Узел соединения стенки жаровой трубы камеры сгорания и соплового аппарата газотурбинного двигателя

Полезная модель относится к области двигателестроения и преимущественно может найти применение в конструкциях жаровых труб камер сгорания газотурбинных двигателей.
Известна конструкция газотурбинного двигателя, где стенка жаровой трубы телескопически установлена с корпусом соплового аппарата турбины с минимальным радиальным зазором для компенсации температурных расширений (патент на изобретение №2597322, заявка №2015116235, «Малоразмерный газотурбинный двигатель», дата подачи заявки 28.04.2015), при этом стенка жаровой трубы штампованная из листа, а корпус соплового аппарата обработан механическим способом.
Недостатком описанной конструкции является то, что минимальный зазор в месте соединения стенки жаровой трубы и корпуса соплового аппарата является не равномерным, т.к. стенка жаровой трубы, представляющая из себя штампованную конструкцию имеет отклонение от цилиндрической формы. Таким образом, при работе двигателя местно, зазор превращается в натяг под действием температурных напряжений, вследствие чего в месте соединения стенки жаровой трубы и корпуса соплового аппарата турбины возникают напряжения, которые приводят к выработке на поверхности стенки, вплоть до ее разрушения.
Наиболее близкой по назначению и совокупности существенных признаков является конструкция узла сопряжения соплового аппарата с камерой сгорания газовой турбины (патент на полезную модель РФ №122125, F02C 7/20, опубликовано 20.11.2012, заявка №2012102715, дата подачи 26.01.2012), содержащая переходный элемент, соединяющий по контактирующим поверхностям корпус соплового аппарата и стенку жаровой трубы камеры сгорания, при этом переходный элемент выполнен в виде отдельной детали, спрофилированной для обеспечения обтекания газовоздушным потоком, переходной элемент имеет цилиндрический участок, соответствующий цилиндрическому участку жаровой трубы камеры сгорания, обеспечивающий стыковку, центрирование и герметичность газовоздушного тракта.
Недостатком данного соединения является то, что система радиальных пазов и выступов переходного элемента увеличивает площадь контактирующих поверхностей соединения, что снижает ресурс работы камеры сгорания, вследствие износа контактирующих элементов.
При работе газотурбинного двигателя в условиях вибрации и температурных нагружений в узле сопряжения жаровой трубы и соплового аппарата происходят микросмещения соединительных поверхностей. Вследствие малой амплитуды микросмещений соприкасающихся поверхностей повреждения концентрируются на небольших площадках действительного контакта. Разрушение контактирующих поверхностей проявляются в появлении мелких полостей, в которых накапливаются продукты износа. Эти продукты износа образуются вследствие разрушения зон сцепления, а также повреждения от усталости микронеровностей. Количество мелких полостей с продуктами износа возрастает и сливается друг с другом. Продукты износа, накапливающиеся в небольших полостях, создают в них повышенное давление, которое в свою очередь приводит к образованию микротрещин. Некоторые микротрещины сливаются, происходит откалывание отдельных объемов металла и накопление усталостных повреждений. Повреждения поверхностей вследствие износа служат концентраторами напряжений и снижают предел выносливости материала деталей.
Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является оптимизация конструкции переходного элемента с сохранением стабильности стыка корпуса соплового аппарата и стенки жаровой трубы камеры сгорания при одновременном повышении надежности работы камеры сгорания за счет уменьшения износа контактирующих поверхностей переходного элемента и возможности стабилизации терморегуляции элементов узла.
Технический результат достигается тем, что в узел соединения стенки жаровой трубы камеры сгорания и соплового аппарата газотурбинного двигателя, содержащий переходный элемент, соединяющий по контактирующим поверхностям корпус соплового аппарата и стенку жаровой трубы камеры сгорания, при этом переходный элемент выполнен в виде отдельной детали, спрофилированной для обеспечения обтекания газовоздушным потоком, переходной элемент имеет цилиндрический участок, соответствующий цилиндрическому участку жаровой трубы камеры сгорания, обеспечивающий стыковку, центрирование и герметичность газовоздушного тракта.
Отличием заявляемой конструкции от прототипа является то, что переходный элемент состоит из сегментов, образующих тонкостенное кольцо со сферическим профилем и выполненными прорезями, делящими каждый сегмент на отдельные части в виде «лепестков», при этом сегменты установлены с зазором друг относительно друга с жестким неразъемным соединением с наружной поверхностью стенки жаровой трубы, при этом ширина зазора между сегментами соответствует ширине прорези.
Через выполненные прорези, делящие каждый сегмент переходного элемента на отдельные части в виде «лепестков», поступает охлаждающий воздух стабилизирующий терморегуляцию переходного элемента.
Для равномерности охлаждения переходного элемента ширина зазора между сегментами соответствует ширине прорези.
Конструкция переходного элемента выполнена с максимальной возможностью уменьшения контактирующих поверхностей.
Предложенное устройство поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 - переходный элемент соединения стенки жаровой трубы камеры сгорания и соплового аппарата газотурбинного двигателя.
На фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - переходный элемент (фиг.1,2);
2 - корпус соплового аппарата (фиг.1);
3 - стенка жаровой трубы камеры сгорания (фиг.1);
4 - цилиндрический участок переходного элемента (фиг.1);
5 - цилиндрический участок жаровой трубы (фиг.1);
6 - сегмент (фиг.2);
7 - прорезь сегмента (фиг.2);
8 - зазор между сегментами (фиг.2).
Узел соединения стенки жаровой трубы камеры сгорания и соплового аппарата газотурбинного двигателя содержит переходный элемент 1 (фиг.1,2), соединяющий по контактирующим поверхностям корпус 2 (фиг.1) соплового аппарата и стенку 3 (фиг.1) жаровой трубы камеры сгорания.
Переходный элемент 1 (фиг.1,2) выполнен в виде отдельной детали, спрофилированной для обеспечения обтекания газовоздушным потоком.
Переходной элемент 1 (фиг.1,2) имеет цилиндрический участок 4 (фиг.1) соответствующий цилиндрическому участку 5 (фиг.1) жаровой трубы камеры сгорания, обеспечивающий стыковку, центрирование и герметичность газовоздушного тракта.
Переходный элемент 1 (фиг.1,2) состоит из сегментов 6 (фиг.2), образующих тонкостенное кольцо со сферическим профилем и выполненными прорезями 7 (фиг.2), делящими каждый сегмент 6 (фиг.2) на отдельные части в виде «лепестков».
Сегменты 6 (фиг.2) установлены с зазором 8 (фиг.2) друг относительно друга при помощи жесткого неразъемного соединения с наружной поверхностью стенки 3 (фиг.1) жаровой трубы.
При этом ширина зазора 8 (фиг.2) между сегментами 6 (фиг.2) соответствует ширине прорези 7 (фиг.2).
Работа рассматриваемого узла соединения стенки жаровой трубы камеры сгорания и соплового аппарата турбины газотурбинного двигателя заключается в следующем.
Узел соединения стенки жаровой трубы камеры сгорания и соплового аппарата газотурбинного двигателя обеспечивает равномерное горение топливовоздушной смеси под высоким давлением.
В связи с этим конструкция переходного элемента 1 (фиг.1,2) должна обеспечивать стабильность стыка корпуса 2 (фиг.1) соплового аппарата и стенки 3 (фиг.1) жаровой трубы, а также отвечать условиям надежности.
Для сопловых аппаратов свойственны температурные нагрузки. Для обеспечения стабильности геометрии газовоздушного тракта цилиндрический участок 4 (фиг.1) переходного элемента 1 (фиг.1,2) имеет жесткое неразъемное соединение с цилиндрическим участком 5 (фиг.1) жаровой трубой камеры сгорания.
Через выполненные зазоры 8 (фиг.2) между сегментами 6 (фиг.2) поступает поток охлажденного воздуха, позволяющий стабилизировать терморегуляцию переходного элемента 1 (фиг.1,2).
Выполненные прорези 7 (фиг.1,2) сегмента 6 (фиг.1,2) делают переходный элемент упругим, что позволяет при различных температурных расширениях соплового аппарата и стенки жаровой трубы обеспечивать герметичность их стыка.
Применение заявляемой полезной модели позволяет при стабильности стыка корпуса соплового аппарата и стенки жаровой трубы камеры сгорания повысить надежность работы камеры сгорания за счет уменьшения износа контактирующих поверхностей переходного элемента и возможности стабилизации терморегуляции элементов узла.