой композитные материалы, основной структурной составляющей которых является керамика, обычно называемая CMC, которая была выбрана благодаря присущим ей хорошим механическим свойствам, а также возможности сохранять эти свойства при высоких температурах.
Основание камеры изготавливается предпочтительно из металла или из металлических сплавов, а не из керамики, поскольку это дает возможность применять известные и апробированные на настоящий момент методы крепления, например сварку, позволяющие прикреплять к основанию камеры другие детали (обычно элементы системы впрыска топлива и дефлекторы).
Кроме того, используемая при изготовлении стенок керамика часто обладает коэффициентом линейного расширения, который приблизительно в три раза меньше, чем у металлов, используемых при изготовлении основания камеры. В связи с этим при изменении рабочей температуры в камере показатели увеличения или уменьшения размеров внутренних и внешних стенок меньше, чем основания камеры. То есть разница в изменении между внутренним и внешним диаметрами основания камеры и диаметрами стенок приводит в процессе эксплуатации камеры к повреждению ее деталей. Эти проблемы могут явиться причиной появления трещин в стенках, при этом керамические материалы по своей природе являются достаточно хрупкими.
В патенте FR 2855249 дано описание варианта решения данной проблемы, в соответствии с которым необходимо иметь множество гибких кронштейнов крепления, соединяющих основание камеры (выполнено в виде монолитной кольцеобразной детали) с вышеупомянутыми стенками, при этом такие кронштейны могут упруго деформироваться в зависимости от разницы линейного расширения этих деталей. Основным недостатком такой конструкции является плохая динамическая устойчивость кронштейнов крепления в процессе работы газотурбинного двигателя, в результате чего часто возникает необходимость использования систем амортизации, позволяющих уменьшить деформацию этих кронштейнов крепления и возникающую вибрацию. Кроме того, между кронштейнами крепления существуют пространства, через которые приточный воздух попадает в камеру сгорания, что может уменьшить коэффициент полезного действия камеры и привести к образованию вредных для окружающей среды выбросов, как например не до конца сожженных веществ и (или) одноокиси углерода.
Задача данного изобретения состоит в устранении отмеченных недостатков или, по меньшей мере, в уменьшении их последствий для камеры сгорания, конструкция которой представляет собой альтернативный вариант конструкции с гибкими кронштейнами крепления (ее описание дано в патенте FR 2855249) и способной соответствующим образом реагировать на возникающие расхождения значений линейного расширения между основанием камеры и внутренней и внешней стенками.
Для решения поставленной задачи предлагается кольцевая камера сгорания вышеупомянутого типа, отличающаяся тем, что основание камеры разделено на множество граничащих друг с другом секторов, при этом каждый сектор крепится к вышеупомянутым стенкам.
Таким образом, боковые края секторов основания камеры перемещаются относительно друг друга в зависимости от изменения рабочей температуры в камере: при повышении температуры ширина каждого сектора увеличивается, и боковые края секторов приближаются друг к другу, а при уменьшении температуры боковые края секторов удаляются друг от друга. С учетом этого в случае изменения температуры внутренний и внешний диаметры основания камеры меняются меньше, если основание камеры изготовлено в виде монолитной кольцеобразной детали. В связи с этим возникает меньшее напряжение между основанием и стенками камеры.
При достижении в камере максимальной рабочей температуры боковые края секторов располагаются ближе всего друг к другу. Целесообразно, чтобы их размещение существенно ограничивало и даже препятствовало прохождению между ними поступающего снаружи приточного воздуха внутрь камеры.
Предпочтительно, чтобы боковые края двух соседних секторов находили друг на друга. Это позволяет добиться хорошего уплотнения между секторами. При удалении или сближении секторов друг с другом вышеупомянутые боковые края смещаются, скользя относительно друг друга, что позволяет обеспечить уплотнение между секторами. Целесообразно, чтобы каждый сектор содержал гребень, располагаемый вдоль одного из его боковых краев, и чтобы данный гребень выступал за пределы одной из поверхностей (передней или задней) этого сектора и прикрывал боковой край соседнего сектора.
Целесообразно также, чтобы основание камеры изготавливалось из металла или металлических сплавов, а внутренняя и внешняя стенки - из керамических материалов, в частности CMC. В то же время настоящее изобретение может быть применено и в других случаях, например, когда основание камеры и стенки изготовлены из металла или когда основание камеры и стенки выполнены из керамики. В этих двух последних случаях, когда проблемы, связанные с разницей значений линейного расширения стенок и основания камеры, не имеют большого значения или даже могут отсутствовать, разделение на сектора основания камеры может облегчить процесс крепления основания к стенкам. В частности, в связи с тем, что сектора являются более гибкими, чем основание монолитной кольцевой камеры, возникают меньшие напряжения между этими элементами в процессе их соединения. Это соединение осуществляется, например, при помощи болтов. Тем самым уменьшается риск поломки этих деталей в местах их крепления друг к другу.
Сущность изобретения и его преимущества станут более понятными после изучения приводимого ниже детального описания камеры сгорания согласно предлагаемому изобретению, которое может рассматриваться в качестве примера, не имеющего ограничительного характера. К данному описанию прилагаются чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает в схематичном виде половинный разрез, выполненный в плоскости оси, части газотурбинного двигателя с камерой сгорания согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 - частичный вид в изометрии основания камеры сгорания, показанной на фиг.1 (вид спереди);
Фиг.3 - детальный вид в изометрии двух секторов основания камеры сгорания, показанной на фиг.2 (вид спереди);
Фиг.4 - детальный вид в изометрии сектора основания камеры сгорания, показанной на фиг.2 (вид сзади).
Изобретение предназначено для всех типов газотурбинных двигателей: турбореактивного, турбовинтового, наземной газотурбинной установки и т.д. В рассматриваемом ниже примере особый интерес проявляется, в частности, к авиационным турбореактивным двигателям.
На фиг.1 изображен выполненный в плоскости оси половинный разрез части газотурбинного двигателя, который включает в себя:
- внутренний кольцевой кожух или внутренний картер 12, основная ось которого 10 соответствует оси вращения газотурбинного двигателя;
- установленный соосно с внутренним картером 12 внешний кольцевой кожух;
- кольцевое пространство 16, расположенное между двумя картерами 12 и 14, в которое под давлением, обычно воздуха, из зоны, находящейся перед компрессором (не показан) газотурбинного двигателя, через кольцевой канал рассеивания 18 подается окислитель топлива.
Пространство 16, если следовать от передней к задней части камеры (передняя и задняя части определяются относительно обозначенного стрелками F направления нормального истечения газов внутри газотурбинного двигателя) включает в себя:
- системный комплекс впрыска, предназначенный для впрыска топлива в описанную ниже камеру сгорания 24, состоящий из множества систем впрыска 20, равномерно расположенных в передней части камеры 24, каждая из которых содержит сопло топливного инжектора 22, установленное на внешнем картере 14. Данное сопло топливного инжектора 22 соединено с камерой 24 посредством системы обслуживания 19 и смесителя 21. В целях упрощения чертежа эти последние элементы на фиг.1 не показаны, но они изображены на фиг.2 и 3;
- камеру сгорания 24, содержащую круговую стенку 26, расположенную ближе к центру окружности, и круговую стенку 28, расположенную дальше от центра окружности, которые установлены соосно относительно оси 10, а также поперечную стенку, образующую основание 30 данной камеры и прикрепляемую к передним краям стенок 26, 28. В основании камеры 30 имеются отверстия 40, через которые осуществляется впрыск топлива (через сопла инжекторов) и частично окислителя (через смеситель 21) в камеру сгорания;
- внутреннюю 27 и внешнюю 29 крепежные скобы, соединяющие, соответственно, внутреннюю 26 и внешнюю 28 стенки с внутренним 12 и внешним 14 картерами;
- кольцевое направляющее устройство 42 (изготовленное из металлических сплавов), образующее входной каскад газотурбины высокого давления (не показана) и включающее в себя, как правило, множество неподвижных лопаток 44, установленных между внутренней кольцевой платформой 46 и внешней кольцевой платформой 48. Направляющее устройство 42 крепится на картерах 12 и 14 газотурбинного двигателя посредством соответствующих средств крепления.
Основание камеры 30 изготавливается из металлических сплавов, а стенки 26 и 28 камеры 24 - из композитных материалов, основной структурной составляющей которых является керамика или CMC.
Основание камеры 30 делится на множество граничащих друг с другом секторов 130. Каждый сектор 130 имеет центральную часть 133, расположенную в большей степени перпендикулярно оси 10, в которой просверлено, по меньшей мере, одно пропускное отверстие 40. Продолжением данной центральной части 133 вверх и вниз являются перегородки 132, 134, сориентированные в большей степени относительно оси 10 и прикрепляемые, соответственно, к внутренней 26 и внешней 28 стенкам.
Далее, со ссылкой на фиг.2 и 5, будет представлено описание варианта выполнения, в котором боковые края 130а, 130b двух соседних секторов стенки 130 находят друг на друга. Каждый сектор 130 содержит гребень 60, располагаемый вдоль одного из боковых краев 130а, предпочтительно, на всю длину его центральной части 133. Другой боковой край сектора не имеет гребня и в дальнейшем будет называться простым краем 130b.
Гребень 60 выступает относительно центральной части сектора 130 вверх и вниз и прикрывает простой край 130b соседнего сектора. В примере, показанном на фиг.4, гребень 60 выступает со стороны поверхности сектора 130, что позволяет, в случае необходимости, на верхней поверхности сектора установить дефлектор 23.
Гребень 60 может изготавливаться как непосредственно в процессе изготовления сектора 130, так и на этапе последующей его обработки. Гребень 60 может также иметь форму планки, прикрепляемой к боковому краю сектора 130, например, способом приклеивания (зачистки).
В случае, когда секторы 130 удаляются друг от друга в результате понижения рабочей температуры в камере 24, боковой край 130а и гребень 60 сектора удаляются от простого бокового борта 130b соседнего сектора. Гребень 60 выбирается достаточно широким с целью не допустить образования во время расхождения секторов 130 большого зазора по окружности между секторами. Достаточно широкий гребень 60, обеспечивающий нулевое или отрицательное значение зазора по окружности между секторами 130, позволяет не допустить или, по меньшей мере, значительно ограничить прохождение приточного воздуха между секторами 130.
Для ограничения прохождения приточного воздуха между секторами следует, чтобы нижняя (или верхняя) поверхность гребня 60 находилась в соприкосновении с верхней (или нижней) поверхностью соседнего простого бокового края 130b. Вместе с тем, в случае, если трение, которое сопутствует такому соприкосновению, будет очень значительным и приведет к повреждениям в процессе относительного перемещения секторов 130, то можно предусмотреть небольшой осевой зазор между этими поверхностями в ущерб герметичности между секторами 130.
В соответствии с другим аспектом предлагаемого изобретения, каждый сектор 130 стенки крепится, по меньшей мере, к одной из стенок 26, 28 в двух точках 36, 36', что гарантирует хорошую фиксацию. Это позволяет также не допустить выполнения сектором 130 поворота относительно данной стенки, вокруг одной из ее точек крепления 36, 36'. В настоящем примере каждый сектор 130 крепится к каждой из стенок 26, 28 в двух точках крепления 36 и 36'.
Для крепления сектора 130 к стенкам 26, 28 предпочтительно использовать систему крепления, которая допускает сближение или удаление (в соответствии с циркулярным направлением основания камеры) вышеупомянутых двух точек крепления 36 и 36'. Таким образом, удается избежать возникновения напряжения в рассматриваемой стенке в случае удаления или сближения относительно друг друга точек крепления 36 и 36' в результате линейного расширения или уменьшения сектора 130.
Такую систему крепления можно представить, например, в виде взаимодействия болта 52 с овальным отверстием 50, ширина которого по существу соответствует диаметру резьбы болта 52. Такое овальное отверстие 50 может быть выполнено в перегородке 132 (134) сектора 130 основания камеры, в стенке 26 (28) или в этих двух деталях одновременно. В данном примере овальное отверстие 50 изготовлено только в перегородках 132, 134. Отверстия, выполненные в стенках 26, 28, имеют цилиндрическую форму, а их диаметр соответствует диаметру резьбы используемых болтов 52.
Каждое овальное отверстие 50 вытянуто относительно окружности (т.е. длинная сторона каждого отверстия сориентирована относительно окружности основания кольцевой камеры 30). В связи с этим болт 52, взаимодействующий с этим отверстием 50, способен перемещаться в направлении окружности внутри отверстия 50, как это обозначено двойной стрелкой В. В примере, изображенном на чертеже, все крепления 36, 36' выполнены методом болтового соединения, но только в одной точке крепления 36' из двух соединение выполнено путем установки болта в овальном отверстии 50. Для упрощения чертежа изображены не все болты 52.
Изготовление секторов 130 основания камеры 30 из металла, как правило из жаропрочных металлических сплавов, облегчает процесс крепления на них, например, методом сварки (или зачистки) различных элементов системы 20 впрыска топлива, в том числе системы обслуживания 19, смесителя 21. Кроме того, в случае необходимости имеется также возможность закрепить на нижней стенке каждого сектора 130 дефлектор 23, предназначенный для защиты этого сектора 130 от воздействия горячих газов, истекающих из камеры сгорания. Наличие такого дефлектора 23 не носит обязательного характера, необходимость его установки в основном зависит от собственного сопротивления в условиях высоких температур материалов, используемых для изготовления секторов 130.