ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
TURBOJET ENGINE

Изобретение относится к турбореактивному двигателю, включающему в себя сверху вниз, по направлению движения первичного потока, компрессор высокого давления, диффузор и камеру сгорания, при этом компрессор высокого давления содержит внешнюю обечайку, радиально ограничивающую канал указанного первичного потока и соединенную с кольцеобразной конструкцией, которая радиально выступает наружу, диффузор содержит в качестве продолжения внешней обечайки компрессора в осевом направлении внешний картер, соединенный с конической опорой, направленной к задней части двигателя и ограничивающей сверху основание камеры сгорания, опора, в свою очередь, соединена с внешней обечайкой картера, простирающегося по направлению вверх и закрепленного на кольцеобразной конструкции при помощи фиксирующих элементов, при этом опора, внешняя обечайка картера и кольцеобразная конструкция формируют полость вокруг вышеупомянутого диффузора, в опоре предусмотрены воздухозаборные отверстия для соединения основания камеры с вышеупомянутой полостью, а внешняя обечайка оснащена выходными отверстиями для забранного воздуха.
Забор воздуха, необходимого для кабины самолета, оснащенного, по меньшей мере, одним турбореактивным двигателем, производится в основании камеры сгорания в зоне, где он менее всего снижает общий КПД двигателя. Забор воздуха осуществляется через отверстия опоры, что дает возможность размещать выходные отверстия для забираемого воздуха. Такое расположение обеспечивает герметичность между каналом компрессора высокого давления и полостью, расположенной выше сетки диффузора.
Герметичность трудно реализовать ввиду наличия относительных перемещений между диффузором и внешней обечайкой компрессора, составляющих порядка 1,5 мм в осевом направлении и точно такого же порядка в радиальном направлении и возникающих вследствие термических и механических реакций различных деталей в среде, подвергнутой воздействию высоких давлений, которые могут достигать 30 бар, и повышенных температур, которые могут достигать 650°С.
Настоящая технология, призванная обеспечить герметичность между компрессором и внешним картером сетки, основана на применении плоской прокладки и подпружиненной контр-прокладки. Эта технология дает реальную возможность достаточно большого перемещения между двумя деталями. В патентах FR 2829796, US 6464457, US 6435820 раскрыт тип герметичных соединений на прокладках, используемых в авиации и устанавливаемых между элементами, перемещающимися относительно друг друга.
На фиг.1 изображено устройство из известного уровня техники, в частности компрессор высокого давления 1 турбореактивного двигателя, содержащего сверху вниз по направлению первичного потока Р1 турбинное колесо с неподвижными лопатками 2, которое тянется радиально по направлению внутрь, начиная от внешнего картера 3, турбинное колесо с подвижными лопатками 4, установленными на периферии колеса компрессора 5, и простирающееся по направлению наружу до внешней обечайки 6 компрессора, радиально ограничивающего при помощи внешнего картера 3 канал первичного потока, причем внешняя обечайка 6 соединена с кольцеобразной конструкцией 7, имеющей V-образное сечение в плоскости, содержащей ось турбореактивного двигателя, и тянущейся радиально по направлению наружу, и закрепленной на внешнем картере двигателя при помощи болтового соединения.
В нижней части компрессора 1 предусмотрен диффузор 10, который получает воздух, сжатый компрессором 1, и подает его в камеру сгорания 11. Диффузор 10 имеет в качестве продолжения в осевом направлении внешней обечайки 6 компрессора 1 внешний картер 12, соединенный с конической опорой 13, направленной по направлению к задней части турбореактивного двигателя, причем опора 13 определяет верхнюю стенку основания камеры сгорания 11 и соединена своим внешним радиальным участком с внешней обечайкой 14 картера, простирающейся по направлению вверх и имеющей верхний фланец 15, служащий для закрепления при помощи болтового соединения узла, образованного камерой сгорания и диффузором, на радиально внешнем фланце 16 кольцеобразной конструкции 7.
Таким образом, полость 20, окружающая диффузор 10, ограничена в осевом направлении кольцеобразной конструкцией 7 и опорой 13, в радиальном направлении наружу - внешней обечайкой 14 картера и в радиальном направлении внутрь - нижней частью 6а внешней обечайки 6 компрессора и верхней частью 12а внешнего картера 12, причем зазор 21 разделяет эти две части.
Опора 13 имеет воздухозаборные отверстия 22 в основании камеры, а внешняя обечайка 14 картера оснащена выходными воздухозаборными отверстиями 23 для обеспечения подачи воздуха для вентиляции кабины самолета или для охлаждения других частей турбореактивного двигателя.
Герметичность между каналом компрессора и полостью 20 обеспечена так, как это детально показано на фиг.2, посредством разделенной на участки плоской прокладки 30, продублированной контрпрокладкой 31, установленной на периметре верхней части 12а внешнего картера 12 сетки диффузора. С этой целью нижняя часть 12а снабжена на своем периметре канавкой 32, ограниченной двумя фланцами, обозначенными 33а - верхний и 33b - нижний, которые содержат отверстия для установки заклепок 34. Прокладки 30 и контрпрокладки 31 упираются в нижнюю поверхность верхнего фланца 33а под воздействием пружин 35 и удерживаются заклепками 34. Пружины 35 также удерживаются заклепками 34. Внутренний радиальный участок кольцеобразной конструкции 7 имеет кольцеобразный выступ 40, который тянется в осевом направлении в полость 20 и край которого находится выше верхнего фланца 33а при отсутствии осевого перемещения между внешней обечайкой 6 компрессора 1 и внешним картером 12 диффузора, как это показано на фиг.2.
Пружины 35 упираются в прокладки в районе кольцеобразной зоны, отделяющей выступ 40 от верхнего фланца 33а. С другой стороны давление воздуха в полости 20 немного превосходит давление в канале на уровне зазора 21.
Опоры прокладок 30 - боковая поверхность выступа 40 и боковая поверхность верхнего фланца 33а - имеют выпуклые поверхности. Совместные усилия пружин 35 и разности давлений на две поверхности прокладок 30 сближают прокладки 30, поверхности которых в конфигурации, показанной на фиг.2, являются плоскими, что обеспечивает герметичность.
В некоторых фазах полета между прокладками 30 и выступом 40 остается зазор, дающий возможность утечки, в частности, когда выступ 40 проходит над канавкой 32, как это показано на фиг.4 и 5. Между двумя идущими одна за другой пружинами прокладки 30 отходят от выступа, и только небольшая разность давлений между двумя поверхностями может воспрепятствовать образованию этого зазора. В таком случае происходит утечка через зазор 41 между прокладками и краем выступа 40.
Напротив, когда диффузор 10 отдаляется от компрессора 1, как это видно на фиг.3, усилие, вызванное разностью давлений, и усилие пружин 35 обеспечивают надлежащую герметичность посредством деформации прокладок 30.
Двойные стрелки, показанные на фиг.2, обозначают относительные осевые и радиальные перемещения между нижним краем внешней обечайки 6 компрессора и верхним краем внешнего картера 12 диффузора 10.
Кроме того, следует отметить, что положение этого уплотнения, лежащего на внешнем картере 12, дает возможность установки узла камеры сгорания и диффузора на компрессор посредством относительного осевого перемещения указанного узла по отношению к компрессору и посредством болтового соединения внешних фланцев 15 и 16.
Задача изобретения состоит в обеспечении пути движения забранного воздуха в основание камеры через отверстия опоры и выходные отверстия, который позволил бы избавиться от необходимости герметизировать внутреннюю - радиальную область полости, окружающей сетку диффузора.
Задача решается тем, что в турбореактивном двигателе, включающем в себя по направлению сверху вниз движения первичного потока компрессор высокого давления, диффузор и камеру сгорания, причем компрессор высокого давления содержит внешнюю обечайку радиально ограничивающую канал первичного потока и соединенную с кольцеобразный конструкцией, которая выступает радиально по направлению наружу, сетка диффузора содержит в качестве продолжения в осевом направлении вышеупомянутой внешней обечайки компрессора внешний картер, соединенный с конической опорой, направленной назад и ограничивающей сверху основание вышеупомянутой камеры сгорания, опора, в свою очередь, соединена с внешней обечайкой картера, простирающегося по направлению вверх и закрепленного на вышеупомянутой кольцеобразной конструкции при помощи фиксирующих элементов, при этом опора, внешняя обечайка картера и кольцевая конструкция определяют полость вокруг диффузора, воздухозаборные отверстия выполнены в опоре, а внешняя обечайка картера оснащена выходными воздухозаборными отверстиями, согласно изобретению между воздухозаборным отверстием опоры и выходным воздухозаборным отверстием предусмотрена труба, первый конец которой установлен в выходном воздухозаборном отверстии посредством шарнирного соединения с возможностью вращения и без продольного перемещения и второй конец которой установлен в воздухозаборном отверстии посредством шарнирного соединения с возможностью вращения и перемещения.
Целесообразно, чтобы первый и второй концы трубы имели на своей периферии участки сферической поверхности.
Целесообразно также, чтобы воздухозаборное отверстие опоры было образовано цилиндрической внутренней поверхностью, диаметр которой в точности соответствует диаметру участка сферической поверхности второго конца трубы.
Целесообразно также, чтобы выходное отверстие представляло собой выходное воздухозаборное отверстие, выполненное в стенке внешней обечайки картера, и было ограничено цилиндрическим участком, расположенным сбоку от внешней поверхности вышеупомянутой обечайки и участком сферической поверхности, расположенным сбоку от внутренней поверхности обечайки и соединенным с предыдущим участком, а вышеупомянутые участки цилиндрической и сферической поверхностей имели диаметр, соответствующий диаметру участка сферической поверхности первого конца трубы.
Предпочтительно, чтобы указанная труба была выполнена из материала, имеющего коэффициент расширения, соответствующий коэффициенту расширения материала опоры и внешней обечайки картера.
Предпочтительно также, чтобы указанная труба, опора и внешняя обечайка картера были выполнены из одного и того же материала.
Предпочтительно также, чтобы поверхности шарнирных соединений были обработаны веществом, защищающим соприкасающиеся части и улучшающим относительное скольжение.
Предпочтительно также, чтобы указанное вещество являлось керамическим лаком на основе графита.
Другие преимущества и характеристики изобретения будут раскрыты в описании, приводимом ниже а качестве примера со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:
Фиг.1-5 изображают устройство, известное из уровня техники.
Фиг.1 - осевой разрез нижней части компрессора и диффузора по плоскости, проходящей через ось турбореактивного двигателя, который показывает расположение полости, сообщающейся с основанием камеры и в которую забирается воздух для кабины самолета, и установку уплотнительной прокладки, согласно известному уровню техники, между этой полостью и каналом первичного потока;
фиг.2 показывает в большем масштабе расположение уплотнительной прокладки в соответствии с состоянием техники;
фиг.3 показывает деформацию прокладки в случае увеличения зазора между внешней обечайкой компрессора и внешним картером сетки диффузора;
фиг.4 показывает деформацию той же прокладки в случае уменьшения зазора; и
фиг.5 представляет вид в перспективе уплотнительной прокладки в случае уменьшения зазора, который показывает возможность утечки;
фиг.6 показывает систему забора воздуха в кабину согласно изобретению.
Фиг.6 показывает нижнюю часть компрессора турбореактивного двигателя, статор которого имеет внешнюю обечайку 6, ограничивающую снаружи канал первичного потока, которая соединяется с кольцеобразной структурой 7 V-образного сечения, имеющей на своей периферии фланец 16, и диффузор 10, имеющий внешний картер 12 в качестве продолжения в осевом направлении внешней обечайки 6, верхняя часть 12а которого ограничивает зазор 21 между ней и нижним краем 6а внешней обечайки 6 компрессора.
Внешний картер 12 диффузора 10 соединяется с наклонной опорой 13, которая, в свою очередь, соединяется с внешней обечайкой 14 картера, которая тянется по направлению кверху и имеет на своем верхнем конце фланец 15. Фланец 15 и фланец 16 связаны между собой посредством болтового соединения.
Опора 13 имеет, по меньшей мере, одно сквозное отверстие 22, образованное цилиндрической внутренней поверхностью 51. Отверстие 22 служит для забора воздуха в основание камеры сгорания, в частности для вентиляции кабины самолета.
Внешняя обечайка 14 картера содержит также выходное воздухозаборное отверстие 23 для воздуха, подаваемого на вход трубы 50 питания устройства вентиляции кабины, не показанного на чертеже.
Оси выходного воздухозаборного отверстия 23 внешней обечайки 14 картера и воздухозаборного отверстия 22 опоры 13 расположены в одной меридиональной плоскости, содержащей ось турбореактивного двигателя.
Выходное воздухозаборное отверстие 23 ограничено со стороны внешней поверхности 14а внешней обечайки 14 участком 53 цилиндрической поверхности и со стороны внутренней поверхности 14b внешней обечайки 14 - участком 54 сферической поверхности, причем эти два участка внутренней поверхности, соединяются в меридиональной плоскости со стенкой внешней обечайки 14 картера, которая имеет бобышку вокруг выходного воздухозаборного отверстия 23.
Труба 60, пересекающая полость 20, связывает воздухозаборное отверстие 22 опоры 13 со входом трубы 50.
Труба 60 включает в себя первый конец 61, расположенный в выходном воздухозаборном отверстии 23 внешней обечайки 14, который имеет на своей периферии участок 62 сферической поверхности, диаметр которой равен или в точности соответствует диаметру участков цилиндрической 53 и сферической 54 поверхностей, ограничивающих выходное воздухозаборное отверстие 23.
Длина трубы 60 рассчитана таким образом, чтобы ее второй конец 63 был расположен в воздухозаборном цилиндрическом отверстии 22 опоры 13. Этот второй конец 63 имеет на своей периферии участок цилиндрической поверхности 64, диаметр которой равен или в точности соответствует диаметру цилиндрического воздухозаборного отверстия 22.
Таким образом, связь между трубой 60 и опорой 13 является подвижным соединением, которое дает возможность перемещения конца 63 в направлении оси воздухозаборного отверстия 22 и возможность вращения вокруг центра участка сферической поверхности 64.
Фронтальная поверхность первого конца 61 трубы 60 расположена на небольшом расстоянии от поверхности трубы 50, что препятствует смещению первого конца 61 трубы 60 и оставляет степень свободы первого конца вокруг центра участка сферической поверхности 62. Следует отметить, что входное отверстие трубы 50 могло бы содержать сферическую опорную поверхность, контактирующую со сферическим участком 62.
Таким образом, связь между трубой 60 и внешней обечайкой 14 картера реализована в виде шаровой опоры, ограниченной в перемещении, но способной вращаться.
Диаметр выходного воздухозаборного отверстия 23 превосходит диаметр воздухозаборного отверстия 22 для того, чтобы облегчить установку трубы 60. Второй конец 63 трубы 60 введен в выходное воздухозаборное отверстие 23 внешней обечайки 14 картера через внешнюю поверхность 14а.
Когда второй конец 63 помещается в воздухозаборное отверстие 22 опоры, участок сферической поверхности 62 первого конца 61 упирается в участок сферической поверхности 54 отверстия 23. Установка трубы 50 фиксирует первый конец 61, предотвращая его перемещение по отношению к оси выходного воздухозаборного отверстия 23.
Труба 60 выполнена из материала, который имеет коэффициент расширения, в точности соответствующий материалу диффузора и особенно опоры 13 и внешней обечайки 14 картера. Этот материал, в частности, может быть идентичным материалу диффузора, что позволят решить проблемы, связанные с перепадом температуры.
Сферические и цилиндрические поверхности подвижных соединений могут быть обработаны веществом, защищающим соприкасающиеся части и улучшающим относительное скольжение. В частности, эти поверхности могут быть обработаны керамическим лаком на основе графита.