СЕПАРАТОР, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ПИТАНИЯ ТУРБИНЫ ОХЛАЖДАЮЩИМ ВОЗДУХОМ, ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
SEPARATOR DESIGNED FOR FEEDING COOLING AIR TO TURBINE; GAS TURBINE ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к области кольцевых камер сгорания.
В приведенном ниже описании предлагаемого изобретения термины "входной" и "выходной" определены по отношению к направлению нормального течения потока воздуха вдоль наружной поверхности кольцевой стенки камеры сгорания. Термины "внутри"/"внутренний" и "снаружи"/"наружный" характеризуют положение, более или менее удаленное от главной оси этой камеры сгорания, если при этом не указывается какое-либо другое значение этих терминов.
Современные газотурбинные двигатели обычно снабжены кольцевой камерой сгорания, ось симметрии которой представляет собой главную ось данного газотурбинного двигателя. Такая камера сгорания схематически представлена на фиг.5. Эта камера сгорания обычно ограничена донной стенкой 12, содержащей топливные форсунки 13 и входные отверстия для подачи воздуха для горения, и кольцевой стенкой 15, проходящей в продольном направлении этой камеры 10 сгорания (которое соответствует направлению движения потока газов) и, по существу, параллельной главной оси А газотурбинного двигателя (не показанного на упомянутой фигуре). При этом камера 10 сгорания является закрытой на входном конце донной стенки 12 и открытой на выходном конце 17 вдоль своего продольного направления для того, чтобы обеспечить возможность выбрасывания отработанных газов. Упомянутая кольцевая стенка 15 обычно образована внутренней кольцевой обечайкой 151 (внутренней в радиальном направлении стенкой) и наружной кольцевой обечайкой 152 (наружной в радиальном направлении стенкой). Эти внутренняя обечайка 151 и наружная обечайка 152 выполнены коаксиальными по отношению к главной оси А газотурбинного двигателя, причем внутренняя обечайка 151 располагается ближе к упомянутой главной оси газотурбинного двигателя, чем наружная обечайка 152, то есть имеет радиус, меньший, чем радиус наружной обечайки 152.
На входе донной стенки 12 входная внутренняя кольцевая стенка 11 камеры 10 сгорания направлена к входу внутренней обечайки 151.
Кольцевая стенка 15 содержит на всей своей поверхности (или на преобладающей части своей поверхности) множество отверстий, более или менее крупных по размеру, которые предназначены для проникновения воздуха в камеру 10 сгорания. Воздух, который проходит вдоль внутренней обечайки 151 снаружи по отношению к камере 10 сгорания и который затем проникает в эту камеру сгорания через упомянутые отверстия, протекает между этой внутренней обечайкой 151 и стенкой, называемой внутренним фланцем 21 камеры сгорания. Этот внутренний фланец 21, являющийся кольцевым и коаксиальным по отношению к внутренней обечайке 151 камеры сгорания, имеет, таким образом, радиус, меньший, чем радиус упомянутой внутренней обечайки 151. Этот внутренний фланец 21 содержит отверстия, причем некоторые из этих отверстий (входные отверстия 215) располагаются на его входной части, по существу, напротив центральной части внутренней обечайки 15 камеры 10 сгорания (то есть примерно посередине между донной стенкой 12 камеры 10 сгорания и выходным концом 217 внутреннего фланца 21). Таким образом, воздух, который движется вдоль внутренней обечайки 151, частично проходит через эти входные отверстия 215. Пройдя через эти входные отверстия, этот воздух охлаждает рабочее колесо турбины НР (высокого давления), расположенной на выходе.
При таком расположении внутренней стенки камеры сгорания и отверстий внутреннего фланца поток воздуха, предназначенный для прохождения через отверстия, выполненные во внутреннем фланце, и для охлаждения рабочего колеса турбины НР высокого давления, подвергается влиянию камеры сгорания. Действительно, этот воздух, перед прохождением через упомянутые отверстия, находится в контакте с внутренней стенкой, которая является горячей и которая, кроме того, содержит множество отверстий, предназначенных для входа воздуха, и, таким образом, этот воздух подвергается нагреванию в результате конвекции. Этот воздух также подвергается нагреванию в результате излучения через упомянутые отверстия, выполненные в стенке камеры сгорания, причем источником упомянутого излучения является пламя горения топлива. Кроме того, существующая нестабильность этого горения топлива создает в упомянутом потоке воздуха, опять же через отверстия в стенке камеры сгорания, возмущения течения, способные нарушить нормальную подачу охлаждающего воздуха рабочего колеса турбины НР высокого давления.
В целом, упомянутый поток воздуха подвергается, таким образом, нагреванию, которое является нежелательным, поскольку функция этого воздуха состоит в охлаждении рабочего колеса турбины HP высокого давления.
В качестве ближайшего уровня техники выбран патент US 4,466,239, выданный 21.08.1984.
Задачей изобретения является разработка устройства, которое позволит уменьшить нагревание потока воздуха, предназначенного для охлаждения рабочего колеса турбины HP высокого давления, и снизить возмущения в этом потоке воздуха, вызванные неустойчивостью горения топлива в камере сгорания.
Задача решается тем, что камера сгорания оборудована сепаратором, располагающимся между внутренней в радиальном направлении стенкой камеры сгорания и внутренним фланцем этой камеры сгорания, причем упомянутый сепаратор содержит трубчатую часть, центрированную на главной оси камеры сгорания, и входной конец которой располагается на входе отверстий, выполненных на внутренней в радиальном направлении стенке камеры сгорания, и крепленую часть, жестко связанную с камерой сгорания таким образом, чтобы упомянутая трубчатая часть разделяла поток воздуха, движущийся вдоль этой внутренней в радиальном направлении стенки, на внутренний поток воздуха, проходящий между этой трубчатой частью и внутренним фланцем камеры сгорания, и наружный поток воздуха, проходящий между внутренней в радиальном направлении стенкой и этой трубчатой частью.
.
Благодаря такому техническому решению упомянутый внутренний поток воздуха, который предназначен для охлаждения рабочего колеса турбины HP высокого давления, больше не подвергается нагреванию в результате конвекции и излучения через стенку камеры сгорания от пламени горения топлива и больше не возмущается в результате нестабильности горения топлива в камере сгорания, воздействующей на этот поток через отверстия во внутренней стенке камеры сгоранияТаким образом, нежелательное взаимодействие между камерой сгорания и потоком воздуха, предназначенным для охлаждения рабочего колеса турбины НР высокого давления, существенно снижается и даже исключается.
Предпочтительным образом упомянутая часть крепления представляет собой радиальную часть, которая проходит от упомянутой трубчатой части в направлении главной оси камеры сгорания и содержит множество основных отверстий, предназначенных для пропускания воздуха в направлении движения потока воздуха.
Таким образом, упомянутый сепаратор не закрепляется непосредственно на стенке камеры сгорания (то есть на горячей стенке) и вследствие этого не подвергается нагреванию со стороны этой стенки в результате устойчивой теплопроводности. Такое техническое решение является предпочтительным, поскольку упомянутый сепаратор должен быть как можно менее горячим для того, чтобы по возможности не способствовать нагреванию внутреннего потока воздуха.
Характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже подробного описания примеров его реализации, не являющихся ограничительными, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, среди которых:
фиг.1 представляет собой вид в продольном разрезе камеры сгорания газотурбинного двигателя, демонстрирующий сепаратор, в соответствии с предлагаемым изобретением;
фиг.2 представляет собой вид в продольном разрезе сепаратора, в соответствии с предлагаемым изобретением, иллюстрирующий способ крепления этого сепаратора на газотурбинном двигателе;
фиг.3 представляет собой перспективный вид в разрезе сепаратора в соответствии с предлагаемым изобретением;
фиг.4А представляет собой вид в поперечном разрезе по линии IV-IV, показанной на фиг.3, сепаратора в соответствии с предлагаемым изобретением;
фиг.4В представляет собой вид в поперечном разрезе другого способа реализации сепаратора в соответствии с предлагаемым изобретением;
фиг.5 представляет собой вид в продольном разрезе камеры сгорания газотурбинного двигателя в соответствии с предшествующим уровнем техники в данной области.
На фиг.1 схематически представлена камера 10 сгорания газотурбинного двигателя и конструкции, соединенные с упомянутой камерой сгорания. Эта камера сгорания, за исключением элементов, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением, идентична камере сгорания, выполненной в соответствии с предшествующим уровнем техники в данной области (см. фиг.5) и описанной выше. При этом части, являющиеся общими для камер сгорания, показанных на фиг.1 и 5, вследствие этой их общности обозначены одинаковыми цифровыми позициями и не будут здесь описываться заново. Выходной конец наружной обечайки 152 продолжается в радиальном направлении наружу при помощи наружного кольцевого фланца 22, и выходной конец внутренней обечайки 151 продолжается в радиальном направлении внутрь при помощи внутреннего кольцевого фланца 21. Таким образом, упомянутые фланцы жестко связаны с камерой 10 сгорания. При этом наружный фланец 22 и внутренний фланец 21 связаны со стенкой кожуха 30, который охватывает камеру 10 сгорания, и служат, таким образом, для крепления этой камеры на упомянутом кожухе, который жестко связан с газотурбинным двигателем.
Внутренний фланец 21 продолжает выходной конец внутренней обечайки 151 во внутреннем направлении, а затем в направлении входа таким образом, чтобы этот внутренний фланец 21, который является коаксиальным по отношению к внутренней обечайке 151, имел радиус, меньший, чем радиус упомянутой внутренней обечайки 151. Таким образом, внутренний фланец 21, вместе с внутренней обечайкой 151, ограничивает выходной кольцевой канал 40.
Входной конец 211 внутреннего фланца 21 проходит радиально и закреплен (например, при помощи множества крепежных элементов типа болт/гайка, распределенных в окружном направлении вдоль этого входного конца 211) на выходном радиальном конце 301 стенки кожуха 30. Эта стенка кожуха 30 продолжает внутренний фланец 21 в направлении, противоположном направлению течения потока, ограничивая, таким образом, совместно с входной внутренней кольцевой стенкой 11 камеры 10 сгорания входной кольцевой канал 49 (который продолжается в направлении по потоку при помощи упомянутого выходного кольцевого канала 40).
Входной конец 211 внутреннего фланца 21 располагается в продольном направлении, по существу, на уровне входной части внутренней обечайки 151 (которая завершается в своей входной части примерно на уровне расположения донной стенки 12 камеры сгорания). В соответствии с примером реализации, представленным на приведенных в приложении фигурах, этот входной по потоку конец 211 внутреннего фланца располагается, по существу, на первой входной четверти расстояния между донной стенкой 12 и входным концом 217 внутреннего фланца 21 (причем сам этот входной конец 217 внутреннего фланца располагается на входном конце 17 камеры 10 сгорания).
Обычно выходной кольцевой канал 40 сужается в направлении потока таким образом, чтобы радиально размер этого выходного кольцевого канала 40 на уровне входного конца 211 внутреннего фланца 21 превышал радиальный размер упомянутого кольцевого канала 40 на уровне выходного конца 217 внутреннего фланца 21.
Как об этом уже было сказано выше, внутренний фланец 21 содержит множество входных отверстий 215. Часть воздуха, поступающего из входного кольцевого канала 49, которая проходит через входные отверстия 215, выполненные во внутреннем фланце 21, предназначена для охлаждения рабочего колеса турбины НР высокого давления (не показанной на приведенных в приложении фигурах). Как это можно видеть на фиг.1, этот воздух, после прохождения через упомянутые входные отверстия 215, проходит через некоторую конструкцию 60 перед тем, как приступить к охлаждению упомянутой турбины.
В соответствии с предлагаемым изобретением в выходном кольцевом канале 40, то есть в пространстве, сформированном между внутренней обечайкой 151 и узлом, образованным внутренним фланцем 21 и стенкой кожуха 30, размещается сепаратор 70. Как показано на фиг.2 и 3, этот сепаратор 70 содержит трубчатую часть 76, центрированную на главной оси А камеры 10 сгорания, и радиальную часть 71, проходящую в радиальном направлении от этой трубчатой части 76 в направлении упомянутой главной оси А и содержащую основные отверстия 72, ориентированные вдоль этой главной оси А.
При этом упомянутая радиальная часть 71 сепаратора 70 присоединяется к трубчатой части 76 этого сепаратора 70, например, на уровне входящей половины этой трубчатой части 76. Или, например, эта радиальная часть 71 сепаратора 70 присоединяется к его упомянутой трубчатой части 76 на уровне первой входной четверти или на уровне первой входной трети этой трубчатой части 76.
Таким образом, как это можно видеть на фиг.2, трубчатая часть 76 сепаратора 70 разделяет, начиная от его входного конца 79, выходной кольцевой канал 40 на две части в направлении течения потока воздуха, а именно: с одной стороны, на наружный кольцевой канал 81, располагающийся между внутренней обечайкой 151 камеры 10 сгорания и этой трубчатой частью 76, а с другой стороны, на внутренний кольцевой канал 82, расположенный между этой трубчатой частью 76 и узлом, образованным внутренним фланцем 21 и стенкой кожуха 30. Говоря более конкретно, участок 78 упомянутой трубчатой части 76, расположенный на входе радиальной части 71 сепаратора 70, размещается между стенкой кожуха 30 и внутренней обечайкой 151. При этом участок 76 этой трубчатой части, расположенной на выходе упомянутой радиальной части 71, размещается между внутренним фланцем 21 и внутренней обечайкой 151.
Таким образом, радиальная часть 71 сепаратора 70 располагается на поверхности раздела между стенкой кожуха 30 и внутренним фланцем 21. При этом сепаратор 70 закреплен на внутреннем фланце 21 при помощи радиально внутреннего конца его радиальной части 71.
Радиально внутренний конец упомянутой радиальной части 71 содержит, например, отверстия 711, предназначенные для крепления, сквозь которые могут проходить средства крепления этой радиальной части 71 к упомянутому внутреннему фланцу 21. Это крепление может осуществляться, например, при помощи болтовых соединений. Таким образом, радиально внутренний конец радиальной части 71 вставляется между входным радиальным концом 211 внутреннего фланца 21 и выходным радиальным концом 301 стенки кожуха 30. При этом болты, которые обеспечивают удержание входного конца 211 упомянутого внутреннего фланца и выходного конца 301 упомянутой стенки кожуха, жестко связанных друг с другом, проходят через отверстия 711 крепления, проходят через узел, образованный этим входным концом 211, внутренним концом 71 радиальной части сепаратора и выходным концом 301, и стягиваются при помощи гаек, навинчиваемых на эти болты. Таким образом, сепаратор 70 жестко удерживается в заданном положении в выходном канале 40.
Как об этом уже было сказано ранее, трубчатая часть 76 сепаратора 70 обеспечивает разделение выходного кольцевого канала 40 в направлении течения потока воздуха на наружный кольцевой канал 81, располагающийся между внутренней обечайкой 151 камеры 10 сгорания и этой трубчатой частью 76, и на внутренний кольцевой канал 82. Упомянутая трубчатая часть 76 не содержит каких-либо отверстий, поскольку функция этой трубчатой части состоит в отделении потока воздуха, движущегося в наружном кольцевом канале 81 (который подвергается нагреванию со стороны камеры 10 сгорания), от потока воздуха, движущегося во внутреннем кольцевом канале 82. Таким образом, упомянутая трубчатая часть 76 создает своеобразный экран между потоком воздуха, движущимся во внутреннем кольцевом канале 82, и стенкой камеры 10 сгорания.
Воздух, поступающий из входного кольцевого канала 49, разделяется, таким образом, в выходном канале 40 на уровне входного конца 79 упомянутой трубчатой части 76 сепаратора 70 на наружный поток воздуха Fе, проходящий в наружном кольцевом канале 81, и внутренний поток воздуха Fi, проходящий во внутреннем кольцевом канале 82 (упомянутые потоки воздуха схематически представлены соответствующими стрелками, показанными на фиг.2).
Таким образом, поперечное (радиальное) сечение наружного кольцевого канала 81 оказывается несколько меньшим, чем поперечное сечение выходного кольцевого канала 40 в отсутствие упомянутого сепаратора 70. В то же время трубчатая часть 76 сепаратора 70 и, в частности, участок 78 этой трубчатой части, располагающийся на входе радиальной части 71 упомянутого сепаратора, является, по существу, параллельным внутренней обечайке 151 камеры 10 сгорания. Таким образом, наружный кольцевой канал 81 имеет, по существу, постоянное поперечное сечение, чего не происходит при отсутствии упомянутого сепаратора 70, причем внутренний фланец 21 приближается к внутренней обечайке 151 в направлении движения потока.
Эта особенность наружного кольцевого канала 81 (имеющего, по существу, постоянное поперечное сечение) обеспечивает наилучшие условия для течения потока воздуха и, следовательно, увеличение числа Маха в потоке воздуха в наружном кольцевом канале 81. Это увеличение числа Маха позволяет обеспечить наилучшее охлаждение путем конвекции внутренней обечайки 151 камеры 10 сгорания. Испытания, проведенные авторами данного изобретения, показывают, что увеличение числа Маха составляет примерно от 10% до 20%.
Проникая во внутренний канал 82, внутренний поток Fi воздуха движется между стенкой кожуха 30 и внутренней обечайкой 151. Затем этот поток воздуха проходит через основные отверстия 72, выполненные в радиальной части 71 сепаратора 70, и попадает в ту часть внутреннего канала 82, которая ограничена внутренним фланцем 21 и внутренней обечайкой 151. На выходном конце 77 своей трубчатой части 76 сепаратор 70 находится в контакте с внутренним фланцем 21 таким образом, чтобы выходной конец внутреннего кольцевого канала 82 оказался закрытым. При этом упомянутый выходной конец 77, например, находится в контакте с участком 27 внутреннего фланца 21, который представляет собой кольцевое утолщение, как это представлено на фиг.2.
Как об этом уже было сказано ранее, на входной части внутреннего фланца 21 расположены входные отверстия 215. Эти входные отверстия 215 находятся между участком 27 и входным концом 211 внутреннего фланца 21. Таким образом, для того чтобы выйти из внутреннего кольцевого канала 82, внутренний поток воздуха Fi должен проходить через входные отверстия 215 внутреннего фланца 21. Этот внутренний поток воздуха Fi затем движется в направлении рабочего колеса турбины НР высокого давления, для охлаждения которого этот воздух предназначен.
Выходной конец 77 сепаратора 70 может быть просто перемещен на участок 27 внутреннего фланца 21, что способствует центрированию этого сепаратора 70 на внутреннем фланце 21.
Альтернативным образом упомянутый выходной конец 77 сепаратора 70 может быть закреплен на участке 27 внутреннего фланца 21, например, при помощи пайки. Предпочтительным образом это крепление осуществляется без использования болтового соединения, что позволяет обеспечить более удобное присоединение сепаратора 70 к внутреннему фланцу 21. Таким образом, сепаратор 70 закрепляется на внутреннем фланце 21 одновременно при помощи радиально внутреннего конца радиальной части 71 и при помощи выходного конца 77 трубчатой части 76. Это двойное крепление сепаратора 70 позволяет обеспечить наилучшую его фиксацию на внутреннем фланце 21. Кроме того, поскольку радиальная часть 71 сепаратора 70 присоединяется к трубчатой части 76 этого сепаратора 70 во входной половине трубчатой части 76, сепаратор 70 закрепляется на внутреннем фланце 21 входной частью и выходной частью, что повышает устойчивость позиционирования сепаратора 70 и делает конструкцию в целом более жесткой.
В более общем смысле сепаратор 70 может содержать вместо радиальной части 71 крепежную часть, жестко связанную с камерой 10 сгорания.
Например, сепаратор 70 может быть жестко закреплен (например, путем сварки) выходным концом 77 своей трубчатой части 76 на внутреннем фланце 21 (например, на участке 27 этого внутреннего фланца 21). В этом случае сепаратор 70 содержит одну только трубчатую часть 76 и не содержит радиальной части 71, а выходной конец 77 представляет собой крепежную часть. Преимущество такого технического решения состоит в том, что внутренний поток воздуха Fi движется во внутреннем кольцевом канале 82 практически беспрепятственно (поскольку в данном случае радиальная часть, которую необходимо преодолеть, больше не существует).
Альтернативным образом, упомянутая часть крепления может соединяться с трубчатой частью 76 во входной половине трубчатой части 76.
Входной конец 79 трубчатой части 76 сепаратора 70 располагается на входе отверстий, выполненных во внутренней обечайке 151 камеры 10 сгорания. Эта ситуация представлена на фиг.2, где этот входной конец 79 расположен на некотором расстоянии d в направлении по потоку от отверстия 51 внутренней обечайки 151, расположенного дальше в направлении потока. Это расстояние d имеет величину, например, заключенную в диапазоне от 15 мм до 20 мм.
Таким образом, понятно, что внутренний поток воздуха Fi полностью отделен от внутренней обечайки 151 камеры 10 сгорания при помощи трубчатой части 76 сепаратора 70. Таким образом, этот внутренний поток воздуха Fi не подвергается нагреванию в результате конвекции в контакте с внутренней обечайкой 151 или в результате излучения от пламени сгорания топлива, проходящего через отверстия, выполненные во внутренней обечайке 151, и больше не подвергается возмущениям в результате неустойчивости горения, проникающей через упомянутые отверстия. Таким образом, этот внутренний поток воздуха Fi способен более эффективно обеспечивать охлаждение турбины НР высокого давления.
Кроме того, передняя кромка входного конца 79 трубчатой части 76 сепаратора 70 может быть выполнена закругленной, что позволяет обеспечить наилучшие условия течения наружного потока воздуха Fе, предназначенного для обтекания камеры 10 сгорания, и внутреннего потока воздуха Fi, предназначенного для охлаждения рабочего колеса турбины НР высокого давления.
Как об этом уже было отмечено ранее, в радиальной части 71 сепаратора выполнены основные отверстия 72, предназначенные для прохождения внутреннего потока воздуха Fi. Эти основные отверстия 72 расположены в непосредственной близости от трубчатой части 76 и между этой трубчатой частью 76 и тем местом, где радиальная часть 71 соединяется с внутренним фланцем 21.
Эти основные отверстия 72 распределены, например, по всей окружности упомянутой радиальной части 71. Эти основные отверстия могут быть выполнены, например, круглыми, как это представлено на фиг.4А, или могут быть выполнены треугольными и располагающимися в шахматном порядке (то есть это означает, что два любых смежных треугольных отверстия образуют ромбовидную структуру), как это представлено на фиг.4В.
Эти основные отверстия 72 занимают как можно более значительную часть площади поверхности эффективного поперечного сечения радиальной части 71 для сокращения потерь напора в процессе прохождения потока воздуха через эти основные отверстия 72, сохраняя при этом достаточную механическую прочность сепаратора 70. Под эффективным поперечным сечением радиальной части 71 здесь понимается область этой радиальной части, которая непосредственно подвергается воздействию внутреннего потока воздуха Fi. Это эффективное поперечное сечение представляет собой, таким образом, некоторую кольцевую область, заключенную между тем местом, где радиальная часть 71 присоединяется к трубчатой части 76 (это место, по существу, представляет собой окружность в примере реализации, представленном на приведенных в приложении фигурах), и тем местом, где радиальная часть 71 входит в контакт с внутренним фланцем 21 (это место также, по существу, представляет собой окружность в примере реализации, представленном на приведенных в приложении фигурах). Например, общая площадь поверхности основных отверстий 72 занимает от 60% до 80% от площади эффективного поперечного сечения радиальной части 71.
Материал, из которого изготавливается упомянутый сепаратор, должен выдерживать температуру, достигающую 550°С. Этот материал может представлять собой, например, сталь с определенным содержанием никеля и хрома.
Описанная ранее камера сгорания представляет собой камеру сгорания газотурбинного двигателя. Однако эта камера сгорания также может представлять собой любую камеру сгорания.