КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ С УЛУЧШЕННЫМ ВНУТРЕННИМ КРЕПЕЖНЫМ ФЛАНЦЕМ
ANNULAR COMBUSTION CHAMBER FOR TURBO-MACHINE WITH IMPROVED INTERNAL MOUNTING FLANGE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к камерам сгорания турбомашин. Более конкретно, оно касается проблемы крепления кольцевой камеры сгорания турбомашины к корпусу турбомашины.
Уровень техники
По известной технологии кольцевая камера сгорания турбомашины образована внутренней и внешней кольцевыми стенками, соединенными поперечной (лобовой) стенкой, образующей днище камеры. Лобовая стенка камеры снабжена окнами, в которых установлены топливные форсунки.
Продолжениями внутренней и внешней стенок камеры сгорания в направлении течения газов являются кольцевые фланцы, прикрепляемые соответственно к внутренней и внешней оболочкам корпуса турбомашины. Эти фланцы служат для крепления камеры сгорания к корпусу турбомашины.
Воздух, поступающий из расположенной перед камерой сгорания ступени компрессора турбомашины, циркулирует между оболочками корпуса и кольцевыми стенками камеры сгорания. Этот воздух, поступающий в камеру сгорания, в частности, через отверстия, предусмотренные в ее стенках, участвует в сгорании топливно-воздушной смеси.
Кроме того, часть этого воздуха предназначена для поступления в контур охлаждения турбины высокого давления турбомашины, расположенной после камеры сгорания.
С этой целью внутренний крепежный фланец камеры сгорания обычно снабжен отверстиями, которые обеспечивают поступление воздуха из компрессора в охлаждающий контур турбины высокого давления. Эти отверстия, как правило, распределены регулярно по всей окружности внутреннего фланца.
Внутренняя оболочка корпуса турбомашины также снабжена отверстиями, выходящими в кольцевую полость, расположенную между внутренней оболочкой и внутренним крепежным фланцем камеры сгорания и соединенную с охлаждающим контуром турбины высокого давления.
Наличие отверстий для подачи воздуха во внутреннем крепежном фланце камеры сгорания снижает механическую устойчивость конструкции к вибрациям, порождаемым сгоранием воздушно-топливной смеси в камере сгорания.
Действительно, частоты, на которых происходят процессы сгорания воздушно-топливной смеси в камере сгорания, вызывают вибрации стенок данной камеры, причем эти вибрации распространяются вплоть до крепежных фланцев. Следовательно, крепежные фланцы должны быть достаточно гибкими для того, чтобы обеспечить гашение этих вибраций, но в то же время и достаточно жесткими, чтобы выполнять свою функцию фиксации камеры сгорания в корпусе.
Однако наличие отверстий во внутреннем крепежном фланце снижает механическую устойчивость фланца к вибрациям. Вибрации, возникающие в стенках камеры сгорания, связанные с регулярным распределением отверстий во внутреннем фланце, порождают явление вибрационного резонанса, которое может вызвать разрушение внутреннего фланца, в частности, между двумя соседними отверстиями.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в ослаблении указанных недостатков путем предложения камеры сгорания, обладающей большей механической устойчивостью к вибрациям, порожденным сгоранием воздушно-топливной смеси.
Для решения поставленной задачи в соответствии с изобретением предлагается кольцевая камера сгорания турбомашины, содержащая внутреннюю и внешнюю кольцевые стенки, соединенные лобовой стенкой, причем внутренняя и внешняя стенки продолжаются в направлении течения газов внутренним и внешним крепежными фланцами, прикрепляемыми соответственно к внутренней и внешней оболочкам корпуса турбомашины для фиксации камеры сгорания. При этом внутренний фланец снабжен отверстиями, предназначенными для подачи охлаждающего воздуха в турбину высокого давления турбомашины. Камера сгорания согласно изобретению характеризуется тем, что отверстия подачи воздуха, выполненные во внутреннем фланце, расположены, по меньшей мере, в два ряда в шахматном порядке.
Распределение отверстий внутреннего фланца, по меньшей мере, в два ряда и в шахматном порядке приводит к “разрушению” гармоник вибраций, порождаемых сгоранием воздушно-топливной смеси. Предлагаемое распределение позволяет, таким образом, предотвратить возникновение вибрационного резонанса и, следовательно, уменьшить опасность разрушения внутреннего крепежного фланца камеры сгорания.
В соответствии с полезным отличием изобретения отверстия подачи воздуха, выполненные во внутреннем фланце, смещены перпендикулярно радиальному направлению относительно отверстий, предусмотренных во внутренней стенке камеры сгорания.
Такое смещение отверстий, выполненных во внутреннем фланце, относительно отверстий во внутренней стенке камеры сгорания позволяет избежать прямого выпуска газов сгорания на внутреннюю оболочку корпуса, что, в частности, могло бы негативно сказаться на сроке ее службы.
В соответствии с другим полезным отличием изобретения отверстия подачи воздуха, выполненные во внутреннем фланце, смещены перпендикулярно радиальному направлению относительно отверстий, предусмотренных во внутренней оболочке корпуса.
По вышеуказанной причине это смещение относительно радиального направления также позволяет избежать прямого выпуска газов сгорания в направлении контура охлаждения турбины высокого давления.
Изобретение охватывает и внутренний фланец, предназначенный для крепления вышеописанной камеры сгорания.
Краткое описание чертежей
Другие свойства и достоинства настоящего изобретения станут ясны из нижеследующего описания, содержащего ссылки на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют пример осуществления изобретения, не вносящий каких-либо ограничений.
На чертежах:
- фиг.1 изображает в продольном разрезе камеру сгорания и окружающие ее части по одному из вариантов осуществления изобретения;
- фиг.2 изображает в перспективе и в разрезе часть деталей, показанных на фиг.1;
- фиг.3 представляет развертку внутреннего фланца и камеры сгорания по изобретению, иллюстрирующую расположение отверстий на этих частях.
Осуществление изобретения
На фиг.1 изображена камера сгорания турбомашины в соответствии с изобретением.
Турбомашина содержит компрессорную секцию (не представлена), в которой воздух сжимается перед введением в корпус 2 турбомашины, а затем - в камеру 4 сгорания, установленную внутри этого корпуса.
Сжатый воздух поступает в камеру сгорания и смешивается с топливом, после чего сжигается. Газы, образовавшиеся в результате сгорания, направляются к турбине 6 высокого давления, расположенной на выходе камеры 4 сгорания.
Камера 4 сгорания имеет кольцевую форму и образована кольцевой внутренней стенкой 4а и кольцевой внешней стенкой 4b, соединенными поперечной (лобовой) стенкой 4с, которая образует днище камеры сгорания.
Внутренняя стенка 4а и внешняя стенка 4b расположены вдоль продольной оси Х-Х, слегка наклоненной относительно продольной оси Y-Y турбомашины. Лобовая стенка (днище) 4с камеры снабжена окнами 8, в которых установлены топливные форсунки 10.
Корпус 2, образованный внутренней оболочкой 2а и внешней оболочкой 2b, образует вместе с камерой 4 сгорания кольцевую полость 12, в которую поступает сжатый воздух, предназначенный для подачи в зону горения, для разбавления газов сгорания и для охлаждения камеры. Камера 4 сгорания разделена на первичную зону (или зону сгорания) и вторичную зону (или зону смешения), расположенную после первичной зоны.
Воздух, поступающий в первичную и вторичную зоны камеры 4 сгорания, попадает в них через несколько рядов отверстий 14, 16, предусмотренных соответственно во внутренней стенке 4а и во внешней стенке 4b камеры сгорания.
Внутренняя стенка 4а и внешняя стенка 4b камеры сгорания продолжаются в направлении течения газов соответственно внутренним кольцевым фланцем 18 и внешним кольцевым фланцем 20.
Внутренний фланец 18 и внешний фланец 20 прикрепляют соответственно к внутренней оболочке 2а и к внешней оболочке 2b корпуса 2 турбомашины при помощи болтовых соединений 22, 24 соответственно. Они предназначены для фиксации камеры 4 сгорания в корпусе 2.
Сжатый воздух, подаваемый в кольцевую полость 12, предназначен также для поступления в контур охлаждения турбины 6 высокого давления турбомашины.
Для этого внутренний крепежный фланец 18 камеры 4 сгорания снабжен отверстиями 26 подачи воздуха. Эти отверстия 26 обеспечивают возможность поступления воздуха в ту часть кольцевой полости 12, которая расположена за внутренним фланцем 18.
Аналогичным образом внутренняя оболочка 2а корпуса 2 снабжена отверстиями 28 подачи воздуха, расположенными в кольцевой полости 12, например, в один ряд, за внутренним фланцем 18 и выводящими воздух из корпуса 2 к инжектору 30 воздуха. Этот инжектор 30 воздуха предназначен для воздушного охлаждения турбины 6 высокого давления турбомашины.
В соответствии с настоящим изобретением отверстия 26 подачи воздуха, выполненные во внутреннем фланце 18, распределены по окружности, по меньшей мере, в два ряда 26а, 26b и расположены в шахматном порядке.
Такое расположение представлено, в частности, на фиг.2 и 3. На этих чертежах хорошо видно, что два ряда 26а, 26b отверстий подачи воздуха, выполненные во внутреннем фланце 18, действительно, расположены в шахматном порядке.
Под “расположением отверстий в шахматном порядке” подразумевается, что отверстия одного из рядов 26а, 26b не выровнены с отверстиями другого ряда относительно продольной оси Х-Х камеры 4 сгорания.
Расположение отверстий в два ряда в шахматном порядке позволяет “разрушить” гармонику вибраций, порожденных сгоранием воздушно-топливной смеси в камере сгорания, и, следовательно, избежать разрушения внутреннего фланца под воздействием этих вибраций.
На фиг.2 и 3 отверстия 26 подачи воздуха в камеру сгорания имеют круглую форму. Однако можно предусмотреть другую форму этих отверстий, например продолговатую.
Следует также отметить, что поскольку отверстия 26 во внутреннем фланце 18 расположены в два ряда в шахматном порядке, индивидуальные размеры отверстий могут быть уменьшены по сравнению с известными решениями, использующими расположение отверстий в один ряд, с сохранением того же общего потока воздуха, поступающего в инжектор 30 воздуха. Таким образом, расстояние, разделяющее два соседних отверстия, увеличивается, что приводит к дальнейшему уменьшению опасности разрушения внутреннего фланца в данной точке.
В соответствии с полезным отличием изобретения, проиллюстрированным на фиг.3, отверстия 26 подачи воздуха, выполненные во внутреннем фланце 18, смещены перпендикулярно радиальному направлению относительно отверстий 14 подачи воздуха, выполненных во внутренней стенке 4а камеры 4 сгорания.
То, что отверстия 26 во внутреннем фланце 18 не совпадают в радиальном направлении с отверстиями 14 внутренней стенки 4а, позволяет избежать прямого выпуска газов, образовавшихся в результате сгорания воздушно-топливной смеси в камере 4 сгорания, на внутреннюю оболочку 2а корпуса 2, что могло бы привести к ее повреждению.
В соответствии с другим полезным отличием изобретения, также проиллюстрированным на фиг.3, отверстия 26 подачи воздуха, выполненные во внутреннем фланце 18, смещены перпендикулярно радиальному направлению относительно отверстий 28 во внутренней оболочке 2а корпуса 2.
Таким образом, можно также предотвратить прямой выпуск газов сгорания из камеры 4 сгорания в окрестность инжектора 30 воздуха, предназначенного для обеспечения охлаждения турбины 6 высокого давления. Это позволяет предотвратить снижение эффективности охлаждения турбины высокого давления, связанное с наличием отверстий 26 подачи воздуха, выполненных во внутреннем фланце 18.
Следует отметить, что в оптимальном варианте сдвиг отверстий 26 подачи воздуха, выполненных во внутреннем фланце 18, относительно отверстий 28 внутренней оболочки 2а может сочетаться с желательным сдвигом этих же отверстий 26 во внутреннем фланце относительно отверстий 14 внутренней стенки 4а камеры 4 сгорания.