КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ТУРБОМАШИНЫ
ANNULAR COMBUSTION CHAMBER OF TURBO-MACHINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области камер сгорания турбомашин и, в частности, к области кольцевых камер сгорания для турбомашины и, в особенности, но не исключительно, для турбовального двигателя вертолета.
Термин «турбомашина» используется для обозначения любого газотурбинного устройства, которое создает мощность привода, включая, в частности, турбореактивные двигатели, которые обеспечивают тягу, необходимую для приведения в движение, в качестве реакции на эжекцию горячего газа с высокой скоростью, и турбовальные двигатели, в которых мощность привода подается посредством вращения приводного вала. Например, турбовальные двигатели используются в качестве двигателей в вертолетах, кораблях, поездах и в действительности в качестве промышленных энергетических установок. Турбовинтовые двигатели (турбовальный двигатель, приводящий в движение воздушный винт) аналогичным образом представляют собой турбовальные двигатели, используемые в качестве авиационных двигателей.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Обычная кольцевая камера сгорания для турбомашины содержит аксиальное направление, радиальное направление и азимутальное направление, и она, как правило, содержит пять кольцевых стенок, при этом каждая кольцевая стенка ограничивает по меньшей мере часть объема камеры сгорания.
Данные кольцевые стенки обычно собирают вместе посредством сварки или посредством болтового соединения. Сборка их вместе посредством сварки делает невозможным отсоединение первой стенки от второй стенки при разборке, например, для технического обслуживания или текущего ремонта или для замены одной из стенок. Сборка посредством болтового соединения содержит недостаток, заключающийся в том, что она способствует появлению трещин вблизи отверстий, в которые вставлены болты, вследствие блокировки, которая создается, в результате чего снижается прочность камеры сгорания. Кроме того, сборка данными способами является сложной, длительной и дорогостоящей.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с одним вариантом осуществления разработана кольцевая камера сгорания для турбомашины, при этом камера сгорания содержит аксиальное направление, радиальное направление и азимутальное направление и содержит первую кольцевую стенку и вторую кольцевую стенку, при этом каждая стенка ограничивает по меньшей мере часть объема кольцевой камеры сгорания, первая и вторая стенки имеют ответные соединительные элементы, первая стенка содержит по меньшей мере одно первое сквозное отверстие, а вторая стенка содержит по меньшей мере одно второе сквозное отверстие, при этом камера сгорания также содержит по меньшей мере один штифт, вставленный в пару отверстий, включающую в себя первое отверстие и второе отверстие, при этом указанный штифт фиксирует соединение первой и второй стенок.
Следует понимать, что первая кольцевая стенка содержит первые соединительные элементы, а вторая кольцевая стенка содержит вторые соединительные элементы, при этом первые и вторые соединительные элементы являются соответственно ответными по отношению друг к другу для обеспечения возможности их взаимодействия за счет их установки при монтаже в аксиальном и/или азимутальном направлении камеры сгорания. Другими словами, первые и вторые соединительные элементы устанавливают или вводят в контактное взаимодействие друг с другом посредством их перемещения друг относительно друга вдоль аксиального и/или азимутального направления камеры сгорания.
Камера сгорания может иметь две или более кольцевых стенок. При более чем двух стенках комплект из множества кольцевых стенок может быть зафиксирован штифтом. Например, один штифт может фиксировать вместе комплект из по меньшей мере трех (или более) отдельных стенок. В другом примере штифт может фиксировать вместе комплект из двух стенок, а именно из первой стенки и второй стенки, в то время как другой штифт фиксирует вместе комплект, состоящий из первой или второй стенки и из третьей стенки.
Следует понимать, что первая стенка содержит одно или более первых отверстий и что вторая стенка содержит одно или более вторых отверстий. Само собой разумеется, в одном варианте содержится столько же первых отверстий, сколько содержится вторых отверстий, при этом каждое первое отверстие спарено со вторым отверстием (или наоборот). Ниже, если не оговорено противоположное, термины «первое отверстие» и «второе отверстие» обозначают или единственное первое отверстие, или все первые отверстия, или единственное второе отверстие, или все вторые отверстия.
Камера сгорания содержит один или более штифтов. Ниже, если не оговорено противоположное, термин «штифт» используется для обозначения единственного штифта или всех штифтов. В качестве примера штифт может представлять собой стержень или зажим, выполненный с конфигурацией, обеспечивающей возможность его вставки одновременно в первое отверстие и во второе отверстие, образующие пару отверстий. Штифт вставлен с зазором или без зазора в пару, включающую в себя первое отверстие и второе отверстие. Подобный штифт взаимодействует только при вставке в пару отверстий или при контактном взаимодействии с парой отверстий для соединения вместе первой и второй стенок в отношении одной или более степеней свободы, например, в отношении поступательного перемещения в аксиальном направлении и/или в отношении поворота вокруг аксиального направления камеры сгорания, при этом, тем не менее, отсутствует блокировка всех степеней свободы. Подобный штифт обеспечивает возможность предотвращения или существенного снижения риска появления трещин по сравнению с традиционным использованием болтов. Таким образом, подобный штифт обеспечивает возможность сборки стенок камеры сгорания вместе без какой-либо необходимости в сварке и/или в обжатии вместе двух стенок, как делают с камерами сгорания в предшествующем уровне техники.
Само собой разумеется, когда камера сгорания содержит множество пар, состоящих из первого и второго отверстий, указанная камера сгорания может иметь множество штифтов, при этом каждый штифт будет вставлен в пару отверстий. В одном варианте, когда штифт предусмотрен в паре отверстий, в данную пару отверстий будет вставлен один штифт. В одном варианте содержится столько штифтов, сколько содержится пар из первого и второго отверстий. В одном варианте штифты являются аналогичными.
Штифт блокирует относительные перемещения первой и второй стенок в аксиальном направлении и/или по азимуту друг относительно друга. Таким образом, когда штифты вставлены в пару (-ы) отверстий, соединение между первой и второй стенками будет зафиксировано. Следовательно, для отделения первой и второй стенок друг от друга необходимо начать с извлечения штифта (-ов) из пары (пар), состоящей (-их) из первого и второго отверстий.
Таким образом, камера сгорания может быть собрана легко, быстро и с низкими затратами по сравнению с камерами сгорания по предшествующему уровню техники и при отсутствии необходимости в сварочной операции. Кроме того, подобная камера сгорания может быть также легко разобрана, в результате чего облегчаются операции технического обслуживания и текущего ремонта.
В некоторых вариантах осуществления первое отверстие и второе отверстие из пары отверстий расположены по существу напротив друг друга.
Также следует понимать, что термин «напротив» используется для обозначения того, что первое отверстие совмещено в аксиальном направлении и по азимуту со вторым отверстием и занимает такое же угловое положение. Другими словами первое и второе отверстия из пары отверстий не являются диаметрально противоположными. Подобная конфигурация с размещением напротив позволяет использовать штифты, которые являются простыми, и обеспечивает возможность простой и эффективной сборки.
В некоторых вариантах осуществления штифт образован инжектором.
Само собой разумеется, камера сгорания может иметь другие штифты, образованные другими элементами. В одном варианте камера сгорания может иметь множество штифтов, каждый из которых образован инжектором.
Использование инжектора в качестве штифта приводит к уменьшению массы камеры сгорания, при этом снижение массы представляет собой серьезную проблему в турбомашинах, используемых в авиации. Это также упрощает конструкцию камеры сгорания, что может способствовать облегчению сборки и/или разборки. Кроме того, при использовании инжекторов в качестве штифтов можно закрепить и установить камеру сгорания в заданном положении непосредственно данным способом внутри турбомашины.
В некоторых вариантах осуществления штифт проходит по существу в радиальном направлении.
Термин «по существу радиальное направление» используется для обозначения направления, которое параллельно радиальной плоскости и которое образует угол, находящийся в диапазоне от 60° до 120°, относительно оси камеры сгорания.
Подобная ориентация штифта (-ов) служит для облегчения сборки камеры сгорания, и фиксация соединения является еще более удовлетворительной.
В некоторых вариантах осуществления ответные соединительные элементы включают в себя множество аксиальных язычков, проходящих от одной стенки из первой и второй стенок, и множество отверстий, выполненных в другой стенке из первой и второй стенок, при этом язычки вставляются в указанные отверстия. При таких обстоятельствах ответные соединительные элементы образуют ответные элементы для осевого соединения.
Следует понимать, что первая стенка и/или вторая стенка содержит/содержат один или более язычков. Таким образом, первая стенка может иметь язычки, а вторая стенка не содержит никакого язычка, первая стенка может не иметь язычков, а вторая стенка содержит язычки, или в действительности первая стенка может иметь множество первых язычков, а вторая стенка содержит множество вторых язычков.
Другая стенка содержит отверстия, расположенные напротив язычков с возможностью приема язычков и взаимодействия с ними при соединении в аксиальном направлении. Таким образом, если только первая стенка содержит язычки, то вторая стенка содержит отверстия, если только вторая стенка содержит язычки, то первая стенка содержит отверстия, в то время как в том случае, если первая стенка содержит первые язычки и вторая стенка содержит вторые язычки, первая стенка содержит первые отверстия для приема вторых язычков и вторая стенка содержит вторые отверстия для приема первых язычков.
В одном варианте язычки и отверстия равномерно распределены (или разнесены) по азимуту. Таким образом, следует понимать, что угловой интервал между смежными язычками и смежными отверстиями является одинаковым. Такое распределение обеспечивает возможность получения некоторой степени симметрии вращения для ответных соединительных элементов, в результате чего облегчаются операции соединения стенок вместе и, следовательно, сборки камеры сгорания.
В некоторых вариантах осуществления отверстие одной из стенок из первой и второй стенок выполнено в выступающей лапке.
Следует понимать, что лапка представляет собой часть, выступающую от первой стенки, если отверстие представляет собой первое отверстие, или что лапка представляет собой часть, выступающую от второй стенки, если отверстие представляет собой второе отверстие. Такая конфигурация обеспечивает возможность уменьшения массы стенки при одновременном уменьшении габаритного размера камеры сгорания вблизи лапки. Кроме того, такая конфигурация обеспечивает возможность ограничения места расположения отверстия определенным положением, которое хорошо контролируется в камере сгорания, в результате чего снижается какой-либо риск утечек, при этом подобные утечки ухудшают эксплуатационные характеристики камеры сгорания.
В некоторых вариантах осуществления выступ, расположенный вблизи другого отверстия из первого отверстия и второго отверстия, проходит по существу параллельно оси указанного другого отверстия для взаимодействия с лапкой посредством соединения с защелкиванием.
Например, зона вблизи отверстия включает в себя кольцевую часть стенки, которая продолжается вокруг отверстия на расстоянии, более чем в три раза превышающем диаметр (или максимальный размер) отверстия. Например, выступ образован посредством выступа, полученного механической обработкой непосредственно на стенке, например, штамповкой, или посредством отдельной детали, прикрепленной к стенке.
Соединение с защелкиванием (или зажим) представляет собой способ сборки вместе двух частей посредством их контактного взаимодействия друг с другом и упругого деформирования (как правило, локального деформирования, например, лапки или деформирования всех компонентов, включенных в узел). Когда две части введены в контактное взаимодействие друг с другом в состоянии соединения с защелкиванием, они, как правило, вернулись к своим исходным формам и больше не имеют никакой упругой деформации (или они имеют меньшую упругую деформацию). Когда две части введены в контактное взаимодействие друг с другом в состоянии соединения с защелкиванием, они взаимодействуют друг с другом так, чтобы противодействовать перемещениям указанных частей друг относительно друга или фактически блокировать перемещения указанных частей друг относительно друга в направлении выхода из контактного взаимодействия (направлении, противоположном по отношению к направлению ввода в контактное взаимодействие). В состоянии соединения с защелкиванием две части также могут взаимодействовать таким образом, что они будут противодействовать их перемещениям друг относительно друга или фактически блокировать их перемещения друг относительно друга в направлении для расширения их контактного взаимодействия за пределы положения/состояния соединения с защелкиванием.
Подобное соединение с защелкиванием позволяет удерживать первую и вторую стенки в соединенном положении перед фиксацией соединения посредством использования штифта.
В некоторых вариантах осуществления граница указанного другого отверстия образует выступ, проходящий по существу параллельно оси указанного другого отверстия для взаимодействия с лапкой посредством соединения с защелкиванием.
В некоторых вариантах осуществления одна из стенок из первой стенки и второй стенки содержит кольцевой буртик, проходящий аксиально и взаимодействующий встык с другой стенкой из первой стенки и второй стенки.
Подобный буртик обеспечивает возможность образования плоскости стыка между первой и второй стенками, в результате чего утечки из камеры сгорания минимизируются или уменьшаются до нуля.
В некоторых вариантах осуществления камера сгорания содержит только две кольцевые стенки, ограничивающие объем камеры сгорания, а именно первую кольцевую стенку и вторую кольцевую стенку.
Таким образом, достаточно первой и второй стенок самих по себе для образования объема камеры сгорания. Подобная камера сгорания содержит особенно малое число стенок, в результате чего ее сборка будет значительно более простой, быстрой и недорогой. Кроме того, также облегчаются операции разборки в целях технического обслуживания и текущего ремонта. Кроме того, камера сгорания, имеющая такое малое число стенок, создает особо низкие риски утечек вблизи стыков между различными стенками.
В соответствии с одним вариантом осуществления разработана турбомашина, включающая в себя камеру сгорания в соответствии с любым из вариантов осуществления, описанных в настоящем описании.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение и его преимущества могут быть лучше поняты при чтении нижеследующего подробного описания различных вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве неограничивающих примеров. Описание относится к сопровождающим листам фигур, в которых:
фиг.1 показывает турбомашину, имеющую камеру сгорания;
фиг.2 показывает кольцевые стенки камеры сгорания по фиг.1 на виде в перспективе;
фиг.3 представляет собой детализированный вид кольцевых стенок по фиг.1; и
фиг.4 показывает кольцевые стенки по фиг.1, когда они собраны вместе.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 показывает турбомашину 100, имеющую кольцевую камеру 10 сгорания, в то время как фиг.2-4 показывают две кольцевые стенки 12 и 14 камеры 10 сгорания более подробно. Следует отметить, что камера 10 сгорания представляет собой кольцевую камеру типа камеры сгорания с обратным потоком, но изобретение не ограничено данным определенным типом камеры сгорания.
Камера 10 сгорания содержит аксиальное направление (вдоль оси Х), радиальное направление R и азимутальное направление Y. Камера 10 сгорания содержит вращательную симметрию относительно оси Х. В данном примере первая стенка 12 образует жаровую трубу, ограничивающую объем, в котором воспламеняется топливо, то есть объем, в котором происходит сгорание. Вторая стенка 14 образует наружный отвод и служит в качестве дефлектора для направления потока газа, выходящего из жаровой трубы. Данный пример 10 камеры сгорания содержит только две кольцевые стенки 12 и 14 для ограничения объема 10а камеры 10 сгорания.
В частности, каждая из первой стенки 12 и второй стенки 14 содержит общую форму, которая по существу представляет собой половину тора, при этом тор разделен перпендикулярно его оси вращения подобно тороидальной форме, при этом две половины тора размещены напротив друг друга. Таким образом, каждая стенка 12 и 14 содержит наружную часть 12а, 14а, которая является по существу аксиальной, внутреннюю часть 12b, 14b, которая является по существу аксиальной, и дно 12с, 14с, которое является по существу радиальным и соединяет наружную и внутреннюю части 12а и 12b первой стенки 12 или наружную и внутреннюю части 14а, 14b второй стенки 14. Следует напомнить, что, как правило, и если не оговорено противоположное, прилагательные «внутренний» и «наружный» используются по отношению к радиальному направлению так, что внутренняя часть (то есть радиально внутренняя часть) элемента находится ближе к оси Х, чем наружная часть (то есть радиально наружная часть) того же самого элемента.
В данном примере радиус наружной части 12а первой стенки 12 по существу равен радиусу наружной части 14а, но меньше радиуса наружной части 14а второй стенки 14, в то время как радиус внутренней части 12b первой стенки 12 больше радиуса 14b второй стенки 14. Таким образом, при сборке существует возможность соединения первой стенки 12 со второй стенкой 14 посредством их наружных стенок 12а и 14а, при этом наружная часть 12а первой стенки 21 будет размещена внутри наружной части 14а второй стенки 14, при этом различие в радиусе внутренних частей 12b и 14b служит для образования выпускного канала для газообразных продуктов сгорания.
Первая стенка 12 содержит множество язычков 12d, проходящих в аксиальном направлении, а вторая стенка 14 содержит множество отверстий 14d, выполненных с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема язычков 12d первой стенки 12. Язычки 12d и отверстия 14d в данном примере образуют ответные аксиальные соединительные элементы первой и второй стенок 12 и 14. Само собой разумеется, в варианте, который не показан, язычки могут образовывать ответные элементы для соединения по азимуту или для соединения как в аксиальном направлении, так и по азимуту.
Аксиальные язычки 12d проходят в аксиальном направлении от наружной части 12а первой стенки 12. Отверстия 14d расположены в кольцевом буртике 14е, который проходит в радиальном направлении и который соединяет наружную часть 14а с дном 14с второй стенки 14. В данном примере содержится столько же язычков 12d, сколько отверстий 14d, при этом каждое отверстие 14d принимает один язычок 12d.
Когда первую стенку 12 соединяют в аксиальном направлении со второй стенкой 14, обеспечивают вход язычков 12d в отверстия 14d, при этом свободный, определяемый в аксиальном направлении конец наружной части 12а первой стенки взаимодействует с буртиком 14е за счет входа в контакт с ним в аксиальном направлении.
Первая стенка 12 содержит множество первых сквозных отверстий 12f, при этом оси данных отверстий 12f проходят в радиальном направлении. Данные отверстия 12f расположены в наружной части 12а стенки 12. Вторая стенка 14 содержит вторые сквозные отверстия 14f с осями, которые проходят в радиальном направлении. Отверстия 14f расположены в лапках 14g, которые выступают в аксиальном направлении от наружной части 14а второй стенки 14. В данном примере отверстия 12f и 14f являются по существу круглыми, однако, само собой разумеется, они могут иметь какую-либо другую форму. Когда первая и вторая стенка 12 и 14 соединены, отверстия 12f и 14f обращены друг к другу/расположены напротив друг друга. В этом примере содержится столько же первых отверстий 12f, сколько вторых отверстий 14f.
Гильза 16, выполненная с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема инжектора 18, закреплена в каждом первом отверстии 12f, например, посредством сварки или обжатия. Гильза 16 образует граничный элемент, который выступает наружу вдоль оси каждого первого отверстия 12f. Максимальный радиус гильзы 16 меньше радиуса второго отверстия 14f. Таким образом, во время соединения первой и второй стенок 12 и 14 каждая лапка 14g взаимодействует с гильзой 16 посредством соединения с защелкиванием.
Для блокировки соединения с защелкиванием лапок 14g с гильзами 16 после соединения первой и второй стенок 12 и 14 при сборке скобу 20 устанавливают на наружной стороне наружной части 12а первой стенки 12. В качестве примера скобу 20 приваривают. Подобная скоба 20 обеспечивает промежуточную блокировку соединения стенок 12 и 14 перед установкой инжекторов 18, которые описаны ниже и которые образуют штифты для фиксации соединения. Могут быть предусмотрены одна или более скоб. В данном примере содержится столько же скоб 20, сколько лапок 14g. Само собой разумеется, данные скобы 20 являются возможными, но необязательными, и, таким образом, они могут быть исключены в некоторых вариантах камер сгорания.
Когда первая и вторая стенки 12 и 14 соединены в аксиальном направлении, первые отверстия 12f обращены ко вторым отверстиям 14f. После этого инжектор 18 вставляют в каждую пару из обращенных друг к другу/расположенных напротив друг друга первого и второго отверстий 12f и 14f, при этом инжектор образует штифт, который фиксирует соединение первой и второй стенок 12 и 14. Инжекторы 18 проходят в радиальном направлении через каждую пару отверстий 12f и 14f. Инжекторы 18 вставляются с зазором в каждую пару отверстий так, чтобы обеспечить возможность относительных перемещений каждого из элементов, обусловленных разным тепловым расширением, но, тем не менее, они обеспечивают соединение вместе первой и второй стенок 12 и 14 при поступательном перемещении вдоль аксиального направления Х и при повороте в азимутальном направлении Y. Само собой разумеется, гильза 16 также способствует соединению вместе первой и второй стенок 12 и 14, но данное соединение является сравнительно хрупким, в частности, вследствие разных тепловых расширений, которые при некоторых обстоятельствах могут привести к прекращению эффективного взаимодействия лапок 14g с гильзами 16, даже несмотря на скобы 20. Таким образом, существенная часть блокировки соединения между первой и второй стенками 12 и 14 обеспечивается штифтами, которые образованы инжекторами 18.
Несмотря на то, что настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные варианты осуществления, очевидно, что модификации и изменения данных вариантов осуществления могут быть выполнены без выхода за пределы общего объема изобретения, определяемого формулой изобретения. В частности, отдельные признаки различных показанных и/или упомянутых вариантов осуществления могут быть скомбинированы в дополнительных вариантах осуществления. Следовательно, описание и чертежи должны рассматриваться в иллюстративном, а не в ограничивающем смысле.