Камера сгорания, содержащая гибкое соединение между головкой и стенкой камеры
Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит радиально расположенные внутреннюю и наружную стенки, головку камеры, расположенную между указанными стенками в верхней области камеры. Головка камеры закреплена на стенках при помощи множества радиально размещенных внутренних крепежных фланцев и множества радиально размещенных наружных крепежных фланцев, расположенных перед головкой камеры, при помощи болтового соединения зон указанных фланцев с указанными стенками. По меньшей мере, множество крепежных фланцев встроено в кольцо, жестко соединенное с головкой камеры, и содержит множество пар лапок, направленных в направлении верхней области и выступающих за пределы зон болтового соединения. При этом две лапки одной пары расположены в окружном направлении по обе стороны зоны болтового соединения и соединены своими верхними концами с верхним концом крепежной пластины, расположенной между указанными двумя лапками и содержащей зону болтового соединения, предназначенную для крепления к смежной стенке. Изобретение направлено на создание нового крепежного фланца, обеспечивающего достаточную гибкость для компенсирования зазоров от радиального расширения различных деталей и имеющего небольшие габариты в радиальном направлении. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.
Настоящее изобретение касается кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя с осью X, содержащей радиально внутреннюю стенку, радиально наружную стенку и головку камеры, расположенную между указанными стенками в верхней области камеры, при этом головка камеры закреплена на стенках при помощи множества радиально внутренних крепежных фланцев и множества радиально наружных крепежных фланцев, расположенных перед указанной головкой камеры, с использованием болтового соединения множества зон указанных фланцев с указанными стенками.
Как известно, головка камеры и внутренняя и наружная стенки выполняют из однотипных материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты расширения, и соединение между головкой камеры и стенками выполняют при помощи жесткого болтового крепления фланцев, выполненных короткими в осевом направлении.
Для повышения производительности газотурбинных двигателей, в частности авиационных двигателей, стремятся все более повышать температуру газов в зонах интенсивного сгорания и защитить стенки при помощи охлаждающих воздушных пленок.
Во избежание необратимых деформаций головки камеры, как правило, выполняемой из материала, однотипного с материалом стенок, вследствие избыточной температуры головка камеры может быть выполнена из материала, отличающегося от материала радиально внутренней и радиально наружной стенок и способного противостоять более высоким температурам. В этом случае коэффициент расширения материала головки камеры отличается от коэффициента расширения материала стенок, и жесткое болтовое соединение головки камеры с указанными стенками, то есть с короткими фланцами, также испытывает дополнительные механические нагрузки.
В качестве ближайшего технического решения рассматривается патент FR 0107368, в котором раскрыта камера сгорания, снабженная системой фиксации дна камеры.
Согласно указанному патенту, в кольцевой камере (24) сгорания, содержащей внешние аксиальные стенки (26) и внутренние аксиальные стенки (28) из композитного материала и дно камеры из металла (30), предусматривается поддерживать указанное дно камеры в положении между аксиальными стенками кольцевой камеры сгорания посредством множества гибких металлических фланцев (36, 38), закрепленных на части указанных аксиальных стенок при помощи средств (46, 48) фиксации, а другая часть дна камеры закреплена посредством пайки или сварки. Указанное дно камеры содержит также средства (92, 94) обеспечения герметичности между дном камеры и аксиальными стенками.
Напряжения, которым подвергаются крепежные фланцы, возрастают, когда зазоры от радиального расширения в точках крепления фланцев к головке камеры, с одной стороны, и в зонах болтового соединения, с другой стороны, увеличиваются и становятся тем больше, чем меньше расстояние, отделяющее через фланец точку крепления от зоны болтового соединения.
С целью уменьшения этих напряжений в случае заранее определенных зазоров от радиального расширения можно увеличивать расстояние через фланец между точкой крепления и зоной болтового соединения, причем гибкие фланцы имеют форму небольшой арки и охватывают в радиальном направлении гайки болтов. Однако указанные гибкие фланцы занимают много места в области корпуса камеры сгорания, расположенной в верхней области камеры, при этом верхняя часть определяется относительно направления, то есть от верхнего бьефа к нижнему бьефу или от входа к выходу, нормального потока газов, циркулирующих в камере сгорания.
Вместе с тем, свободное пространство в корпусе ограничено в силу присутствия систем впрыска топлива.
В связи с этим в основу изобретения положена задача создания нового крепежного фланца, обеспечивающего достаточную гибкость для компенсирования зазоров от радиального расширения различных деталей и имеющего небольшие габариты в радиальном направлении.
Таким образом, настоящее изобретение относится к камере сгорания, упомянутой в преамбуле описания.
Предложенная камера сгорания отличается тем, что, по меньшей мере, один из множества крепежных фланцев встроен в кольцо, жестко соединенное с головкой камеры, и содержит множество пар лапок, направленных в направлении верхней области, выступающих за пределы зон болтового соединения, при этом две лапки одной пары расположены в окружном направлении по обе стороны зоны болтового соединения и соединены своими верхними концами с верхним концом крепежной пластины, расположенной между указанными двумя лапками и содержащей зону болтового соединения, предназначенную для крепления к смежной стенке.
Такое расположение фланца позволяет удвоить расстояние через фланец между точкой крепления лапок и зоной болтового соединения, отделяющее зону болтового соединения от верхнего конца крепежной пластины, существенно не увеличивая при этом радиальный габарит фланца по сравнению с известным жестким крепежным фланцем, имеющим небольшой осевой габарит.
Кроме того, предпочтительно, чтобы верхние концы лапок одной пары и соответствующий верхний конец крепежной пластины содержали утолщение, предназначенное для того, чтобы противостоять напряжениям радиального сгиба.
Целесообразно, чтобы каждая лапка, образующая единое целое с крепежной пластиной, была отделена от нее щелью, выходящей в отверстие, выполненное вблизи утолщения. Эти отверстия обеспечивают снижение концентрации напряжений формы в конце щелей вблизи утолщений.
Для лучшего размещения в конструкции желательно, чтобы лапки имели двойной изгиб между кольцом и зоной болтового соединения. Эти изгибы дополнительно увеличивают расстояние через фланец между точкой крепления лапок и зоной болтового соединения и повышают гибкость лапок.
Целесообразно также, чтобы лапки были выполнены с возможностью упора в смежную стенку, по меньшей мере, вблизи двойного изгиба для ограничения отклонения головки камеры по отношению к указанной стенке в случае вибрационного резонанса.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут раскрыты в приводимом ниже в качестве примера выполнения описании, со ссылками на фигуры прилагаемых чертежей, в числе которых
фиг.1 изображает половину камеры сгорания газотурбинного двигателя с осью X в разрезе по радиальной плоскости, содержащей ось X, при этом данная камера сгорания содержит крепежные фланцы для крепления к головке камеры в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - частичный вид в перспективе крепежных фланцев в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 - в разрезе по линии III-III фиг.4 систему крепления пары лапок на радиально внутренней стенке камеры сгорания;
фиг.4 - вид сверху системы крепления, показанной на фиг.3, в направлении стрелки V;
фиг.5 и 6 аналогичны фиг.3 и изображают деформации, которым подвергаются лапки и крепежная пластина соответственно в случае радиального сжатия или радиального расширения точки крепления лапок к головке камеры относительно к радиально внутренней стенки камеры сгорания.
На фиг.1 показана кольцевая камера сгорания 1 газотурбинного двигателя с осью X, расположенная ниже диффузора 2 между внутренней стенкой 3 картера и наружной стенкой 4 картера. В настоящем документе верх и низ определены относительно нормального направления потока газов через камеру сгорания 1.
Камера сгорания 1 ограничена радиальной внутренней стенкой 5, радиально наружной стенкой 6 и головкой 7 камеры, выполненной между радиально наружной стенкой 6 в верхней области камеры 1.
Радиальная внутренняя стенка 5 расположена радиально снаружи внутренней стенки 3 картера и ограничивает вместе с последней внутренний кольцевой канал 8, предназначенный для прохождения воздушного потока, разбавляющего смесь в нижней зоне камеры, и для охлаждения турбин.
Радиальная наружная стенка 6 расположена радиально изнутри относительно наружной стенки 4 картера и также ограничивает вместе с последней наружный кольцевой канал 9, предназначенный для прохождения воздушного потока, разбавляющего смесь, и для охлаждения статора турбин, не показанных на чертежах.
Головка камеры 7 делит кольцевой объем, ограниченный радиально внутренней стенкой 3 и радиально наружной стенкой 4, на верхнюю часть 10, в которой находятся топливные трубопроводы 11, форсунки и фланцы крепления к головке 7 камеры, и на нижнюю зону 12, в которой происходит сгорание.
Как показано на фиг.1, края 7а и 7b головки 7 камеры отделены от радиально внутренней стенки 5 и радиально наружной стенки 6 соответственно промежутками 13а и 13b для обеспечения компенсации различных радиальных расширений головки 7 камеры и этих стенок 5 и 6.
Крепление наружного края 7b головки 7 камеры на верхней части 6а радиально наружной стенки 6 выполняют при помощи множества гибких крепежных фланцев 14, выполненных в виде небольших арок, охватывающих гайки 15 крепления винтов 16, проходящих через отверстия, выполненные в верхней части 6а, и отверстия, выполненные на конце арок 14. Такая конструкция становится возможной, так как появляется достаточное пространство в радиально наружной части верхней области 10.
Что же касается наличия свободного пространства в радиально внутренней части верхней области 10, то его недостаточно для крепления радиально наружного края 7а головки 7 камеры на верхней части 5а радиально внутренней стенки 5 при помощи множества крепежных фланцев в виде арок, обозначенных позицией 14 на фиг.1.
Кроме того, крепление радиально внутреннего края 7а при помощи известных фланцев, выполненных в виде уголков, закрепленных на верхней части 5а радиально внутренней стенки 5 при помощи винтов 17 и гаек 18, является недостатком, если головка 7 камеры выполнена из материала с коэффициентом расширения, отличающимся от материала радиально внутренней стенки 5, или если головка 7 камеры подвергается воздействию температур, превышающих температуры, воздействующие на стенки 5 и 6.
В соответствии с настоящим изобретением радиально внутренний крепежный фланец 20 края 7а головки 7 камеры встроен в кольцо 21, приваренное к указанному краю, и содержит множество пар лапок 22а, 22b, выступающих вверх по потоку в радиально внутренней части верхней области 10 за пределы зон болтового крепления 19 шпилек 17 и гаек 18, при этом две лапки 22а и 22b одной пары расположены в круговом направлении по обе стороны зоны болтового соединения 19 и соединены своими верхними концами 23а и 23b с верхним концом 24 крепежной пластины 25, расположенной между этими двумя лапками 22а и 22b и выполненной практически в плоскости верхних участков двух лапок 22а и 22b.
Лапки 22а и 22b дополнительно содержат двойной изгиб 26, образованный двумя криволинейными зонами 27 и 28 противоположной кривизны, при этом радиально внутренняя криволинейная зона 28 немного сдвинута в нижнем направлении по потоку от зоны болтового крепления 19 и опирается на радиально наружную сторону радиально внутренней стенки 5.
Лапки 22а и 22b отделены от краев 29а, 29b крепежной пластины 25 щелями 30а и 30b, выходящими в отверстия 31а и 31b, расположенные вблизи концов 23а и 23b лапок 22а и 22b и верхнего конца 24 крепежной пластины 25.
Отверстия 31а и 31b имеют диаметр, достаточный для ограничения напряжений в этих зонах. Кроме того, концы 23а и 23b лапок 22а и 22b и верхний конец 24 крепежной пластины 25 содержат значительное утолщение для ограничения опасности поломки соединения лапок 22а и 22b с крепежной пластиной 25. Само собой разумеется, что крепежная пластина 25 содержит сквозное отверстие 32 для прохождения крепежного винта 17.
Обе лапки 22а и 22b соединяются за радиально наружной криволинейной зоной 27, образуя ветвь 33, практически параллельную верхней части 5а радиально внутренней стенки 5.
По обе стороны ветви 33 кольцо 21 содержит с одной стороны радиально внутреннюю кромку 34, отстоящую от радиально внутренней стенки 5 на расстояние, равное толщине промежутка 13а, и радиально наружную кромку 35.
При отсутствии зазора от радиального расширения узла 36 крепления ветви 33 на кольце 21 и радиально внутренней стенки участки лапок 22а и 22b, расположенные перед зоной кривизны 28, опираются на наружную сторону радиально внутренней стенки 5. Это же относится и к крепежной пластине 25. Это состояние покоя или отсутствие воздействия напряжения на крепежный фланец 20 показано пунктирной линией на фиг.5 и 6.
Если внутренняя стенка 5 имеет коэффициент расширения, превышающий коэффициент расширения головки 7 камеры, как показано на фиг.5, узел 36 крепления приближается к внутренней стенке 5 на расстояние d в случае повышения температур, и верхние части лапок 22а и 22b поворачиваются вокруг криволинейных зон 28, опирающихся на внутреннюю стенку S, а концы 23а, 23b лапок 22а и 22b, а также конец 24 крепежной пластины отходят от внутренней стенки на расстояние d′. Нижние части лапок 22а и 22b, естественно, приближаются к радиально внутренней стенке. Такое расположение позволяет ограничить деформацию лапок 22а и 22b и отклонение головки 7 камеры по отношению к внутренней стенке 5 в случае вибрационного резонанса.
Если же, наоборот, головка 7 камеры имеет коэффициент расширения, превышающий коэффициент расширения радиально внутренней стенки 5, узел 36 крепления ветви 33 отходит на расстояние d от внутренней стенки S в случае повышения температур, как показано на фиг.6. Лапки 22а и 22b отходят от внутренней стенки 5, и крепежная пластина занимает положение, аналогичное положению, показанному на фиг.6.
В двух вариантах конфигурации, показанных на фиг.5 и 6, соединения концов 23а и 23b лапок 22а и 22b с концом 24 крепежной пластины 5, расположенные перед отверстиями 31а и 31b, подвергаются воздействию усилий осевого сгиба, что приводит к сильным напряжениям в утолщениях этих концов. Для специалиста понятно, что описанный выше соединительный фланец может быть также использован для крепления радиально наружного края 7а головки 7 камеры к радиально наружной стенке 6 вместо арок 14.
1. Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя с осью X, содержащая радиально внутреннюю стенку (5), радиально наружную стенку (6) и головку (7) камеры, расположенную между указанными стенками (5, 6) в верхней области указанной камеры, при этом головка камеры закреплена на стенках при помощи множества радиально внутренних крепежных фланцев и множества радиально наружных крепежных фланцев, расположенных перед указанной головкой (7) камеры, при помощи болтового соединения зон указанных фланцев с указанными стенками (5, 6), отличающаяся тем, что, по меньшей мере, множество крепежных фланцев (20) встроено в кольцо (21), жестко соединенное с головкой (7) камеры, и содержит множество пар лапок (22а, 22b), направленных в направлении верхней области и выступающих за пределы зон болтового соединения (19), при этом две лапки (22а, 22b) одной пары расположены в окружном направлении по обе стороны зоны болтового соединения (19) и соединены своими верхними концами (23а, 23b) с верхним концом (24) крепежной пластины (25), расположенной между указанными двумя лапками (22а, 22b) и содержащей зону болтового соединения (19), предназначенную для крепления к смежной стенке (5).
2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что верхние концы (23а, 23b) лапок (22а, 22b) одной пары и верхний конец (24) соединенной с ними крепежной пластины (25) содержат утолщение, предназначенное для восприятия напряжений радиального сгиба.
3. Камера сгорания по п.2, отличающаяся тем, что каждая лапка (22а, 22b), образующая единое целое с крепежной пластиной (25) отделена от нее щелью (30а, 30b), выходящей в отверстие (31а, 31b), расположенное вблизи утолщения.
4. Камера сгорания по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что лапки (22а, 22b) содержат двойной изгиб (27, 28) между кольцом (21) и зоной болтового соединения (19).
5. Камера сгорания по п.4, отличающаяся тем, что лапки (22а, 22b) выполнены с возможностью упора в смежную стенку (5), по меньшей мере, вблизи двойного изгиба (27, 28) для ограничения отклонения головки (7) камеры по отношению к указанной стенке (5) в случае вибрационного резонанса.
6. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что кольцо (21) жестко соединяют с головкой (7) камеры при помощи сварки.
7. Камера сгорания по п.6, отличающаяся тем, что кольцо (21) приварено к радиально внутреннему краю (7а) головки (7) камеры и отделено от радиально внутренней стенки (5) зазором (13а), позволяющим компенсировать различные зазоры от радиального расширения головки (7) камеры и указанной стенки (5).
