Устройство для пассивного регулирования теплового расширения удлинительного корпуса турбореактивного двигателя
Изобретение относится к устройству для пассивного регулирования теплового расширения удлинительного корпуса турбореактивного двигателя, причем удлинительный корпус окружает внутренний корпус компрессора высокого давления турбореактивного двигателя и содержит фланец для прикрепления к расположенному выше по потоку фланцу корпуса камеры сгорания. Между обоими фланцами выполнена по меньшей мере одна полость, расположенная по окружности, в которой обеспечивается циркуляция потока газа, отбираемого на входе камеры сгорания. При этом используется естественная циркуляция, возникающая из-за перепада давлений. Благодаря применению устройства согласно изобретению пассивно регулируют тепловое расширение фланца и уменьшают напряжения, возникающие в результате различного расширения оболочки корпуса и присоединенного к ней фланца. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.
Настоящее изобретение относится к турбореактивным двигателям и, в частности, к удлинительному корпусу компрессора высокого давления турбореактивного двигателя.
Турбореактивные двигатели обычно содержат по меньшей мере один компрессор низкого давления и один компрессор высокого давления. Часто отбирают газ из компрессорной ступени для того, чтобы подавать относительно холодную текучую среду в другие расположенные ниже по потоку элементы турбомашины, например распределитель турбины, для охлаждения упомянутого распределителя или элементов, расположенных выше по потоку от него, например для размораживания компрессора низкого давления.
В данном описании под терминами «выше по потоку» и «ниже по потоку» понимается положение элемента относительно общего направления газового потока во время работы турбореактивного двигателя.
Компрессор высокого давления расположен выше по потоку от камеры сгорания. Компрессор содержит внутренний корпус 2, вокруг которого находится так называемый удлинительный корпус 3. Удлинительный корпус 3 содержит расположенный ниже по потоку фланец 4, с помощью которого обеспечивается соединение с корпусом камеры сгорания 6 и поддерживается разделительная стенка 7 между обоими объемами.
Фланец 4 удлинительного корпуса 3, расположенный ниже по потоку, жестко соединен с фланцем 8 корпуса камеры сгорания 5, расположенным выше по потоку, соединительными болтами 9, установленными в отверстия 10 фланцев, распределенными по окружности фланца 4. Оба фланца 4, 8 удлинительного корпуса 3 и корпуса камеры сгорания 6 зажимают фланец 11 диффузора 12, расположенного выше по потоку, причем диффузор выполнен перфорированным и расположен в оболочке камеры сгорания 6. Поверхность 14, расположенная ниже по потоку, фланца 4 удлинительного корпуса 3 выполнена плоской и прижата к фланцу 11 конуса 12 диффузора.
В рассматриваемом случае охлаждающая текучая среда для охлаждения других элементов турбореактивного двигателя отбирается из седьмой ступени компрессора 1 (не изображен) через отверстия, выполненные с этой целью одновременно в корпусе 2 компрессора и в удлинительном корпусе 3. В результате этого кольцевое пространство 13 между этими двумя корпусами 2, 3 заполняется этой текучей средой.
Во время взлета самолета с таким турбореактивным двигателем высокая скорость, сообщаемая двигателю, вызывает резкий подъем температуры воздуха, отбираемого из компрессора, и, следовательно, резкий подъем температуры удлинительного корпуса 3, оболочка которого, являясь достаточно тонкой, имеет малую тепловую инерцию и подвергается значительному расширению. Он быстро достигает температуры приблизительно 550°С. Фланец 4 этого корпуса 3 более массивный и, кроме того, погружен в оболочку 15 гондолы и остается в это время в значительной части его наружной периферии при температуре приблизительно 200°С.
В результате этого возникает высокий температурный градиент между удлинительным корпусом 3 и его фланцем 4. Этот градиент вызывает изгиб фланца 4 и высокие тангенциальные напряжения в верхних частях фланцевых отверстий 10.
Из-за значительных напряжений, возникающих под воздействием теплового градиента, продолжительность срока службы удлинительного корпуса оказывается значительно более короткой, чем это требуется. В течение срока службы двигателя возникает необходимость в ремонте, и стоимость эксплуатации, связанная с демонтажом двигателя вне планового графика технического обслуживания, повышается.
Задачей настоящего изобретения является исключение упомянутых выше недостатков.
Таким образом, изобретение направлено на создание устройства для пассивного регулирования теплового расширения удлинительного корпуса турбореактивного двигателя и для снятия напряжений с него, причем удлинительный корпус окружает внутренний корпус компрессора высокого давления турбореактивного двигателя и включает фланец, предназначенный для присоединения к фланцу, расположенному выше по потоку, корпуса камеры сгорания. Это устройство отличается тем, что между обоими фланцами выполнена по меньшей мере одна полость, расположенная по окружности, в которой обеспечивается циркуляция потока, отбираемого на входе камеры сгорания.
Благодаря изобретению фланец корпуса может расширяться под воздействием более высокой температуры воздуха, отбираемого ниже по потоку. Расширение фланца регулируется таким образом, чтобы пассивно следовать расширению оболочки корпуса, в результате чего сокращаются источники напряжений между обеими частями корпуса.
Устройство для обеспечения дополнительного расширения фланца корпуса известно из патента США №6352404, в котором описана поверхность раздела между двумя продольными соединительными фланцами двух получастей компрессора или корпуса турбины, в котором выполнена полость для пассивного регулирования расширения фланцев для исключения возможности возникновения овальности корпуса; таким образом, в этом случае решалась проблема, отличающаяся от задачи настоящего изобретения. Устройство согласно настоящему изобретению отличается, кроме того, от решения, описанного в указанном патенте, прежде всего тем, что в данном случае фланец не является продольным фланцем корпуса компрессора, а представляет собой поперечный фланец удлинительного корпуса, а также тем, что воздух для управления расширением отбирается на входе камеры сгорания, а не из газового контура компрессора.
В частности, оба фланца сжимают удерживающий фланец диффузора, причем полость расположена между одним из фланцев корпусов и фланцем диффузора.
Согласно предпочтительному варианту осуществления полость выполнена в виде углубления, сформированного в одном из фланцев. Используя калиброванные отверстия, выполненные во фланце, и перепад давлений между зонами, расположенными выше по потоку и ниже по потоку от фланца, можно, таким образом, обеспечить циркуляцию нагретой текучей среды.
В углублении выполнен внутренний поперечный буртик и наружный поперечный буртик, которые сопряжены с лицевой поверхностью присоединенного фланца, причем во внутреннем буртике, расположенном в осевом направлении, выполнены калиброванные отверстия, образующие радиальные горловины для впуска газа, а во фланце выполнены калиброванные отверстия, образующие выпускные каналы для газового потока.
Более конкретно, каналы содержат впускное отверстие, расположенное в углублении, и выпускное отверстие, выходящее в кольцевое пространство, расположенное между корпусом компрессора и удлинительным корпусом.
Согласно предпочтительному варианту осуществления полость выполнена из нескольких углублений, расположенных по окружности в секторах, причем каждое углубление сообщено с радиальной горловиной и каналом. Радиальная горловина расположена на поперечном конце углубления, а канал расположен на другом конце углубления. Фланцы имеют фланцевые отверстия, расположенные по окружности, предназначенные для обеспечения возможности пропуска через них соединительных болтов для соединения фланца с фланцем, расположенным выше по потоку диффузора, и фланцем, расположенным выше по потоку корпуса камеры сгорания.
Изобретение будет более понятным при ознакомлении с последующим описанием предпочтительного варианта осуществления устройства согласно изобретению со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на Фиг.1 изображено боковое сечение фланца согласно известному уровню техники;
на Фиг.2 изображен секциональный и перспективный вид фланца, представленного на Фиг.1;
на Фиг.3 изображено боковое сечение предпочтительного варианта осуществления фланца согласно изобретению;
на Фиг.4 изображен секциональный и перспективный вид предпочтительного варианта осуществления фланца, представленного на Фиг.3; и
на Фиг.5 изображен перспективный вид предпочтительного варианта осуществления фланца согласно изобретению.
Турбореактивный двигатель содержит компрессор 21 высокого давления (см. Фиг.3 и 4) и камеру сгорания 26. Компрессор содержит корпус 22, окруженный удлинительным корпусом 23. В части компрессора 21, расположенной ниже по потоку, корпус 22 компрессора и удлинительный корпус 23 соединены стенкой 27 Y-образного сечения, причем обе ветви Y-образного сечения направлены к части турбореактивного двигателя, расположенной ниже по потоку, причем с помощью одной поддерживают корпус компрессора 22, а другую поддерживают с помощью фланца 24, расположенного ниже по потоку, удлинительного корпуса 23.
Камера сгорания 26 содержит корпус 25, включающий фланец 28, расположенный выше по потоку. Фланец 28, расположенный выше по потоку, камеры сгорания и фланец 24, расположенный ниже по потоку, удлинительного корпуса соединены соединительными болтами 29, проходящими через отверстия 30 фланца 24 удлинительного корпуса. С помощью обоих фланцев жестко закреплен фланец 31, расположенный выше по потоку, диффузора 32. Диффузор 32 выполнен перфорированным, проходящим в оболочку камеры сгорания 26, и его роль заключается в направлении и рассеивании потока газа.
Фланец 24 удлинительного корпуса согласно изобретению содержит на его поверхности 34, расположенной ниже по потоку, углубление 40, проходящее по окружности, и на этой поверхности выполнены внутренний поперечный буртик 41 и внешний поперечный буртик 42, прилегающий к поверхности, расположенной выше по потоку, фланца 31, расположенного выше по потоку диффузора.
Внутренний поперечный буртик 41 фланца 24 удлинительного корпуса содержит калиброванные отверстия, образующие радиальные горловины 43. Кроме того, фланец 24 удлинительного корпуса содержит калиброванные отверстия, образующие каналы 44, впускные отверстия которых расположены в углублении 40, а выпускные отверстия расположены в кольцевом пространстве 33, расположенном между корпусом 22 компрессора и удлинительным корпусом 23. Каждая горловина 43 и каждый канал 44 просверлены в углубление 40 под прямыми углами по отношению к отверстию 30 фланца для того, чтобы ограничить чрезмерные напряжения на его краю.
Кольцевое пространство 33, расположенное между корпусом 22 компрессора и удлинительным корпусом 23, заполнено газом, отбираемым ниже по потоку на последней ступени компрессора 21 (в данном случае на седьмой ступени), которая подает холодную текучую среду для других частей, расположенных ниже по потоку, турбомашины, например распределителя турбины, для его охлаждения, или горячую текучую среду для частей, расположенных выше по потоку, например для размораживания компрессора низкого давления. С этой целью отверстия выполнены одновременно в корпусе 22 компрессора и в удлинительном корпусе 23.
Фланец 24 (см. Фиг.5), расположенный ниже по потоку, удлинительного корпуса разделен по окружности на сектора 50, 51, 52, например в данном случае согласно изобретению разделен на восемь секторов. Каждый сектор содержит углубление 40, горловину 43, расположенную на поперечном конце углубления 40, и канал 44, расположенный на другом конце углубления 40. Сектора отделены друг от друга радиальными перегородками 53, 54.
Назначение фланца 24 согласно изобретению пояснено более подробно ниже. В конце подъема самолета, например, оболочка камеры сгорания оказывается заполненной газом с температурой 650°С при давлении 40 бар, тогда как кольцевое пространство 33, расположенное между корпусом 22 компрессора и удлинительным корпусом 23, оказывается заполненным газом с температурой 550°С при давлении 25 бар. Фланец 24 удлинительного корпуса размещен в оболочке 35 отсека турбореактивного двигателя.
Из-за перепада давлений, имеющего место между оболочкой камеры сгорания 26 и кольцевым пространством 33, расположенным между корпусом 22 компрессора и удлинительным корпусом 23, газ из оболочки камеры сгорания 26 проходит в каждый сектор 50, 51, 52 фланца 24 удлинительного корпуса через радиальные горловины 43 и выходит через каналы 44 в кольцевое пространство 33.
В результате этого в каждом секторе 50, 51, 52 полости 45, выполненной в виде углубления 40, между поверхностью 34, расположенной ниже по потоку, фланца 24 удлинительного корпуса, внутренним поперечным буртиком 41, наружным поперечным буртиком 42 и поверхностью, расположенной выше по потоку, фланца, расположенного выше по потоку, диффузора 31, проходит газовый поток из оболочки камеры сгорания 26.
Газовый поток, поддерживаемый за счет перепада давлений, вызывает нагрев фланца 24, благодаря тому, что температура потока выше температуры последнего (фланца). Изобретение, таким образом, обеспечивает расширение фланца 24 и снижение температурного градиента, существующего между фланцем и удлинительным корпусом 23.
Продолжительность срока службы фланца 24, благодаря уменьшению напряжений, удается увеличить, что исключает, в конечном счете, его замену в течение срока службы турбореактивного двигателя. После прохода через полость 45 фланца 24 газ реинжектируется в кольцевое пространство 33, что позволяет повысить эффективность работы турбореактивного двигателя в, по меньшей мере, незначительной степени.
1. Устройство для пассивного регулирования теплового расширения удлинительного корпуса (23) турбореактивного двигателя и для понижения напряжений в нем, причем удлинительный корпус (23) окружает внутренний корпус (2) компрессора (1) высокого давления турбореактивного двигателя и содержит фланец (24) для прикрепления к расположенному выше по потоку фланцу (28) корпуса (25) камеры сгорания (26), отличающееся тем, что между обоими фланцами (24 и 28) выполнена по меньшей мере одна полость (45), расположенная по окружности, в которой обеспечивается циркуляция потока газа, отбираемого на входе камеры сгорания (26).
2. Устройство по п.1, в котором фланцы (24, 28) зажимают удерживающий фланец (31) диффузора (32), причем полость расположена между одним (24) из фланцев корпусов и фланцем (31) диффузора.
3. Устройство по п.2, в котором полость образована в виде углубления (40), выполненного в одном из фланцев (24).
4. Устройство по п.3, в котором циркуляция потока газа обеспечивается посредством калиброванных отверстий (43, 44), выполненных во фланце.
5. Устройство по п.4, в котором углубление (40) имеет внутренний поперечный буртик (41) и наружный поперечный буртик (42), которые сопряжены с лицевой поверхностью присоединяемого фланца, причем во внутреннем буртике (41), расположенном в осевом направлении, выполнены калиброванные отверстия, образующие радиальные горловины (43) для впуска газа, а во фланце (24) выполнены калиброванные отверстия, образующие выпускные каналы (44) для газового потока.
6. Устройство по п.5, в котором каналы (44) имеют впускное отверстие, расположенное в углублении (40), и выпускное отверстие, выходящее в кольцевое пространство (33), расположенное между корпусом (22) компрессора и удлинительным корпусом (23).
7. Устройство по п.6, в котором полость состоит из нескольких углублений, расположенных по окружности в секторах (50, 51, 52), причем каждое углубление (40) сообщено с радиальной горловиной (43) и каналом (44).
8. Устройство по п.7, в котором фланцы имеют фланцевые отверстия (30), расположенные по окружности, предназначенные для обеспечения возможности пропуска через них соединительных болтов (29) для соединения фланца (24) с фланцем (31), расположенным выше по потоку, диффузора (32) и фланцем (28), расположенным выше по потоку, корпуса (25) камеры сгорания (26).
9. Устройство по п.8, в котором радиальные горловины (43) просверлены под прямыми углами к фланцевому отверстию (30).
10. Устройство по п.9, в котором каналы (44) просверлены под прямыми углами к фланцевому отверстию (30).
