Газотурбинный двигатель с кольцевой камерой сгорания

Газотурбинный двигатель с кольцевой камерой сгорания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к газотурбинному двигателю с кольцевой камерой сгорания.

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя на входном конце содержит жесткую кольцевую стенку дна камеры и на своем выходном конце содержит фланцы крепления к внутреннему и наружному картерам. Входной кольцевой обтекатель закреплен на дне камеры и позволяет направлять воздушный поток, входящий в камеру сгорания или охватывающий камеру сгорания. Стенка дна камеры и обтекатель содержат отверстия для впуска воздуха в камеру и установки топливных форсунок. Внутренний и наружный крепежные фланцы на выходном конце камеры выполнены ажурными, чтобы обеспечивать прохождение воздуха, циркулирующего вокруг камеры сгорания, и в силу этого обладают определенной гибкостью (см. EP 1431665, МПК F23R 3/60, 2004).

Такая камера сгорания имеет ряд недостатков, связанных со способом ее крепления.

Действительно, ее единственное крепление со стороны выхода приводит к необходимости консольного монтажа камеры. Вибрации, возникающие во время работы газотурбинного двигателя, заставляют вибрировать входную часть камеры, что приводит к смещению между форсунками и камерой и не позволяет добиться идеального сгорания впрыскиваемого топлива. Эти вибрации приводят также к сокращению срока службы камеры.

В связи с этим было бы предпочтительным выполнять крепежные фланцы более жесткими, чтобы ограничить вибрации камеры. Однако во время работы газотурбинного двигателя колебания перепада давления между межкартерным пространством и пространством снаружи этого межкартерного пространства, а также колебания температуры приводят к относительным перемещениям внутреннего и наружного картеров и стенок камеры, что требует повышения гибкости задних фланцев.

В некоторых вариантах конфигурации, в которых характеристики материалов картеров и стенок камеры намного отличаются друг от друга, или когда геометрическая форма фланцев является сложной, фланцы требуют гибкости, которая несовместима с их механическими и аэродинамическими параметрами, необходимыми для соблюдения вибрационных пределов камеры.

Объектом настоящего изобретения является газотурбинный двигатель, позволяющий просто, эффективно и экономично избежать вышеуказанных недостатков известных технических решений.

В этой связи изобретением предлагается газотурбинный двигатель с кольцевой камерой сгорания, содержащей на своем входном конце дно кольцевой камеры, через которое проходят средства впрыска топлива, и закрепленной своим выходным концом при помощи гибких кольцевых фланцев на радиально внутреннем и радиально наружном картерах, отличающийся тем, что входной конец камеры соединен, по меньшей мере, с внутренним или наружным картером упруго деформирующимися мостиками, выполненными, каждый, в виде изогнутой пружинной пластины, расположенной в окружном направлении, и распределенными вокруг камеры сгорания, причем эти мостики закреплены болтовым соединением на внутреннем или наружном картере и опираются в радиальном направлении на дно камеры или наоборот.

Упруго деформирующиеся мостики крепления или подвески входного конца камеры позволяют поглощать и амортизировать вибрации, создаваемые газотурбинным двигателем во время работы. Таким образом, можно повысить гибкость задних фланцев крепления камеры для обеспечения необходимых относительных перемещений картеров и стенок камеры, что позволяет увеличить срок службы камеры сгорания.

Средства соединения камеры с внутренним или наружным картерами размещены на уровне дна камеры, которое является более холодным, чем другие части камеры, что позволяет ограничить деформации этих средств соединения при нагреве камеры во время работы.

Предпочтительно использовать, по меньшей мере, три мостика, распределенные вокруг камеры для ограничения вибрации входной части камеры сгорания. Мостики идеально интегрируются в механическое окружение форсунок и входной части камеры сгорания и не мешают воздушному потоку, огибающему камеру сгорания. Монтаж при помощи болтового соединения и демонтаж мостиков оказывается легким и быстрым, что упрощает операции технического обслуживания.

Предпочтительно радиальное опорное положение каждого мостика на внутреннем или наружном картере реализуют при помощи прилива на внутреннем или наружном картере, который выполняют выступающим в направлении камеры.

Некоторые из мостиков могут иметь закрытый контур и содержат, по существу, плоскую ветвь, опирающуюся в радиальном направлении на дно камеры или на картер, и противоположную ветвь, срединная часть которой выгнута в направлении первой ветви, при этом обе ветви соединены между собой изогнутыми концами U-образной формы.

Согласно другому отличительному признаку изобретения некоторые из мостиков имеют открытый контур и концы, изогнутые в виде U или С, при этом их пружинная пластина содержит также срединную часть, выгнутую внутрь мостика.

Предпочтительно отверстия для крепления на внутреннем или наружном картере или на камере сгорания выполняют на концах изогнутой срединной части пружинной пластины.

Согласно другому отличительному признаку изобретения концы мостиков содержат, каждый, по меньшей мере, две лапки, по существу параллельные окружному направлению, прижимающиеся к цилиндрической поверхности картера или кольцевой камеры.

Концевые лапки мостика могут быть направлены друг к другу. Некоторые из этих лапок могут быть направлены внутрь мостика, а другие - наружу.

Согласно другому отличительному признаку изобретения концевые лапки выгнуты в осевом направлении, что во время работы обеспечивает постоянный линейный контакт между мостиком и камерой или одним из картеров, независимо от положения и формы камеры.

Концевые лапки, направленные наружу мостика, могут чередоваться с концевыми лапками, направленными наружу смежного мостика, что позволяет удерживать мостики вместе в осевом направлении.

Согласно еще одному отличительному признаку изобретения изогнутый конец мостика находится в контакте с изогнутым концом смежного мостика, что позволяет изменять жесткость смежных мостиков во время их сжатия. Находящиеся в контакте изогнутые части могут также содержать дополнительные волнообразные изгибы, заходящие друг в друга.

Монтаж мостиков можно осуществлять с первоначальным предварительным напряжением, по меньшей мере, между одним из картеров, внутренним или наружным, и дном камеры, что во время работы обеспечивает постоянное упругое возвратное усилие мостиков, действующее на внутренний или наружный картеры и стенки камеры.

Объектом настоящего изобретения является также мостик крепления для кольцевой камеры сгорания описанного выше газотурбинного двигателя, отличающийся тем, что он выполнен в виде изогнутой пружинной пластины с открытым или закрытым контуром, в которой выполняют отверстия крепления.

Пружинную пластину мостика можно выполнять из никелевого или кобальтового сплава.

Настоящее изобретение и его детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве не ограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематичный вид в осевом разрезе камеры сгорания известного газотурбинного двигателя.

Фиг.2 - схематичный вид в осевом разрезе камеры сгорания газотурбинного двигателя в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 - частичный увеличенный вид в разрезе по линии А-А входной части камеры сгорания, показанной на фиг.2.

Фиг.4 - схематичный частичный вид в перспективе двух смежных мостиков, не входящих в контакт.

Фиг.5 - схематичный частичный вид в перспективе двух смежных мостиков, изогнутые концы которых входят в контакт.

Фиг.6 и 7 - схематичный частичный вид в перспективе двух смежных мостиков, изогнутые концы которых входят в контакт и содержат дополнительные волнообразные изгибы.

Фиг.8 - вид в перспективе пружинной пластины, содержащей концевые лапки.

Фиг.9 и 10 - частичный схематичный вид в перспективе двух пружинных пластин, концевые лапки которых заходят друг в друга.

Фиг.11 - схематичный вид в перспективе мостика с закрытым контуром в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.1 показана кольцевая камера 10 сгорания из предшествующего уровня техники, в которой центробежный диффузор 12, установленный на выходе не показанного на фигуре компрессора высокого давления, питает воздухом кольцевое пространство 13, ограниченное двумя коаксиальными картерами, один из которых 14 является радиально внутренним по отношению к оси 16 газотурбинного двигателя, а другой 18 является радиально наружным и содержит камеру 10 сгорания. Эта камера 10 сгорания установлена на входе турбинной секции 20, охваченной наружным картером 22, и содержит две по существу цилиндрические и коаксиальные круглые стенки, внутреннюю 24 и наружную 26, и переднюю кольцевую стенку 28 дна камеры, на которой закреплен кольцевой обтекатель 30, направленный в сторону входа. Задние концы стенок 24, 26 соединены с картерами 14 и 18 кольцевыми фланцами 32 и 34 соответственно. Передние концы радиально внутренней 24 и радиально наружной 26 круглых стенок закреплены на радиально внутреннем и радиально наружном бортиках стенки 28 дна камеры и обтекателя 30 соответственно при помощи болтов 36.

В стенке 28 дна камеры установлены головки форсунок 38, которые выходят в камеру 10 сгорания и направлены вдоль оси 40 этой камеры 10. Каждая форсунка 38 проходит через отверстия обтекателя 30 и содержит изогнутую часть, которая огибает передний наружный край обтекателя и соединена со средствами 42 подачи топлива, установленными на наружном картере 18.

Во время работы воздушный поток, поступающий из компрессора высокого давления через диффузор 12, направляется обтекателем 30 и делится на часть А, которая проходит через воздухозаборные отверстия обтекателя 30 и через соответствующие отверстия 44 дна 28 камеры для питания камеры 10 сгорания, и на две части В, которые огибают камеру 10 сгорания.

В известных двигателях камера 10 сгорания закреплена только задними фланцами 32, 34 на наружных 18, 22 и внутреннем 14 картерах, то есть передняя стенка камеры 10 сгорания имеет вид консоли. Таким образом, вся масса камеры 10 удерживается внутренним 32 и наружным 34 фланцами, которые должны быть достаточно жесткими, чтобы избегать вибраций входной части камеры 10, которые могут привести к смещениям форсунок 38 относительно оси 40 камеры и к повреждению головок форсунок 38, удерживаемых стенкой 28 дна камеры.

Вместе с тем, задние фланцы 32, 34 должны быть достаточно гибкими, чтобы обеспечивать относительные движения камеры 10 и картеров 14, 18 при перепадах давления и повышении температуры.

Таким образом, выполнение внутреннего 32 и наружного 34 фланцев зависит от компромисса между жесткостью и гибкостью, достижение которого является достаточно проблематичным.

Крепление камеры 10 сгорания со стороны входа невозможно выполнить при помощи фланца, аналогичного фланцам, используемым для заднего крепления. Действительно, это потребовало бы расположения фланца в зоне, огибающей камеру 10, что привело бы к возмущениям воздушного потока, и крепления этого фланца в зоне крепления форсунок 38, что достаточно сложно выполнить из-за недостаточного пространства.

Согласно изобретению эти недостатки, а также недостатки, упомянутые ранее, можно устранить за счет того, что, как показано на фиг.2, камера 46 сгорания соединена своим входным концом с внутренним 14 и наружным 18 картерами при помощи упруго деформирующихся средств переменной жесткости.

Эти упруго деформирующиеся средства содержат мостики 48, выполненные в виде изогнутых пружинных пластин, которые соединяют в радиальном направлении внутренний 14 и наружный 18 картеры с передними концами внутренней 24 и наружной 26 стенок камеры 46 сгорания. Использование мостиков 48 позволяет удерживать входную часть камеры 46 и поглощать часть вибраций камеры 46. Таким образом, можно снизить нагрузку на внутренний 32 и наружный 34 задние фланцы, что позволяет увеличить срок службы камеры 46.

Камера 46 сгорания соединена с внутренним 14 или наружным 18 картером при помощи, по меньшей мере, трех мостиков, распределенных вокруг камеры, что обеспечивает хорошую стабилизацию камеры 46 во время работы и позволяет компенсировать последствия первоначального консольного монтажа этой камеры между внутренним 14 и наружным 18 картерами.

В варианте выполнения, показанном на фиг.2, камера 46 сгорания удерживается на входе внутренними 49 и наружными 48 мостиками, при этом внутренние мостики 49 находятся ближе к входу, чем наружные мостики 48. Каждый наружный мостик 48 закреплен на наружном картере 18 при помощи болтового соединения и опирается в радиальном направлении на наружную стенку 26 и на радиально наружный бортик дна 28 камеры, при этом каждый внутренний мостик 49 закреплен на внутренней стенке 24 при помощи болтового соединения и на радиально на внутреннем бортике дна 28 камеры, опираясь также в радиальном направлении на внутренний картер 14. Радиальное опорное положение каждого внутреннего мостика 49 обеспечивается за счет прилива 50 внутреннего картера 14, выполненного в направлении камеры 46 сгорания.

По существу радиальное направление мостиков 48 и 49 позволяет поглощать и амортизировать радиальные вибрации входной части камеры 46 во время работы.

Как показано на фиг.3, мостик может быть выполнен в виде пружинной пластины 52 с открытым контуром, концы 54, 56 которой изогнуты в виде С. Пружинная пластина 52 содержит отверстия 58 по обе стороны от срединной части 62, выгнутой внутрь мостика. Площадки 64, содержащие продольные отверстия, закреплены на отверстиях 58, и в площадки 64 и в отверстия 58 мостика заходят резьбовые стержни 66, которые завинчиваются в наружный картер 18. В этом варианте выполнения мостик 52 крепят на наружном картере, и он опирается в радиальном направлении на наружную стенку 26 камеры 46 сгорания.

Во время работы газотурбинного двигателя внутренний 14 и наружный 18 картеры и стенки 24 и 26 камеры 46 расширяются в радиальном направлении под действием тепла, вырабатываемого в результате горения. Мостики могут тоже деформироваться, чтобы компенсировать расширение, за счет их изогнутой срединной части 62, удлиняющейся в окружном направлении.

В варианте изобретения (фиг.4) концы 68, 70 пружинной пластины 71 изогнуты U-образно и содержат, каждый, лапку 72, 74, которая может быть выгнута в осевом направлении, чтобы обеспечивать линейный контакт между мостиком и камерой или одним из картеров, внутренним 14 или наружным 18, при этом обе лапки 72, 74 мостика направлены в окружном направлении друг к другу.

Мостики, распределенные по окружности камеры сгорания, могут иметь разную жесткость, чтобы наиболее оптимально поглощать вибрации газотурбинного двигателя во время работы. Можно также менять жесткость мостиков, особым образом устанавливая их вокруг камеры сгорания. Например, два смежных мостика можно установить внутри камеры сгорания таким образом, чтобы между ними сохранялось пространство, пока газотурбинный двигатель не работает (фиг.4). Во время работы газотурбинного двигателя деформации камеры 46 и картеров 14, 18 заставляют изогнутые концы 68, 70 пружинных пластин 71 входить в контакт (фиг.5), что изменяет жесткость узла, образованного двумя пружинными пластинами 71, и повышает жесткость соединения между внутренним 14 или наружным 18 картером и камерой 46.

Между смежными мостиками можно выполнять разные контактные поверхности. На фиг.6 и 7 показан мостик 76, 84, изогнутые концы 78, 80 которого содержат радиальные волнообразные изгибы, заходящие в дополнительные волнообразные изгибы, выполненные на изогнутых концах 82 смежного мостика.

Мостик 84, показанный на фиг.7, имеет форму, аналогичную ранее описанным пружинным пластинам, за исключением того, что отверстия 58 крепления выполнены на концах пружинной пластины 84 и что эта пластина не имеет изогнутой срединной части. Такой мостик имеет жесткость, отличающуюся от жесткости мостиков с изогнутой срединной частью.

В варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.8, изогнутые концы 86, 88 пружинной пластины 90 содержат, каждый, две по существу параллельные лапки 92, 93 и 94, 95. Лапки каждого из изогнутых концов 86, 88 направлены друг к другу в окружном направлении. Лапки предназначены для того, чтобы прижиматься к внутреннему 14 или наружному 18 картеру или к внутренней 24 или наружной 26 круглой стенке камеры 46 сгорания, и позволяют амортизировать осевые вибрации камеры 46 во время работы.

В другом варианте изобретения, показанном на фиг.9, две лапки 92, 93 одного конца пружинной пластины мостика выполнены таким образом, чтобы одна 93 лапка была направлена внутрь пластины, а другая лапка 92 - наружу. Каждая из лапок 94, 95 другого конца пружинной пластины 90 имеет такое же направление, что и лапка, с которой она находится на одной линии в окружном направлении. Такая конфигурация позволяет выравнивать в осевом направлении лапку 92 одной пружинной пластины с лапкой 95 смежной пружинной пластины, что позволяет удерживать в осевом направлении неподвижно соединенные пружинные пластины 90 двух смежных мостиков.

В примере выполнения, показанном на фиг.10, каждый из изогнутых концов 86, 88 содержит три выполненные в окружном направлении лапки 96, 97, 98 и 99, 100, 101. Центральная лапка 97 изогнутого конца 86 направлена наружу пружинной пластины, тогда как две другие лапки 96, 98 направлены внутрь. Центральная лапка 100 изогнутого конца 88 направлена внутрь пружинной пластины, тогда как две другие лапки 99, 101 направлены наружу. Аналогично предыдущему варианту выполнения концевые лапки 99, 101, направленные наружу, расположены в осевом направлении, чередуясь с и заходя в направленной наружу лапкой 97 смежного мостика.

В варианте выполнения, показанном на фиг.11, мостик 102 имеет закрытый контур и содержит первую по существу плоскую ветвь 104 и вторую ветвь 106, которая находится напротив первой ветви 104 и срединная часть 108 которой выгнута в направлении первой ветви 104. Обе ветви 104, 106 сопрягаются на своих концах частями 110, 112, U-образно изогнутыми. По обе стороны выгнутой срединной части 108 тоже выполнены отверстия 58, и эта срединная часть может удлиняться в случае расширения или деформации детали, на которой она закреплена, аналогично ранее описанным пружинным пластинам. Такой мостик имеет жесткость, отличающуюся от жесткости пружинной пластины с открытым контуром.

Согласно возможным вариантам выполнения изобретения мостики можно располагать только между внутренним картером 14 и внутренней стенкой 24 камеры 46 или только между наружным картером 18 и наружной стенкой 26 камеры 46. Можно также размещать мостики одновременно внутри и снаружи. Внутренние мостики могут полностью или частично опираться в радиальном направлении на внутреннюю стенку 24 и крепиться болтами на внутреннем картере 14 или опираться в радиальном направлении на внутренний картер 14 и крепиться болтами на внутренней стенке 24. Аналогично, наружные мостики могут полностью или частично опираться в радиальном направлении на наружную стенку 26 и крепиться болтами на наружном картере 18 или опираться в радиальном направлении на наружный картер 18 и крепиться болтами на наружной стенке 26. Наружный картер 18 может содержать приливы, направленные в сторону камеры сгорания 46 аналогично приливу 50 внутреннего картера 14, показанному на фиг.2, чтобы обеспечивать радиальное опорное положение мостиков.

Мостики могут быть закреплены при помощи болтов на дне 28 камеры, используя элементы болтового соединения внутренней 24 или наружной 26 стенок с дном 28 камеры, что позволяет избежать выполнения дополнительных отверстий и отягощения газотурбинного двигателя при добавлении дополнительных деталей болтового соединения.

Не выходя за рамки настоящего изобретения, можно предусмотреть другое выполнение мостиков, в частности, можно объединять мостики разной формы, например, пружинную пластину, показанную на фиг.7, с мостиком, показанным на фиг.8, чтобы достичь особой жесткости для соединения между внутренним 14 или наружным 18 картером и камерой. Можно также комбинировать мостики 102 с закрытым контуром с мостиками с открытым контуром.

Как показано на чертежах, мостики имеют общую форму, изогнутую в окружном направлении, что облегчает установку мостиков между внутренним 14 и наружным 18 картерами и стенками камеры. Кроме того, их форма создает только небольшое сопротивление воздуху, огибающему камеру 46 сгорания (фиг.3).

В варианте выполнения по изобретению мостики предпочтительно устанавливают только между внутренним картером 14 и внутренней стенкой 24 камеры 46, так как внутренний картер 14 подвергается меньшему перепаду давления во время работы, чем наружный картер 18. Таким образом, мостики, выполненные внутри, деформируются меньше.

Предпочтительно мостики можно устанавливать внутри или снаружи в состоянии предварительного напряжения, чтобы обеспечить постоянное упругое возвратное усилие между внутренним 14 или наружным 18 картером и стенками камеры 46.

Интегрирование мостиков выполняют на входном конце камеры 46, соответствующем самой холодной зоне камеры 46 сгорания, что позволяет ограничить влияние высокой температуры горения на мостики.

Материал, используемый для выполнения мостиков, должен быть совместимым с материалами картеров и камеры во избежание слишком сильного трения между контактирующими поверхностями. Этот материал должен также обладать сопротивлением температуре, превышающей 600°С, соответствующей температуре в зоне мостиков. Таким образом, мостики можно выполнять из никелевого или кобальтового сплава.

1. Газотурбинный двигатель с кольцевой камерой сгорания, содержащей на своем входном конце кольцевое дно камеры, через которое проходят средства впрыска топлива, и закрепленной своим выходным концом при помощи гибких кольцевых фланцев на радиально внутреннем и наружном картерах, отличающийся тем, что входной конец камеры соединен, по меньшей мере, с внутренним или наружным картером упругодеформирующимися мостиками, выполненными каждый в виде изогнутой пружинной пластины, расположенной в окружном направлении, и распределенными вокруг камеры сгорания, при этом мостики закреплены болтовым соединением на одном из внутренних и наружных картеров и опираются в радиальном направлении на дно камеры или наоборот.

2. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из картеров, внутренний или наружный, содержит прилив, выступающий в направлении камеры и обеспечивающий радиальную опору мостика.

3. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что некоторые из мостиков имеют закрытый контур и содержат, по существу, плоскую ветвь, опирающуюся в радиальном направлении на дно камеры или на картер, и противоположную ветвь, срединная часть которой выгнута в направлении первой ветви, при этом обе ветви соединены между собой U-образно изогнутыми концами.

4. Газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что концы изогнутой срединной части содержат отверстия крепления к внутреннему или наружному картеру или к камере сгорания.

5. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что некоторые мостики имеют открытый контур и содержат срединную часть, выгнутую внутрь мостика, с U-образно или С-образно изогнутыми концами.

6. Газотурбинный двигатель по п.5, отличающийся тем, что концы изогнутой срединной части пружинной пластины содержат отверстия крепления на внутреннем или наружном картере или на камере сгорания.

7. Газотурбинный двигатель по п.5, отличающийся тем, что концы мостиков содержат каждый по меньшей мере две лапки, по существу, параллельные окружному направлению, прижимающиеся к цилиндрической поверхности картера или кольцевой камеры.

8. Газотурбинный двигатель по п.7, отличающийся тем, что концевые лапки мостика направлены друг к другу.

9. Газотурбинный двигатель по п.7, отличающийся тем, что концевые лапки изогнуты в осевом направлении.

10. Газотурбинный двигатель по п.7, отличающийся тем, что некоторые лапки направлены внутрь мостика, а другие лапки направлены наружу.

11. Газотурбинный двигатель по п.10, отличающийся тем, что концевые лапки, направленные внутрь мостика, заходят в концевые лапки, направленные наружу смежного мостика.

12. Газотурбинный двигатель по п.3, отличающийся тем, что изогнутый конец мостика находится в контакте с изогнутым концом смежного мостика.

13. Газотурбинный двигатель по п.12, отличающийся тем, что находящиеся в контакте изогнутые концы содержат дополнительные волнообразные изгибы, заходящие друг в друга.

14. Газотурбинный двигатель по п.1, отличающийся тем, что монтаж мостиков осуществляют с первоначальным предварительным напряжением, по меньшей мере, между одним из картеров, внутренним или наружным, и дном камеры.

15. Мостик крепления для кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя по п.1, отличающийся тем, что он образован изогнутой пружинной пластиной с открытым или закрытым контуром, в которой выполняют отверстия крепления.

16. Мостик по п.15, отличающийся тем, что пружинную пластину выполняют из никелевого или кобальтового сплава.