УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА В ОТВЕРСТИЕ, РАСПОЛОЖЕННОЕ В СТЕНКЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЕ ВЫШЕУКАЗАННОЕ УСТРОЙСТВО
DEVICE USED FOR DIRECTING STRUCTURAL ELEMENT TO HOLE LOCATED IN WALL OF GAS-TURBINE ENGINE COMBUSTION CHAMBER, GAS-TURBINE ENGINE COMBUSTION CHAMBER AND GAS-TURBINE ENGINE CONTAINING ABOVE DEVICE

Изобретение относится к направляющему устройству для конструктивного элемента, например, свечи зажигания или пусковой топливной форсунке, располагаемому в отверстии в стенке камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Границами кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя являются расположенные вокруг оси вращения и одна внутри другой стенки, которые крепятся в своей верхней части посредством имеющей форму круга стенки, образующей дно камеры сгорания и содержащей отверстия, через которые поступает воздух, а также средства подачи топлива.
Внешняя стенка камеры (в своей верхней части) содержит, по меньшей мере, одно отверстие, в котором устанавливается свеча зажигания, которая предназначена для воспламенения в камере сгорания смеси топлива с воздухом. В некоторых случаях пусковые топливные форсунки, независимо от вышеупомянутых средств подачи топлива, также устанавливаются в отверстиях, выполненных во внешней стенке и равномерно расположенных по периметру камеры, при этом для улучшения воспламенения и сгорания в камере топливно-воздушной смеси одна из этих форсунок располагается рядом с одной или с каждой свечой зажигания.
В зависимости от типа газотурбинного двигателя внутренняя и внешняя стенки камеры сгорания под воздействием температур расширяются, а также испытывают значительную вибрацию, что приводит к возникновению эффекта относительного смещения внешней стенки камеры и конструктивных элементов (свечей и пусковых топливных форсунок), которые вводятся в просверленные в этой стенке отверстия и крепятся на внешнем корпусе данной камеры сгорания.
Для компенсации возникающего относительного смещения для таких конструктивных элементов используются направляющие устройства, каждое из которых включает в себя манжету и втулочную муфту, соосно располагаемые одна внутри другой; при этом манжета предназначена для размещения внутри нее вдоль оси конструктивного элемента и включает в себя кольцевой выступающий край, который под углом 90° заводится во внутреннюю кольцевую канавку втулочной муфты, которую, в свою очередь, предусматривается прикреплять к краю отверстия, просверленному во внешней стенке камеры.
Манжета и втулочная муфта образуют вокруг конструктивного элемента кольцевой цилиндрический канал, имеющий выход в камеру; при этом внутри него может скапливаться незначительное количество топливно-воздушной смеси, способной через определенное время привести к образованию между устройством и конструктивным элементом кокса, что может создавать трудности в процессе направления конструктивного элемента данным устройством. Более того, образование кокса способно повлечь за собой возникновение мест перегрева, которые могут понизить прочность и устройства, и конструктивного элемента.
Задачей настоящего изобретения является, в частности, разработка простого, эффективного и экономически выгодного решения данной проблемы.
В связи с этим предлагается устройство, используемое для направления конструктивного элемента в отверстие, просверленное в стенке камеры сгорания турбореактивного двигателя, которое включает в себя манжету и втулочную муфту, соосно располагаемые одна внутри другой; при этом манжета предназначена для размещения внутри нее вдоль оси конструктивного элемента и содержит кольцевой выступающий край, который под углом 90° заводится во внутреннюю кольцевую канавку втулочной муфты, выполненной с возможностью прикрепления к краю отверстия, просверленному во внешней стенке камеры сгорания; при этом манжета и втулочная муфта образуют вокруг конструктивного элемента кольцевой цилиндрический канал, имеющий выход в камеру, отличающееся тем, что оно содержит средства циркуляции воздуха, создаваемые в манжете и/или во втулочной муфте и равномерно рассредоточенные по окружности с целью обеспечения поступления воздуха через цилиндрический канал извне внутрь камеры сгорания.
Средства циркуляции воздуха обеспечивают вентиляцию цилиндрического канала путем подачи воздуха извне внутрь камеры сгорания, в результате чего затрудняется попадание и нахождение топливно-воздушной смеси в цилиндрическом канале, что приводит к уменьшению и даже исключению возможности образования кокса, который создает трудности в процессе направления конструктивного элемента.
В качестве конструктивного элемента, направляемого в просверленное в стенке камеры отверстие, может рассматриваться свеча зажигания или пусковая топливная форсунка. В случае, если конструктивным элементом является свеча зажигания, изобретение позволяет также не допустить, чтобы наличие кокса помешало воспламенению топливно-воздушной смеси.
В процессе функционирования постоянно возникает потеря давления воздуха между внешней средой и внутренней частью камеры сгорания и независимо от режима работы двигателя она составляет примерно 4-5%, что позволяет обеспечить поступление воздуха в цилиндрический канал, составляющий около 0,3% расхода воздуха в камере.
Согласно первому варианту осуществления изобретения втулочная муфта содержит стенку, имеющую форму цилиндра, которая с внешней стороны ограничивает цилиндрический канал, образуемый вокруг конструктивного элемента за пределами камеры сгорания, а средства циркуляции воздуха включают в себя сквозные отверстия, просверленные в стенке, имеющей цилиндрическую форму втулочной муфты и равномерно рассредоточенные по ее окружности.
В качестве варианта может рассматриваться случай, когда средства циркуляции воздуха содержат сквозные отверстия, просверленные в кольцевом выступающем крае манжеты, при этом эти отверстия равномерно рассредоточены по окружности манжеты и соединены с кольцевым цилиндрическим каналом.
Отверстия, которые содержат втулочная муфта и/или манжета, обеспечивают вентиляцию цилиндрического канала и позволяют избежать образования кокса между конструктивным элементом и втулочной муфтой и между конструктивным элементом и манжетой. Отверстия обеспечивают также охлаждение втулочной муфты и манжеты в результате прохождения через эти отверстия воздуха. Отверстия могут иметь радиальное расположение или просверливаться под углом относительно оси манжеты или втулочной муфты, что позволяет увеличить площадь взаимодействия воздуха с втулочной муфтой или манжетой и тем самым улучшить охлаждение устройства.
Средства циркуляции воздуха могут также содержать осевые продольные желобки, выполненные на внутренней поверхности манжеты, которые служат для направления конструктивного элемента; при этом данные осевые продольные желобки равномерно рассредоточены по окружности манжеты и одним краем соединяются с кольцевым каналом, а другим - выходят наружу камеры.
Продольные желобки обеспечивают попадание воздуха снаружи в цилиндрический канал, затрудняют образование кокса в пространстве между направляющей поверхностью манжеты и конструктивным элементом и улучшают тем самым осевое перемещение конструктивного элемента в манжету.
Кроме того, средства циркуляции воздуха могут содержать радиально расположенные пазы, выполненные на кольцевой поперечно расположенной поверхности канавки втулочной муфты и/или на поперечно расположенной поверхности кольцевого выступающего края манжеты; при этом данные пазы равномерно рассредоточены по окружности втулочной муфты и манжеты и одним краем соединены с кольцевым цилиндрическим каналом, а другим краем выходят за пределы камеры.
Эти радиально расположенные пазы позволяют также обеспечить подачу внешнего воздуха в цилиндрический канал, а затем в камеру. Они препятствуют образованию кокса в пространстве между выступающим краем манжеты и канавкой втулочной муфты и улучшают поперечное перемещение выступающего края манжеты по поверхности кольцевой втулочной муфты.
Втулочная муфта может крепиться к краю отверстия стенки камеры сгорания путем обработки щеткой или приваривания.
Настоящее изобретение также относится к камере сгорания газотурбинного двигателя, отличающейся тем, что она включает в себя, по меньшей мере, одно описанное ранее устройство, а также к газотурбинному двигателю, в частности к авиационному турбореактивному и турбовинтовому двигателю, отличающемуся тем, что оно включает в себя, по меньшей мере, одно описанное ранее устройство.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов осуществления изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, в числе которых:
фиг.1 изображает схематичный, выполненный в разрезе по оси вид половины камеры сгорания газотурбинного двигателя с направляющим устройством для конструктивного элемента, известного из существующего уровня техники;
фиг.2 - схематичный вид в увеличенном масштабе направляющего устройства, изображенного на Фиг.1;
фиг.3 - схематичный, выполненный в разрезе по оси вид варианта выполнения втулочной муфты направляющего устройства согласно данному изобретению;
фиг.4 изображает схематичный, выполненный в разрезе по оси вид варианта выполнения втулочной муфты направляющего устройства согласно данному изобретению;
фиг.5 - схематичный, выполненный в разрезе по оси вид варианта выполнения манжеты направляющего устройства согласно данному изобретению;
фиг.6 - схематичный, выполненный в разрезе по оси вид варианта выполнения манжеты направляющего устройства согласно данному изобретению.
Как показано на Фиг.1, кольцевая камера сгорания 10 расположена после сопла 12, которое, в свою очередь, размещено вслед за компрессором (не показан) и включает в себя образованную путем закручивания внутреннюю стенку 14 и образованную путем закручивания внешнюю стенку 16, которые в верхней части соединяются между собой при помощи круглой стенки 18, образующей дно камеры сгорания, а в нижней части крепятся, соответственно, внутренними 20 и внешними 22 кольцевыми захватами на имеющей форму усеченного конуса внутренней оболочке 24 сопла и на нижней оконечной части внешнего корпуса 26 камеры сгорания, а верхний край корпуса 26 крепится на имеющей форму усеченного конуса внешней оболочке 28 сопла.
Стенка 18, образующая дно камеры сгорания, содержит отверстия 28, через которые из сопла 12 поступает воздух, а из форсунок 32, закрепленных на внешнем корпусе 26 и равномерно рассредоточенных по окружности вокруг продольной оси А камеры, подается топливо. Каждая форсунка 32 включает в себя головку 34 топливной форсунки, устанавливаемую на стенке 18, образующей дно камеры, и на линии оси 36 одного из отверстий 30 данной стенки. Выгнутый в сторону верхней части круглый кожух 38 крепится к верхним краям стенок 14, 16 и 18 камеры сгорания и включает в себя отверстия 40 для подачи воздуха, расположенные на одной линии с отверстиями 30 в стенке 18, образующей дно камеры.
Впрыскиваемое в камеру 10 топливо перемешивается с поступающим из сопла воздухом и воспламеняется при помощи одной или двух свечей зажигания (схематично изображены прерывистой линией 42), которые установлены за пределами камеры сгорания, имеют радиальное, перпендикулярное оси А расположение. Внутренние края свечей 42 вводятся в отверстие 46, просверленное во внешней стенке 16 камеры сгорания, а их внешние края крепятся при помощи соответствующих приспособлений 44 к внешнему корпусу 26 и подсоединяются к средствам электропитания (не показаны), которые расположены за пределами корпуса 26.
Устройства 48, используемые для направления внутренних краев свечей зажигания, крепятся за пределами камеры 10 на внешней стенке 16, вокруг отверстий 46 для компенсации возникающего в процессе работы газотурбинного двигателя относительного смещения между внешней стенкой 16 камеры и свечами 42, установленными на корпусе 26.
Направляющее устройство 48 (более наглядно показано на Фиг.2) содержит манжету 50, в которой вдоль оси размещается свеча 42, располагаемую внутри одного края втулочной муфты, другой край которой крепится путем обработки, приваривания или иными способами на внешней стенке 16 камеры, вокруг отверстия 46, в котором размещается свеча.
Манжета 50 содержит часть 54, имеющую форму цилиндра, внутренняя поверхность которой огибает с незначительным зазором свечу 42 и служит как ее осевая направляющая. Данная имеющая форму цилиндра часть 54 соединена краем, который наиболее удален от камеры, с деталью 58, имеющей форму расширяющегося усеченного конуса и служащей для направления свечи в процессе ее установки в устройстве, а на своем другом краю имеет радиально расположенный, вытянутый от центра манжеты 50 в сторону периферии кольцевой выступ 60, который заводится во внутреннюю кольцевую канавку 62 втулочной муфты 52, расположенной на стороне, противоположной камере 10.
Кольцевая канавка 62 втулочной муфты ограничена двумя кольцевыми плоскостями 64, 66, имеющими радиальное расположение относительно оси втулочной муфты 52 и соединенными между собой в своей периферийной внешней точке цилиндрической стенкой 68 втулочной муфты. Кольцевые поверхности 64, 66 позволяют осуществлять направление внешнего выступающего края 60 манжеты в радиальной или поперечной плоскостях относительно оси втулочной муфты. В данном примере стенка цилиндра 68 и кольцевая поверхность 64, расположенная ближе к камере, представлены кольцевым угольником 52 втулочной муфты, а кольцевая поверхность 66, находящаяся на стороне, наиболее удаленной от камеры, сформирована шайбой 70 или пластиной, установленными и приваренными к краям цилиндрической стенки 68.
Внешний диаметр кольцевого выступающего края 60 манжеты 50 меньше внутреннего диаметра цилиндрической стенки 68 втулочной муфты 52, а внешний диаметр имеющей форму цилиндра части 54 манжеты меньше внутреннего диаметра шайбы 70, что дает возможность перемещать в поперечной плоскости выступающий край 60 манжеты в канавке 62. Кроме того, осевой размер или толщина внешнего выступающего края 60 манжеты меньше осевого размера канавки 62 втулочной муфты, что позволяет осуществлять угловое смещение между осями манжеты 50 и втулочной муфты 52.
Край втулочной муфты 52, закрепленный на внешней стенке 16, сформирован стенкой цилиндра 72, внутренняя поверхность 74 которой, с внешней стороны окружающая свечу 42, определяет границы кольцевого цилиндрического канала 76, соединяемого с камерой 10 через отверстие 46, в которое вставляется свеча. В данном примере диаметр внутренней поверхности 74 втулочной муфты больше диаметра поверхности цилиндра 56 манжеты и несколько меньше диаметра отверстия 46, в которое вставляется свеча.
В процессе функционирования незначительное количество топливно-воздушной смеси может попадать извне в цилиндрический канал 76 и вызывать спустя определенное время образование и накопление кокса в пространстве между манжетой 50, втулочной муфтой 52 и свечой 42. В связи с тем, что никакие средства для устранения кокса не предусмотрены, это может в течение продолжительного времени создавать трудности при перемещении манжеты 50 во втулочной муфте и при воспламенении топливно-воздушной смеси.
Настоящее изобретение позволяет исключить такие недостатки. Это обусловлено наличием средств циркуляции воздуха, которые обеспечивают поступление воздуха снаружи в кольцевой цилиндрический канал, границы которого определены расположенным вокруг свечи направляющим устройством, и затрудняют тем самым попадание топливно-воздушной смеси в цилиндрический канал и образование в нем кокса.
В первом варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.3, средства циркуляции воздуха включают в себя сквозные отверстия 82, просверленные в стенке цилиндра 72 втулочной муфты и равномерно рассредоточенные по ее окружности. Воздух снаружи поступает в цилиндрический канал 76, проходя при этом через отверстия 82, как это показано стрелками 84, и формирует потоки, которые начинают воздействовать на свечу, что позволяет не допустить образования кокса в цилиндрическом канале 76 и одновременно охлаждать стенку 72 втулочной муфты и свечи.
В представленном примере отверстия 82 идентичны друг другу и имеют фактически радиальное расположение относительно оси втулочной муфты.
В качестве варианта можно рассматривать случай, когда отверстия 82 в стенке цилиндра втулочной муфты могут иметь различные размеры и располагаться под углом относительно оси втулочной муфты с целью увеличения времени нахождения воздуха в отверстиях и улучшения тем самым процесса охлаждения втулочной муфты.
В другом примере осуществления изобретения, в котором диаметр свечи составляет 8-12 мм, а диаметр поверхности 74 втулочной муфты - около 15 мм, диаметр отверстий 82 равен 0,5-1,5 мм, их количество - 15-25, при этом они равномерно рассредоточены по окружности втулочной муфты 52.
В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.4, втулочная муфта 52 дополнительно содержит радиальные отверстия 82, которые просверлены в стенке цилиндра 72, а также радиально расположенные пазы 86, выполненные в кольцевой поверхности 64 в направляющей канавке выступающего края 60 манжеты. Их внутренние края соединены с цилиндрическим каналом 76, а внешние края расположены на отцентрированной относительно оси втулочной муфты окружности, диаметр которой больше внешнего диаметра кольцевого выступающего края 60 манжеты, для того, чтобы эти внешние края имели доступ к канавке 62 и контакт с пространством, находящимся за пределами камеры, например, через отверстия поступления воздуха, просверленные в шайбе 70, или между шайбой 70 и стенкой цилиндра 62 втулочной муфты. В представленном примере насчитывается четыре радиально расположенных паза 86, которые равномерно рассредоточены по окружности втулочной муфты.
Воздух, поступающий в пазы 86 через пространство между радиальной кольцевой поверхностью манжеты и втулочной муфтой, позволяет обеспечить вентиляцию цилиндрического канала 76 и улучшить процесс расположения под углом 90° выступающего края 60 манжеты в канавке втулочной муфты.
В варианте осуществления изобретения, изображенном на Фиг.5, средства циркуляции воздуха включают в себя сквозные отверстия 88, просверленные в кольцевом выступающем крае 60 манжеты, и продольные желобки 90, выполненные на внутренней поверхности цилиндра 56 манжеты; при этом отверстия 88 и продольные желобки 90 равномерно рассредоточены по окружности манжеты и соединены с цилиндрическим каналом 76.
Отверстия 88 расположены на отцентрированной относительно оси манжеты окружности, диаметр которой меньше внутреннего диаметра шайбы 70 и диаметра поверхности цилиндра 74 втулочной муфты, что обеспечивает возможность циркуляции воздуха в цилиндрическом канале, поступающего снаружи и проходящего между шайбой 70 втулочной муфты и имеющей форму цилиндра частью 54 манжеты, а также через отверстия 88, как это показано стрелками 92. Отверстия 88, как это показано, могут иметь параллельное оси манжеты расположение, или, как это было ранее описано со ссылкой на Фиг.3, быть расположенными под углом относительно данной оси в целях увеличения времени нахождения воздуха в манжете и ее охлаждения.
Продольные желобки 90 выполнены на всю осевую глубину поверхности цилиндра 56 и позволяют обеспечить поступление воздуха извне в цилиндрический канал 76, как это показано стрелками 94. В представленном примере насчитывается десять продольных желобков, которые имеют прямоугольную форму и расположены параллельно оси манжеты.
В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.6, средства циркуляции воздуха манжеты 50 включают в себя радиально расположенные пазы 96, которые сформированы радиально расположенной кольцевой поверхностью внутри выступающего края 60 манжеты, напротив направляющей поверхности 64 втулочной муфты и вытянуты на всю величину радиуса выступающего края, соединяясь своим внутренним краем с цилиндрическим каналом 76, а внешним - с кольцевой канавкой 62, которая выходит за пределы камеры сгорания, как это было описано ранее со ссылкой на Фиг.4. В представленном примере насчитывается четыре радиально расположенных паза 96, которые равномерно рассредоточены по окружности втулочной муфты. Как и в варианте, изображенном на Фиг.4, эти пазы 96 позволяют обеспечить вентиляцию цилиндрического канала 76 и облегчить поперечное расположение выступающего края манжеты в кольцевой канавке втулочной муфты.
Конструктивный элемент 42, изображенный на чертежах, может быть также пусковой топливной форсункой, отличающейся и используемой отдельно от описанных ранее форсунок 32. Она предназначена для установки в радиальном отверстии внешней стенки 16 камеры, в частности, рядом со свечой зажигания, для нанесения топлива на электрическую дугу с целью улучшения и ускорения процесса подачи топлива внутрь камеры.
Изобретение не ограничивается вариантами его осуществления, которые были описаны ранее и изображены на прилагаемых чертежах. Направляющее устройство согласно настоящему изобретению может, например, содержать одно или несколько вышеупомянутых средств циркуляции воздуха, в том числе сквозные отверстия 82 стенки цилиндра 72 втулочной муфты (Фиг.3), радиально расположенные пазы 86 на кольцевой поверхности втулочной муфты направления внешнего выступающего края манжеты (Фиг.4), продольные желобки 90 в поверхности цилиндра направляющей манжеты конструктивного элемента (Фиг.5), сквозные отверстия 88 во внешнем выступающем крае манжеты (Фиг.5) и радиально расположенные пазы 96 в кольцевой поверхности внешнего выступающего края манжеты, располагаемого в кольцевой канавке 62 втулочной муфты.