КОНСТРУКЦИЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ИМЕЮЩЕЙ ДЕФЛЕКТОР С ВЫСТУПАЮЩЕЙ КРОМКОЙ, КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ВЫШЕУКАЗАННУЮ КОНСТРУКЦИЮ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
DESIGN OF COMBUSTION CHAMBER FOR GAS TURBINE ENGINE, WHICH HAS DEFLECTOR WITH PROJECTING EDGE, COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE, WHICH CONTAINS ABOVE MENTIONED DESIGN, AND GAS TURBINE ENGINE

Предшествующий уровень техники
Предлагаемое изобретение относится к области конструирования камер сгорания для газотурбинного двигателя. Более конкретно, изобретение относится к конструкции, содержащей донную часть, в которой выполнено по меньшей мере одно круглое отверстие, систему впрыскивания, связанную с упомянутым отверстием, и дефлектор, установленный с задней по потоку стороны донной части этой камеры сгорания в упомянутом отверстии.
В общем случае кольцевая камера сгорания для газотурбинного двигателя содержит две продольные кольцевые стенки (а именно внутреннюю стенку и наружную стенку), которые связаны между собой на их передних по потоку концах при помощи также кольцевой поперечной стенки, образующей донную часть этой камеры сгорания. Эта донная стенка камеры сгорания снабжена множеством круглых и равномерно распределенных по окружности отверстий, в которых устанавливаются системы впрыскивания смеси топлива с воздухом, предназначенной для воспламенения и сгорания внутри этой камеры сгорания.
Топливо подается через системы впрыскивания посредством инжекторов, жестко связанных с кожухом газотурбинного двигателя, головки которых центрированы на системах впрыскивания. Что касается воздуха, то он вводится в каждую систему впрыскивания посредством одного или нескольких завихрителей воздуха, открывающихся по потоку позади головки инжектора топлива. Кроме того, конический корпус, расширяющийся в направлении по потоку, установлен в каждом из упомянутых отверстий для того, чтобы обеспечить требуемое распределение смеси воздуха с топливом в первичной зоне камеры сгорания. И наконец, дефлектор, установленный в каждом из отверстий, выполненных в донной части камеры сгорания с задней по потоку стороны этой донной части, обеспечивает тепловую защиту донной части камеры сгорания от повышенной температуры газов, образующихся в результате сгорания смеси воздуха с топливом в камере сгорания.
Существуют определенные различия в степени теплового расширения между кожухом газотурбинного двигателя, который жестко связан с инжекторами топлива, и стенками камеры сгорания. Для того чтобы компенсировать эти различия в степени теплового расширения, необходимо предусмотреть наличие определенной степени свободы перемещения между камерой сгорания и системами впрыскивания топлива. Для решения этой проблемы может быть предусмотрено центрирование головки инжекторов топлива на скользящем переходном элементе, который имеет возможность перемещаться в радиальном направлении по отношению к системе впрыскивания (здесь можно обратиться, например, к патенту ЕР 0833107). Альтернативным образом, в определенных ситуациях, погрешность концентричности между инжектором топлива и связанной с ним системой впрыскивания оказывается неприемлемой, так что компенсация расхождений в результате теплового расширения должна осуществляться при помощи скольжения системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания. Предлагаемое изобретение относится к конструкции камеры сгорания этого типа.
Существует еще одна проблема такой компоновки камеры сгорания. В случае разрушения одного из паяных или сварных соединений, при помощи которых детали, образующие такую конструкцию, соединяются между собой, необходимо не допустить того, чтобы какая-либо из этих деталей могла оторваться и упасть внутрь камеры сгорания с риском повредить турбину высокого давления, установленную на выходе из этой камеры сгорания. Для того чтобы исключить такую возможность, известен прием, который состоит в придании деталям, образующим данную конструкцию, диаметра, превышающего диаметр отверстия в донной части камеры сгорания, и в установке этих деталей с передней по потоку стороны донной части камеры сгорания.
Кроме того, обычно практикуется оснащение конического корпуса системы впрыскивания ободком, который выступает внутрь донной части камеры сгорания и который проходит параллельно этой донной части. Основная функция такого ободка состоит в том, чтобы защитить систему впрыскивания от пламени горения в случае возможного децентрирования системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания. Однако при использовании конструкции, в которой образующие ее детали устанавливаются с передней по потоку стороны донной части камеры сгорания, этот ободок конического корпуса, который должен проходить сквозь отверстие в этой донной части камеры сгорания, обязательно имеет диаметр, меньший, чем диаметр этого отверстия. Из сказанного выше следует, что в случае существенного децентрирования системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания такой ободок конического корпуса больше не будет выполнять свою функцию тепловой защиты от пламени горения.
Сущность изобретения
Таким образом, задача данного изобретения состоит в том, чтобы устранить отмеченные выше недостатки и предложить конструкцию камеры сгорания для газотурбинного двигателя, которая позволяет обеспечить эффективную защиту системы впрыскивания от пламени горения при любом возможном децентрировании системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания и при условии, что ни одна из образующих эту конструкцию деталей не имеет возможности упасть внутрь камеры сгорания в случае разрушения закрепляющего эту деталь паяного или сварного соединения.
Эта задача решается при помощи конструкции камеры сгорания для газотурбинного двигателя, содержащей донную часть камеры сгорания, в которой выполнено по меньшей мере одно по существу круглое отверстие, дефлектор, установленный с задней по потоку стороны донной части камеры сгорания в упомянутом отверстии при помощи кольцевой направляющей гильзы, систему впрыскивания, связанную с упомянутым отверстием и содержащую кольцевой конический корпус, расширяющийся в направлении по потоку и проходящий сквозь упомянутое отверстие, и средства, обеспечивающие возможность децентрирования системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания, причем в этой конструкции дефлектор содержит кольцевую выступающую кромку, проходящую в радиальном направлении внутрь, а конический корпус системы впрыскивания содержит на своем заднем по потоку конце кольцевую канавку, открытую в направлении наружу и располагающуюся на одной линии в радиальном направлении с упомянутой выступающей кромкой дефлектора таким образом, чтобы эта выступающая кромка имела возможность погружаться в упомянутую канавку в случае децентрирования системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания.
Наличие этой выступающей кромки дефлектора позволяет обеспечить эффективную защиту конического корпуса системы впрыскивания от пламени горения при любом возможном децентрировании системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания. Кроме того, при использовании такой конструкции все детали, образующие систему впрыскивания, могут иметь диаметр, превышающий диаметр отверстия в донной части камеры сгорания, и установлены с передней по потоку стороны, что препятствует прохождению какой-либо из этих деталей сквозь упомянутое отверстие и попаданию внутрь камеры сгорания, в частности, в случае дефектов в паяных или сварных соединениях.
В соответствии с предпочтительным способом осуществления предлагаемого изобретения кольцевая канавка конического корпуса образована двумя боковыми стенками, отстоящими друг от друга в осевом направлении и связанными между собой кольцевой донной частью, причем расстояние между упомянутыми боковыми стенками этой канавки превышает толщину выступающей кромки дефлектора таким образом, чтобы обеспечить возможность циркуляции воздуха вентиляции при любом возможном децентрировании системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания.
В соответствии с другим предпочтительным способом реализации предлагаемого изобретения средства обеспечивающие возможность децентрирования системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания представляют собой кольцо сжатия, установленное с передней по потоку стороны донной части камеры сгорания и закрепленное против направляющей гильзы, вместе с которой они определяют кольцевую канавку, открытую со стороны оси отверстия, выполненного в донной части камеры сгорания, причем конический корпус системы впрыскивания дополнительно содержит кольцевой фланец, имеющий возможность скользить в радиальном направлении в канавке, сформированной кольцом сжатия и направляющей гильзой.
Предпочтительно, чтобы указанный фланец конического корпуса продолжался в направлении по потоку при помощи по существу цилиндрической части, которая соединяется с канавкой при помощи кольцевого выступа. В этом случае предпочтительно, чтобы кольцевой выступ конического корпуса содержал множество отверстий вентиляции, открывающихся с передней по потоку стороны донной части камеры сгорания и выходящих с задней по потоку стороны этой донной части камеры сгорания, против выступающей кромки дефлектора.
Предпочтительно, чтобы радиальная высота выступающей кромки дефлектора была по меньшей мере равна высоте фланца конического корпуса, чтобы обеспечить защиту системы впрыскивания при любом возможном децентрировании системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания.
Предпочтительно также, чтобы система впрыскивания дополнительно содержала по меньшей мере один завихритель воздуха, закрепленный на переднем по потоку конце конического корпуса, и кольцо центрирования, закрепленное на переднем по потоку конце упомянутого завихрителя воздуха и охватывающее инжектор топлива.
Объектом предлагаемого изобретения также является камера сгорания и газотурбинный двигатель, содержащий конструкцию описанного выше типа.
Краткое описание фигур
Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из описания примера его осуществления, не носящего ограничительный характер и приводимого со ссылками на приведенные в приложении фигуры, в числе которых:
фиг.1 представляет собой частичный схематический вид в разрезе камеры сгорания, содержащей конструкцию в соответствии с предлагаемым изобретением;
фиг.2 и 3 представляют собой виды, соответствующие виду, показанному на фиг.1, на которых система впрыскивания показана децентрированной по отношению к донной части камеры сгорания.
Подробное описание способа осуществления изобретения
На фиг.1-3 представлены частичные виды в разрезе камеры сгорания газотурбинного двигателя 2, оборудованной конструкцией в соответствии с предлагаемым изобретением.
Как хорошо известно из уровня техники, такая камера сгорания 2 образована внутренней кольцевой продольной стенкой и наружной кольцевой продольной стенкой (эти стенки не представлены на фиг.1), причем эти стенки связаны на своих передних по потоку концах соответственно при помощи кольцевой поперечной стенки 4, образующей донную часть камеры сгорания.
Донная часть 4 камеры сгорания содержит переднюю по потоку сторону 4а и заднюю по потоку сторону 4b, причем эта задняя по потоку сторона ориентирована внутрь камеры сгорания 2. В этой донной части камеры сгорания выполнено множество отверстий 6, которые отстоят друг от друга на одинаковые расстояния и каждое из которых имеет по существу круглую форму с осью Х-Х. Система впрыскивания 8 смеси топлива с воздухом связана с каждым из этих отверстий 6.
Дефлектор 10, обеспечивающий защиту донной части 4 камеры сгорания от пламени горения, также установлен в каждом из отверстий 6 с задней по потоку стороны 4b донной части камеры сгорания посредством кольцевой направляющей гильзы 12, выступающей с передней по потоку стороны.
В соответствии с предлагаемым изобретением дефлектор 10 содержит выступающую кольцевую кромку 14, которая проходит в радиальном направлении внутрь (то есть в направлении оси Х-Х отверстия 6 донной части камеры сгорания). Как об этом более подробно будет сказано ниже, эта выступающая кромка 14 дефлектора выполняет функцию обеспечения защиты системы впрыскивания от пламени горения.
Каждая система впрыскивания 8 имеет ось вращения Y-Y и содержит, в частности, инжектор топлива, жестко связанный с кожухом газотурбинного двигателя (на приведенных в приложении фигурах не показан). Головка 16 этого инжектора топлива располагается с передней по потоку стороны 4а донной части 4 камеры сгорания и центрирована на упомянутой оси Y-Y системы впрыскивания посредством охватывающего ее кольца центрирования 18.
Один или несколько завихрителей 20 воздуха, снабженных, в случае необходимости, трубкой Вентури 22, закреплены на заднем по потоку конце кольца 18 центрирования системы впрыскивания. Этот или эти завихрители 20 воздуха позволяют воздуху попадать в систему впрыскивания вдоль по существу радиального направления и смешиваться с топливом, подаваемым через головку 16 топливного инжектора. Полученная таким образом смесь топлива с воздухом поступает затем в камеру сгорания 2 для воспламенения и сгорания.
Каждая система 8 впрыскивания содержит также так называемое кольцо 24 сжатия, которое установлено с передней по потоку стороны 4а донной части 4 камеры сгорания и закреплено против направляющей гильзы 12 удержания дефлектора 10. Это кольцо 24 сжатия центрировано на оси Х-Х отверстия 6 донной части камеры сгорания и формирует, совместно с направляющей гильзой 12, кольцевую канавку 26, которая является открытой со стороны расположения оси Х-Х.
Каждая система 8 впрыскивания содержит также конический корпус 28, закрепленный против заднего по потоку конца завихрителя 20 воздуха, функция которого состоит в обеспечении удовлетворительного распределения смеси топлива с воздухом в первичной зоне камеры сгорания.
Конический корпус 28 установлен в соответствующем отверстии 6 донной части 4 камеры сгорания и проходит сквозь это отверстие. Этот конический корпус выполнен в целом в форме кольца, центрированного на оси Y-Y системы впрыскивания, и завершается на своем заднем по потоку конце кольцевой канавкой 30, имеющей поперечное сечение U-образной формы, и эта канавка является открытой в направлении наружу (то есть открытой со стороны, противоположной оси Х-Х отверстия в донной части камеры сгорания) и располагается на одной линии в радиальном направлении с выступающей кромкой 14 дефлектора 10.
На своем переднем по потоку конце конический корпус 28 содержит кольцевой фланец 32, установленный с передней по потоку стороны 4а донной части 4 камеры сгорания и имеющий возможность скользить в радиальном направлении внутри канавки 26, сформированной между кольцом 24 сжатия и направляющей гильзой 12 удержания дефлектора 10 таким образом, чтобы обеспечить возможность децентрирования системы 8 впрыскивания по отношению к донной части 4 камеры сгорания.
Таким образом, головка 16 топливного инжектора и система 8 впрыскивания в целом установлены с возможностью скольжения по отношению к донной части 4 камеры сгорания для того, чтобы компенсировать отклонения, связанные с тепловым расширением, между кожухом двигателя и камерой сгорания. При использовании конструкции этого типа головка 16 топливного инжектора остается, таким образом, постоянно центрированной по отношению к системе 8 впрыскивания.
Фланец 32 упомянутого конического корпуса продолжается в направлении по потоку по существу цилиндрической частью 34, имеющей диаметр, меньший, чем диаметр отверстия 6, и который соединяется с канавкой 30 при помощи кольцевого выступа 36, располагающегося с передней по потоку стороны этой канавки. Канавка 30 располагается позади кольцевой скобы 38, которая проходит в радиальном направлении наружу и диаметр которой меньше диаметра кольцевого выступа 36.
Канавка 30 конического корпуса сформирована двумя боковыми кольцевыми стенками, которые отстоят друг от друга в осевом направлении и связаны между собой на их внутренних концах при помощи кольцевой донной части 40, причем одна из этих стенок 42 связана на своем наружном конце со скобой 38.
Скоба 38 представляет собой часть конического корпуса и располагается в его самой задней по потоку зоне. Эта скоба продолжается в направлении против потока частью 46, которая расширяется в направлении по потоку, причем эта расширяющаяся часть 46 сама, в свою очередь, продолжается в направлении против потока цилиндрической частью 48, которая является концентрической по отношению к цилиндрической части 34 упомянутого конического корпуса (и имеет диаметр, меньший, чем диаметр этой цилиндрической части) и соединяется с завихрителем 20 воздуха. Расширяющаяся часть 46 конического корпуса содержит множество сквозных отверстий 50 введения воздуха.
Кольцевой выступ 36 конического корпуса содержит также множество отверстий 52 вентиляции, открывающихся с передней по потоку стороны донной части 4 камеры сгорания и выходящих с задней по потоку стороны этой донной части 4 камеры сгорания, против выступающей кромки 14 дефлектора 10. Воздух, циркулирующий через эти отверстия 52 вентиляции, предназначен для охлаждения с передней по потоку стороны выступающей кромки 14 дефлектора и затем циркулирует в канавке 30 конического корпуса для того, чтобы создать воздушную пленку, движущуюся затем в радиальном направлении вдоль задней по потоку стороны дефлектора 10 для того, чтобы обеспечить его охлаждение.
В дальнейшем более подробно будет описано функционирование такой конструкции, в частности, в случае децентрирования системы 8 впрыскивания по отношению к донной части 4 камеры сгорания.
На фиг.1 представлен вид, на котором отсутствует всякое децентрирование системы 8 впрыскивания по отношению к донной части 4 камеры сгорания (здесь ось Х-Х отверстия 6 донной части камеры сгорания располагается на одной линии с осью вращения Y-Y системы впрыскивания). В этом положении выступающая кромка 14 дефлектора 10, которая проходит в радиальном направлении внутрь, обеспечивает достаточно эффективную тепловую защиту системы впрыскивания (в частности, фланца 32) от воздействия пламени горения.
На фиг.2 представлен один из двух возможных случаев максимального децентрирования между системой впрыскивания и донной частью камеры сгорания (при этом ось вращения Y-Y системы впрыскивания смещена в радиальном направлении наружу по отношению к оси Х-Х отверстия, выполненного в донной части камеры сгорания). В этой ситуации радиальное расстояние, отделяющее выступ 36 от донной части 40 канавки 30 конического корпуса, по меньшей мере равно радиальной высоте выступающей кромки 14 дефлектора 10 так, что эта выступающая кромка имеет возможность полностью входить в эту канавку конического корпуса. Фланец 32 системы впрыскивания, который полностью убирается в канавку 26, оказывается, таким образом, хорошо защищенным от пламени горения.
На фиг.3 представлен другой возможный случай максимального децентрирования между системой впрыскивания и донной частью камеры сгорания (при этом ось вращения Y-Y системы впрыскивания смещена в радиальном направлении внутрь по отношению к оси Х-Х отверстия, выполненного в донной части камеры сгорания). В этой ситуации выступающая кромка 14 дефлектора 10 продолжает выполнять свою функцию обеспечения тепловой защиты системы впрыскивания от пламени горения, полностью перекрывая фланец 32. Это связано с тем обстоятельством, что радиальная высота этой выступающей кромки 14 дефлектора предпочтительно является по меньшей мере равной радиальной высоте фланца 32 конического корпуса.
В соответствии с предпочтительной характеристикой предлагаемого изобретения расстояние, разделяющее боковые стенки 42, 44 канавки 30, выполненной в коническом корпусе, превышает толщину выступающей кромки 14 дефлектора 10, чтобы обеспечить возможность циркуляции воздуха вентиляции, проходящего сквозь отверстия 52, выполненные в выступе 36, при любом возможном децентрировании системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания. Таким образом, в предельном случае децентрирования, представленном на фиг.2, воздух вентиляции, полученный из отверстий 52, продолжает циркулировать внутри канавки 30, обтекая выступающую кромку 14 дефлектора.
Монтаж конструкции в соответствии с предлагаемым изобретением осуществляется следующим образом. Направляющая гильза 12 удержания дефлектора, конический корпус 28, кольцо 24 сжатия, завихритель 20 воздуха и кольцо 18 центрирования устанавливаются в направлении по потоку (то есть с передней по потоку стороны 4а донной части 4 камеры сгорания) и соединяются друг с другом (например, при помощи паяных или сварных соединений). Что касается дефлектора 10, то он устанавливается в отверстие 6 донной части 4 камеры сгорания в направлении против потока (то есть с задней по потоку стороны 4b донной части камеры сгорания), после чего закрепляется в направляющей гильзе 12.
Таким образом, представляется понятным, что даже в случае разрушения паяного или сварного соединения, обеспечивающего связь между различными деталями, образующими систему впрыскивания, ни одна из этих деталей не может упасть в камеру сгорания 2.
Представляется также понятным, что, с учетом того обстоятельства, что дефлектор 10 устанавливается с задней по потоку стороны, выступающая кромка 14 этого дефлектора может иметь диаметр, меньший, чем диаметр отверстия 6 донной части 4 камеры сгорания, который выбирается в функции максимально возможных отклонений децентрирования системы впрыскивания по отношению к донной части камеры сгорания для обеспечения постоянной тепловой защиты системы впрыскивания от пламени горения.