УСТРОЙСТВО УЛАВЛИВАНИЯ ЧАСТИЦ ДЛЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, ОСНАЩЕННЫЙ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ
PARTICLE ENTRAPPING DEVICE FOR GAS TURBINE ENGINE AND GAS TURBINE ENGINE EQUIPPED WITH SUCH DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области газотурбинных двигателей, установленных, в частности, на самолетах или вертолетах.
А именно, изобретение относится к устройству улавливания частиц для газотурбинного двигателя, причем эти частицы являются, в частности, частицами песка или пыли, содержащимися в воздушном потоке, проходящем через указанный газотурбинный двигатель. В частности, это улавливающее устройство предназначено для установки в обходной зоне камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Изобретение относится также к газотурбинному двигателю, оснащенному таким улавливающим устройством.
Уровень техники
Как схематично показано на прилагаемой фиг. 1, газотурбинный двигатель 1 содержит от входа к выходу в направлении прохождения потока газов воздухозаборник 11, одну или несколько компрессорных ступеней 12 (например, только одну на указанной фигуре), кольцевую камеру 13 сгорания, одну или несколько турбинных ступеней, например, турбину 14 высокого давления и турбину 15 низкого давления, и газо-выпускное сопло 16.
В дальнейшем тексте описания, в формуле изобретения и на фигурах термины «передний» (обозначение AV) и «задний» (обозначение AR) будут использованы относительно расположения газотурбинного двигателя на самолете или вертолете.
Воздух всасывается на уровне воздухозаборника, сжимается в компрессоре 12, затем направляется в обходную зону 17 указанной камеры 13 сгорания.
Во время работы газотурбинного двигателя стенки 131 камеры 13 сгорания подвергаются действию сверхвысоких температур. Как правило, охлаждение этих стенок обеспечивают за счет циркуляции воздуха, выходящего из компрессора 12, через множество отверстий очень небольшого диаметра, выполненных в стенках 131 указанной камеры сгорания.
На фиг. 1 показаны только несколько из этих отверстий под обозначением 130.
Воздух и горячие газообразные продукты горения, выходящие из камеры 13 сгорания, поступают затем на турбины 14, 15 и в выпускное сопло 16.
Было установлено, что, когда летательный аппарат, оснащенный указанным газотурбинным двигателем, производит полет в содержащей пыль или песок атмосфере, например, в пустынной области, на уровне воздухозаборника 11 всасываются скопления частиц Р, таких как частицы песка или пыли.
Эти частицы Р проходят затем в обходную зону 17 и в конечном итоге забивают отверстия 130, выполненные в стенках 131 камеры 13 сгорания.
Однако, если отверстия 130 забиты, воздух больше не может проходить в камеру 13 сгорания, ее стенки 131 больше не охлаждаются, и камера сгорания быстро изнашивается при контакте с пламенем.
Известное устройство, позволяющее задерживать частицы Р, попадающие в газотурбинный двигатель, представляет собой решетку воздухозаборника, расположенную на уровне воздухозаборников 11, которая обеспечивает задержание части посторонних тел до их попадания в газотурбинный двигатель.
Однако, частицы Р, имеющие меньший размер, чем ячейки решетки, все равно попадают внутрь.
Кроме того, невозможно установить фильтр с более мелкими ячейками на уровне воздухозаборника, так как это привело бы к слишком большой потере напора и к резкому снижению характеристик двигателя.
Из документа US 3 371 471 известно устройство улавливания частиц, устанавливаемое на уровне воздухозаборника газотурбинного двигателя. Такое устройство содержит ряд ребристых перегородок, на которые попадает заходящий воздушный поток. Частицы, задерживаемые этими перегородками, скапливаются в кольцевом пылесборном устройстве.
Однако такое устройство не является компактным и не годится для установки в обходной зоне камеры сгорания газотурбинного двигателя.
Кроме того, перегородки замедляют прохождение воздушного потока и приводят к большой потере напора.
Раскрытие сущности изобретения
Изобретение призвано преодолеть вышеупомянутые недостатки известных технических решений и предложить устройство улавливания частиц, которое позволяет удерживать их или, по крайней мере, большую их часть, прежде чем они забьют отверстия, выполненные в стенках камеры сгорания.
Изобретение призвано также предложить такое улавливающее устройство, которое не влияет на рабочие характеристики газотурбинного двигателя и, в частности, которое не изменяет течение воздуха по внутреннему пространству этого газотурбинного двигателя.
Изобретение призвано также предложить компактное улавливающее устройство.
Наконец, предпочтительно такое улавливающее устройство должно также обеспечивать временное хранение улавливаемых частиц, затем их удаление во время операция обслуживания газотурбинного двигателя, чтобы избегать скапливания этих частиц в улавливающем устройстве.
В связи с вышеизложенным, изобретением предложено устройство улавливания частиц для газотурбинного двигателя, причем эти частицы являются частицами песка или пыли, содержащимися в воздушном потоке, проходящем через газотурбинный двигатель, в частности, в воздушном потоке, проходящем через обходную зону камеры сгорания указанного газотурбинного двигателя.
Согласно изобретению, это устройство содержит:
- по меньшей мере два отражателя частиц,
- элемент сбора и хранения частиц, отклоненных указанными отражателями,
- средства крепления указанного улавливающего устройства на части газотурбинного двигателя,
при этом указанные отражатели имеют кольцевую форму и закреплены по меньшей мере на одной несущей конструкции таким образом, что являются коаксиальными, находятся на одной линии в радиальном направлении и отстоят друг от друга в радиальном направлении, при этом указанные отражатели наклонены в одном направлении относительно их оси вращения, будучи обращенными к указанному элементу сбора и хранения частиц.
Благодаря этим отличительным признакам изобретения, все частицы, которые попадают на отражатель или отражатели, направляются в сторону элемента сбора и хранения частиц и не забивают отверстия, выполненные в стенке камеры сгорания.
Кроме того, преимуществом этого устройства является его исключительная компактность.
Согласно другим предпочтительным и неограничивающим признакам изобретения, рассматриваемым отдельно или в комбинации:
- указанная несущая конструкция представляет собой кольцо, расположенное в плоскости, перпендикулярной или по существу перпендикулярной к оси вращения отражателей, при этом отражатели одной пары смежных отражателей закреплены соответственно вдоль наружного кольцевого края и внутреннего кольцевого края указанной кольцевой несущей конструкции, и в этой несущей конструкции выполнены отверстия для прохождения воздушного потока;
- внутренняя сторона отражателя имеет больший угол наклона относительно указанной оси вращения, чем угол наклона, относительно этой же оси вращения, внутренней стороны отражателя, расположенного более внутри в радиальном направлении устройства;
- внутренний радиус наиболее наружного отражателя пары смежных отражателей меньше или равен наружному радиусу находящегося более внутри отражателя;
- устройство содержит три отражателя;
- по меньшей мере один из указанных отражателей имеет прямолинейное поперечное сечение;
- по меньшей мере один из указанных отражателей имеет изогнутое поперечное сечение, вогнутость которого обращена к элементу сбора и хранения частиц;
- элемент сбора и хранения частиц содержит сплошное кольцо, коаксиальное с осью вращения отражателей и расположенное в плоскости, перпендикулярной или по существу перпендикулярной к этой оси, причем это кольцо продолжено в направлении указанного отражателя сплошным наружным кольцевым бортиком и сплошным внутренним кольцевым бортиком, при этом указанный элемент сбора и хранения частиц расположен напротив отражателя;
- указанные средства крепления содержат плоский кольцевой фланец, коаксиальный с осью вращения отражателей, перпендикулярный к той оси и продолженный в направлении элемента сбора и хранения частиц цилиндром с продольной осью, коаксиальной с указанной осью вращения, при этом в указанном цилиндре выполнено множество отверстий для прохождения воздушного потока, и в указанном кольцевом фланце выполнено множество отверстий для прохождения крепежных органов.
Наконец, объектом изобретения является также газотурбинный двигатель, содержащий камеру сгорания и обходную зону, расположенную между стенкой указанной камеры сгорания и наружным корпусом указанного газотурбинного двигателя, причем этот газотурбинный двигатель оснащен вышеупомянутым устройством улавливания частиц.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания возможного варианта осуществления, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 схематично показан пример осуществления газотурбинного двигателя, вид в разрезе;
на фиг. 2 представлен вид детали А, выделенной на фиг. 1, где дополнительно показано заявленное улавливающее устройство.
на фиг. 3, 4 и 5 показаны частичные виды в перспективе варианта осуществления заявленного улавливающего устройства под тремя разными углами зрения.
Осуществление изобретения
Устройство улавливания частиц в соответствии с изобретением имеет общее обозначение 2.
Как показано на фиг. 2, это устройство 2 предназначено для размещения в обходной зоне 17 камеры 13 сгорания, в частности, снаружи стенки 131 камеры 13 сгорания и внутри наружного корпуса 18 газотурбинного двигателя.
Вместе с тем, его точное положение определяют путем вычислений в зависимости от траектории частиц, содержащихся в воздушном потоке, циркулирующем внутри этой обходной зоны 17. При этом вычислении учитывают также соответствующие формы стенки 131 и участка 180 стенки наружного корпуса 18 напротив заднего конца камеры 13 сгорания.
Таким образом, предпочтительно улавливающее устройство расположено в месте, где оно будет обеспечивать задержание максимального количества частиц, прежде чем они достигнут отверстий 130 стенки камеры сгорания.
Далее со ссылками на фиг. 2-5 следует описание конкретного варианта осуществления этого улавливающего устройства 2.
Предпочтительно в направлении спереди AV назад AR это улавливающее устройство 2 содержит по меньшей мере два отражателя 3, элемент 5 сбора и хранения частиц и средства 6 крепления указанного улавливающего устройства на части газотурбинного двигателя.
Все эти элементы выполнены из материала, стойкого к высоким температурам, а также предпочтительно стойкого к абразивному действию частиц, например, из металла или из композиционного материала.
Далее следует более подробное описание этих различных элементов.
Устройство содержит по меньшей мере два отражателя 3, например, три отражателя, как показано на фигурах. Можно также выполнить более трех отражателей.
Каждый отражатель имеет форму кольца с осью Х, Х’ тела вращения. Различные отражатели 3 закреплены на несущей конструкции 4 таким образом, что являются коаксиальными относительно оси Х-Х’ и отстоят друг от друга в радиальном направлении.
В описанном и представленном на фиг. 3 примере эти отражатели называются «наружным» 3а, «средним» 3b и «внутренним» 3с отражателями, при этом наружный отражатель является отражателем большего диаметра и, следовательно, расположенный наиболее снаружи. Каждый отражатель представляет собой элемент, имеющий вид сплошной пластины небольшой ширины, замкнутой в виде кольца.
Кроме того, все отражатели 3а, 3b, 3с закреплены на несущей конструкции 4 таким образом, что имеют наклон в одном направлении относительно их общей оси вращения Х-Х’, то есть наклонены снаружи и спереди в сторону оси вращения Х-Х’ в заднем направлении AR. Иначе говоря, они имеют форму усеченного конусного кольца. Вместе с тем, их углы наклона предпочтительно являются разными. Эти отражатели обращены к элементу 5.
Наконец, отражатели 3, 3а, 3b, 3с закреплены на несущей конструкции 4 таким образом, чтобы их можно было быстро расположить в линию в радиальном направлении и чтобы они не смещались вдоль оси Х-Х’ и не занимали слишком много места между стенкой 130 камеры сгорания и стенкой 180 корпуса и не мешали прохождению воздушного потока в этом месте.
Выражение «расположить в линию в радиальном направлении» значит, что все отражатели 3а, 3b, 3с пересекают одну плоскость Р, перпендикулярную к их соответствующим осям вращения Х-Х’, причем эти оси совпадают.
Внутренняя сторона 30а наружного отражателя 3а (то есть сторона, обращенная к оси Х-Х’) образует угол α с осью вращения Х-Х’, внутренняя сторона 30b среднего отражателя 3b образует с осью Х-Х’ угол β, и внутренняя сторона 30с внутреннего отражателя 3с образует угол γ с осью Х-Х’. Как видно из фиг. 2, угол α превышает угол β, который, в свою очередь, превышает угол γ.
Предпочтительно угол α составляет от 65° до 75° и еще предпочтительнее равен 70°, угол β составляет от 45° до 55° и предпочтительно равен 50°, угол γ составляет от 25° до 35° и предпочтительно равен 30°.
Предпочтительно, как показано на фиг. 2, отражатели 3а, 3b и 3с имеют прямолинейное поперечное сечение. Вместе с тем, оно может быть изогнутым, и в этом случае его вогнутость должна быть обращена к элементу 5 сбора и хранения частиц.
Как наглядно показано на фиг. 2, 4 и 5, несущая конструкция 4 играет роль распорки между двумя смежными отражателями. Она имеет форму кольца, которое расположено в плоскости, перпендикулярной или по существу перпендикулярной к оси вращения Х-Х’, например, в плоскости Р. В несущей конструкции 4 выполнены отверстия 40, обеспечивающие прохождение воздушного потока. Предпочтительно эти отверстия 40 распределены через равномерные промежутки и предпочтительно занимают основную часть площади несущей конструкции 4. Они позволяют также облегчить несущую конструкцию.
В случае, когда улавливающее устройство 2 содержит более двух отражателей, например, три, как показано на фигурах, оно содержит несущую конструкцию 4 между каждой стенкой смежных отражателей (см. фиг. 5). Отражатели одной пары смежных отражателей закреплены соответственно вдоль наружного кольцевого края и внутреннего кольцевого края кольцевой несущей конструкции 4.
Предпочтительно отражатели 3, 3а, 3b, 3с закреплены на несущих конструкциях 4 посредством сварки.
Как более наглядно показано на фиг. 2 и 4, предпочтительно элемент 5 сбора и хранения частиц содержит сплошное кольцо 50, коаксиальное с осью вращения Х-Х’ отражателей 3а-3с и расположенное в плоскости, перпендикулярной или по существу перпендикулярной к этой оси.
Предпочтительно для всех отражателей 3, 3а, 3b, 3с предусмотрен единственный элемент 5 сбора.
Это кольцо 50 продолжено в переднем направлении AV сплошным наружным кольцевым бортиком 51 и сплошным внутренним кольцевым бортиком 52.
Предпочтительно внутренний кольцевой бортик 52 находится в продолжении заднего края находящегося наиболее внутри отражателя 3с. Предпочтительно эти два элемента выполнены в виде единой детали.
Таким образом, этот элемент 5 имеет общую форму желоба, расположенного напротив отражателей 3, 3а, 3b, 3с.
Наконец, как наглядно показано на фиг. 2-4, предпочтительно средства 6 крепления содержат плоский кольцевой фланец 60, коаксиальный с осью вращения Х-Х’ отражателей, который расположен перпендикулярно к этой оси Х-Х’ и продолжен в переднем направлении цилиндром 61 с продольной осью Х-Х’.
Во фланце 60 выполнено множество отверстий 62, которые позволяют пропускать крепежные органы 7, например, такие как винты. Эти винты позволяют закрепить фланец на части газотурбинного двигателя.
В цилиндре 61 выполнено множество отверстий 63, обеспечивающих прохождение воздушного потока, циркулирующего внутри газотурбинного двигателя. Аналогично тому, что было указано для несущих конструкций 4, эти отверстия 63 составляют основную часть площади цилиндра 61, чтобы не задерживать или не ограничивать прохождение воздуха. Они способствуют также уменьшению общей массы устройства.
Цилиндр 61 связан с элементом 5 сбора и хранения частиц. Предпочтительно цилиндр закреплен сваркой на внутреннем конце кольца 50 элемента 5.
Устройство работает следующим образом.
Воздух, поступающий из компрессора 12 и содержащий частицы Р, попадает внутрь обходной зоны 17 спереди AV назад AR между наружной радиальной стенкой 131 камеры 13 сгорания и корпусом 18 (стрелка F на фиг. 2).
Этот воздушный поток, содержащий частицы, обдувает стенку 180, при этом частицы отскакивают от нее и ударяют по наружным сторонам 31а, 31b, 31с отражателей 3а, 3b, 3с, обращенным к этой стенке 180. Движение частиц замедляется, и они соскальзывают внутрь (в направлении оси Х-Х’) вдоль отражателей, после чего собираются в элементе 5, откуда они не могут выйти, поскольку его стенки являются сплошными.
Однако отверстия 40 позволяют ограничить влияние улавливающего устройства 2 на прохождение воздушного потока и, следовательно, ограничить потери напора. Иначе говоря, частицы задерживаются элементом 5, но воздушный поток продолжает циркулировать вокруг наружных стенок 131 камеры 13 сгорания, проходя в отверстия 130 и обеспечивая охлаждение этих стенок.
Наконец, следует отметить, что предпочтительно внутренний радиус R1 наружного отражателя 3а (то есть его меньший радиус) меньше или равен наружному радиусу R2 смежного среднего отражателя 3b (то есть его большему радиусу). Это же относится к каждой паре смежных отражателей.
Таким образом, если бы частица срикошетила от стенки 180 корпуса 18 и опять направилась бы в переднем направлении параллельно оси Х-Х’, она все равно обязательно была бы задержана наружным отражателем 3а.
Расчет траекторий частиц необходимо производить для каждого газотурбинного двигателя в зависимости от формы стенок, ограничивающих обходную зону 17 камеры сгорания, чтобы наилучшим образом расположить улавливатель 2 частиц и чтобы он задерживал практически все частицы, попадающие в газотурбинный двигатель и проходящие в обходную зону камеры сгорания.
Кроме того, значения углов α, β и γ следует тоже рассчитывать в зависимости от формы стенки 180, и они могут отличаться от вышеупомянутых значений.
Во время операций обслуживания газотурбинного двигателя частицы, собранные в элементе 5, можно удалить, чтобы избежать их скапливания.