Результат интеллектуальной деятельности: КОМПОНОВКА СИСТЕМ ВПРЫСКА НА ЗАДНЕЙ СТЕНКЕ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ АВИАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству систем впрыска на задней стенке камеры сгорания авиационного двигателя, например турбомашины или турбовинтового двигателя.

Предшествующий уровень техники

Камеры сгорания турбомашин на периферии имеют заднюю стенку, где устанавливаются системы впрыска, чтобы обеспечить их равномерное распределение. Системы впрыска, имеющие топливные форсунки, предназначены для подачи топливовоздушной смеси, которая затем воспламеняется, образуя газообразные продукты сгорания.

В настоящее время в системы впрыска подается 10-25% воздуха, проходящего через камеру сгорания. Таким образом, размеры каждой системы впрыска являются небольшими по сравнению с размерами камеры сгорания. Кроме того, системы впрыска равномерно располагаются на периферии задней стенки камеры сгорания так, чтобы две смежные системы впрыска были всегда отделены друг от друга.

Также в настоящее время относительное расширение во время горения между камерой сгорания и окружающим ее корпусом настолько велико, что необходимо сохранять значительный рабочий зазор в месте соединения форсунок с системой впрыска, чтобы компенсировать указанное относительное расширение. Обычно рабочий зазор составляет около 3 мм.

В системах впрыска нового поколения, известных как многосопловые системы впрыска, используется до 70% воздуха, проходящего через камеру сгорания, а значит, размер каждой многосопловой системы впрыска увеличивается по сравнению с размерами существующих систем. Кроме того, подаваемое из множества точек топливо распыляется на периферии многосопловой системы впрыска. Следовательно, чтобы получить эффективное смешивание подаваемого из множества точек топлива с воздухом, нагнетаемым системой впрыска, необходимо обеспечить отсутствие рабочего зазора в той части системы впрыска, которая непосредственно контактирует с форсункой. Другими словами, необходимо переместить указанный зазор в зону, где система впрыска крепится к задней стенке камеры сгорания.

В результате сочетание ограничений, порождаемых увеличением размера систем впрыска, и перемещение рабочего зазора в зону крепления систем впрыска к задней стенке камеры сгорания означает, что каждая зона на задней стенке камеры сгорания, где устанавливаются системы впрыска, должна занимать большее пространство.

Однако диаметр задней стенки камеры сгорания является фиксированным и ограничивается конструкцией. Поэтому в определенных случаях, сохраняя все другие параметры конструкции, можно получить геометрическое взаимодействие между последовательно расположенными зонами систем впрыска.

Существо изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание системы впрыска, которая даст возможность полностью избежать любого геометрического взаимодействия между последовательно расположенными зонами нового поколения систем впрыска с одновременным сохранением их характеристик.

Согласно изобретению, задача решена путем создания модуля камеры сгорания авиационного двигателя, содержащего:

заднюю стенку камеры сгорания, на периферии которой имеется множество сквозных отверстий, отделенных друг от друга,

множество многосопловых систем впрыска, каждая из которых установлена в одном из отверстий в задней стенке камеры сгорания с рабочим зазором, и камера содержит выступающую часть, выходящую у периферии отверстия,

множество фиксирующих устройств, каждое из которых предназначено для крепления многосопловой системы впрыска к задней стенке камеры сгорания и содержит выступающую часть, выходящую у периферии отверстия со стороны системы впрыска,

при этом рабочий зазор систем впрыска находится в зоне крепления системы впрыска к задней стенке камеры сгорания, при этом каждая выступающая часть многосопловых систем впрыска, расположенная на периферии отверстия, и каждая выступающая часть фиксирующих устройств, расположенная на периферии отверстия со стороны систем впрыска, имеют вытянутую форму, образованную прямолинейными секущими линиями и имеющую поперечный разрез к оси впрыска, причем прямолинейные части пересекаются с кривой по секущей, а не по касательной, и наибольший размер вытянутой формы, образованной прямолинейными секущими, проходит в радиальном направлении XX' к задней стенке камеры сгорания.

«Вытянутая форма с прямолинейными секущими линиями» в контексте данного описания настоящего изобретения означает форму, которая имеет поперечное сечение по отношению к оси впрыска, где прямолинейные части пересекаются с кривой по секущей, а не по касательной. Например, такая форма может быть образована одной и той же окружностью, усеченной двумя прямолинейными сегментами, параллельными в радиальном направлении к задней стенке камеры сгорания.

Путем придания части фиксирующих устройств и части систем впрыска, которая выступает на стороне отверстия к впрыску, вытянутой формы, образованной прямолинейными секущими линиями поперек их ширины, возможно исключить геометрическое взаимодействие, возникающее между двумя соседними системами впрыска и соответствующими смежными фиксирующими устройствами с пересекающимися диаметрами.

Преимущественно каждая выступающая часть многосопловых систем впрыска, расположенная на периферии отверстия, и каждая выступающая часть фиксирующих устройств, расположенная на периферии отверстия на стороне многосопловых систем впрыска, имеет внешнюю форму, усеченную по цилиндрической поверхности плоскостью таким образом, что фиксирующие устройства и смежные системы впрыска размещены рядом своими плоскостями, параллельными друг другу.

Разумеется, специалисту в этой области техники ясно, что фиксирующие устройства выполняют соответствующие функции и при этом не оказывается отрицательного воздействия на вентиляцию систем впрыска.

Выполненное описанным образом усечение обеспечивает, что элементы фиксирующих устройств выполняют соответствующие им функции и не оказывается отрицательного воздействия на вентиляцию систем впрыска.

В соответствии с одним из альтернативных вариантов осуществления изобретения каждая выступающая часть многосопловых систем впрыска имеет обод камеры впрыска, который внешне усечен плоскостью.

В соответствии с этим же вариантом осуществления каждая выступающая часть фиксирующих устройств имеет кольцо и обойму, каждая внешняя цилиндрическая форма усечена плоскостью, и между ними установлен с возможностью скольжения усеченный обод камеры впрыска.

В соответствии с первым предпочтительным вариантом воплощения изобретения

каждое отверстие имеет цилиндрическую форму;

каждая часть многосопловой системы впрыска и каждая часть фиксирующих устройств, которые проходят через соответствующие отверстия, имеет внешнюю цилиндрическую форму и внутреннюю цилиндрическую форму, подобную форме соответствующего отверстия, так что радиальный рабочий зазор равен тангенциальному рабочему зазору.

В соответствии со вторым предпочтительным вариантом воплощения изобретения

каждое отверстие имеет вытянутую форму, образованную с касательными секущими линиями, при этом наибольший размер вытянутого сечения, образованного касательными прямыми линиями, проходит в радиальном направлении по отношению к задней стенке камеры сгорания;

каждая часть многосопловых систем впрыска и каждая часть фиксирующих устройств, проходящие через соответствующее отверстие, имеют внешнюю цилиндрическую форму и внутреннюю вытянутую форму, образованную прямыми линиями, подобную форме соответствующего отверстия, так что радиальный рабочий зазор больше тангенциального рабочего зазора.

«Вытянутая форма, образованная касательными прямыми линиями» в контексте описания изобретения означает форму, которая имеет сечение, поперечное по отношению к оси впрыска, где прямолинейные части пересекают кривую по касательной. Например, такая форма может быть образована двумя полуокружностями одинакового диаметра, соединенными вместе двумя прямолинейными сегментами, параллельными в радиальном направлении по отношению к задней стенке камеры сгорания.

В настоящее время известные системы впрыска устанавливаются в фиксирующих устройствах таким образом, что они могут скользить, чтобы компенсировать относительные радиальные перемещения между камерой сгорания и ее корпусом, указанные перемещения возникают вследствие разницы дифференциального расширения между упомянутыми частями. Рабочий зазор, связанный с размером перемещений, формируется в зоне скольжения, находящейся между внешней частью системы впрыска и внутренней частью фиксирующего устройства, проходящего через отверстие.

Согласно современным способам производства отверстия на задней стенке камеры сгорания, элементы систем впрыска и соответствующие фиксирующие устройства всегда выполняются цилиндрической формы. Следовательно, конструктивные рабочие зазоры, необходимые для компенсации радиальных перемещений, будут такими же, как и в тангенциальном направлении. Было установлено, что нет необходимости учитывать тангенциальный рабочий зазор. В соответствии со вторым вариантом изобретения, путем придания отверстию на задней стенке камеры сгорания, фиксирующему устройству и зоне скольжения системы впрыска вытянутой формы, образованной прямолинейными касательными линиями, величина тангенциального рабочего зазора может быть компенсирована используемым для установки систем впрыска пространством.

В случаях самого максимально возможного геометрического взаимодействия тангенциальный рабочий зазор можно свести к нулю. Другими словами, в тангенциальном направлении остается только сборочный зазор между частью системы впрыска, например камерой, и фиксирующей частью в зоне отверстия в стенке камеры сгорания.

В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, каждое фиксирующее устройство может иметь невыступающую часть, которая проходит на периферию отверстия сбоку от многосопловой системы впрыска и имеет форму, подобную форме отверстия, так чтобы система впрыска могла механически удерживаться в задней стенке камеры сгорания, если сварка и/или пайка, используемая для соединения частей фиксирующего устройства вместе и/или для крепления к задней стенке камеры сгорания, выйдут из строя.

Невыступающая часть, обеспечивающая механическую фиксацию, предпочтительно содержит упруго деформируемое стопорное кольцо, контактирующее с отверстием и располагающееся в канавке, выполненной в обойме.

Обычно для обеспечения указанной выше механической фиксации, также известной как «выйти из строя безопасным образом», применяется система упоров, однако система не может применяться для деталей, форма которых является вытянутой с прямолинейными секущими. В соответствии с изобретением упругое стопорное кольцо имеет форму, которая эффективно реализует функцию «выход из строя безопасным образом» около отверстия.

Каждая часть многосопловых систем впрыска, проходящая через отверстие, может содержать часть камеры впрыска цилиндрической формы.

Камера впрыска может иметь фланец, внешняя форма которого будет вытянутой, образованной касательными и прямыми линиями, и соответствовать внутренней форме части фиксирующего устройства, проходящего через отверстие.

Изобретение также относится к турбомашинам, имеющим камеру сгорания, описанную выше.

Краткое описание чертежей

Достоинства и характеристики изобретения станут более понятны на примерах вариантов осуществления изобретения, приведенных исключительно для иллюстрации, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг. 1 изображает общий вид задней стенки камеры сгорания авиационного двигателя, на которой установлены две известные системы впрыска;

фиг. 2 - общий вид задней стенки камеры сгорания авиационного двигателя, где могли бы устанавливаться две смежные многосопловые системы впрыска способом, аналогичным показанному на фиг. 1;

фиг. 3 - общий вид спереди на заднюю стенку камеры сгорания авиационного двигателя, на которой установлены две смежные многосопловые системы впрыска в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения;

фиг. 3A - разрез по линии A-A на фиг.3, согласно изобретению;

фиг. 3В - разрез по линии B-B на фиг.3А, согласно изобретению;

фиг. 3С - общий вид изображенной на фиг. 3 системы впрыска в разобранном виде, согласно изобретению;

фиг. 4A - продольный разрез в радиальной плоскости задней стенки камеры сгорания, согласно изобретению;

фиг. 4В - продольный разрез в касательной плоскости B-B на фиг. 4А, согласно изобретению;

фиг. 4С - общий вид задней стенки камеры сгорания, части системы впрыска и соответствующего фиксирующего устройства в разобранном виде, согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения

На фиг. 1 изображена периферийная зона задней стенки 1 известной камеры сгорания турбомашины.

В указанной зоне рядом друг с другом установлены две системы 2 впрыска, каждая из которых крепится в отверстии 10 в задней стенке 1 камеры сгорания. Установка осуществляется с помощью фиксирующего устройства 3, часть 30 которого имеет цилиндрическую форму, подобную форме отверстия 10, и проходит через указанное отверстие.

Таким образом, в соответствии с известным уровнем техники две смежные системы 2 впрыска находятся друг от друга на определенном расстоянии «e» (определяется как расстояние между выступающими частями 32 фиксирующего устройства 3).

На фиг. 2 показано виртуальное изображение зоны той же, что и на фиг. 1, задней стенки 1 камеры сгорания турбомашины, на которой могли бы быть установлены две системы впрыска нового поколения многосоплового типа, если бы они устанавливались в отверстия 10 таким же образом, что и системы 2 впрыска, показанные на фиг. 1.

Словосочетание «устанавливались тем же самым способом» означает, что многосопловые системы впрыска фиксировались в нужном положении с помощью известных фиксирующих устройств 3, которые имеют те же элементы, установленные таким же образом и в той же последовательности, что и соответствующая система впрыска, чтобы получить те же рабочие и крепежные характеристики и, в частности, тот же рабочий зазор между многосопловой системой впрыска и обычным фиксирующим устройством.

В данном случае каждая система 2 впрыска (фиг. 3А) содержит в качестве единого элемента камеру 20 впрыска. Камера 20 содержит расходящийся изнутри конус 200, предназначенный для выпуска реактивной струи, в виде смеси воздуха и топлива, подаваемого другими элементами системы впрыска. Камера 20 также содержит фланец 201, выходящий за край конуса 200 вниз по потоку впрыска. Камера 20 в виде единого элемента содержит также обод 202 для удерживания камеры так, чтобы она могла скользить в фиксирующем устройстве 3. Камера 20 содержит стопорный элемент 203, расположенный по существу перпендикулярно к фланцу 201 и ободу 202 и соединяющий конус 200 с ободом. В данной конструкции фланец 201, обод 202 и стопорный элемент 203 каждый имеют внешнюю цилиндрическую форму.

Из фиг. 2 совершенно ясно, что невозможно устанавливать многосопловые системы впрыска большего диаметра на заднюю стеку камеры сгорания, имеющей тот же диаметр, что и на фиг. 1, используя те же элементы, что и для систем впрыска 2, и с применением соответствующих фиксирующих устройств 3, расположенных тем же образом. В частности, установка элементов указанным образом повлечет за собой появление зоны I (фиг. 2) геометрического (механического) взаимодействия, что не может быть достигнуто конструкцией.

Поэтому пришли к выводу, что размеры элементов нового поколения систем впрыска следует уменьшать путем уменьшения по меньшей мере размеров систем 2 впрыска и соответствующих фиксирующих устройств 3, выступающих за отверстие со стороны вверх по потоку впрыска (т.е. на фронтальную сторону задней стенки 10 камеры сгорания на фиг. 1).

В соответствии с настоящим изобретением каждая выступающая часть 202 систем впрыска на периферии отверстия и каждая выступающая часть 31, 32 фиксирующего устройства на периферии отверстия со стороны систем 2а впрыска имеет удлиненную форму, образованную прямыми секущими линиями, при этом наибольший размер удлиненной формы, образованный секущими, проходящими в радиальном направлении XX' по отношению к задней стенке 1 камеры сгорания. Другими словами, в двух представленных вариантах осуществления изобретения, с одной стороны, камера 20 впрыска каждой системы впрыска имеет обод 202 цилиндрической формы, усеченный на внешней поверхности плоскостью 2020, и, с другой стороны, кольцо 31 и обойма 32 фиксирующих устройств 3 имеют внешнюю цилиндрическую форму, усеченную плоскостью 310, 320, а между указанными плоскостями размещен усеченный обод 202 камеры так, что он может скользить. Плоскости 2020, 310 и 320 в положении фиксации пригнаны друг к другу.

Следовательно, для конфигураций, в которых геометрическое взаимодействие достаточно велико, первое решение касается усечения цилиндрической формы части 31, 32 фиксирующих устройств плоскостью 310, 320 и усечения цилиндрической формы части 20 системы впрыска плоскостью 2020, причем последняя находится между двумя указанными плоскостями 310, 320. Тогда при установке две смежные внешние плоскости 320 фиксирующих устройств (фиг. 3) располагаются параллельно друг другу. Предпочтительно, чтобы минимальный зазор E между двумя параллельными смежными плоскостями 320 составлял по меньшей мере 0,5 мм.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения (фиг. 3A, 3B, 3C) прежде всего необходимо выполнить отверстия 10 цилиндрической формы на расстоянии друг от друга. Каждый элемент 200 со сквозным отверстием камер 2 впрыска и каждый элемент 30 фиксирующих устройств, проходящий через соответствующее отверстие 10, имеет внешне цилиндрическую форму, которая подобна форме соответствующего отверстия, то есть радиальный рабочий зазор равен тангенциальному рабочему зазору. Таким образом, радиальный рабочий зазор j_r между частью 203 камеры 20 впрыска и частью 30, проходящей через фиксирующее устройство 3, его охватывающее, равен тангенциальному рабочему зазору j_t между теми же частями 203, 30 (фиг. 3A, 3B).

Ясно, что указанное усечение должно выполняться точно, чтобы, с одной стороны, фиксирующее устройство 3 сохраняло свои функции и свойства и, с другой стороны, системы 2 впрыска сохраняли свои характеристики впрыскивания. В частности, не должно быть никакого негативного влияния на вентиляцию систем 2 впрыска.

Кроме того, дефлекторы 34 не являются цилиндрическими, они также усечены таким образом, чтобы закрыть всю поверхность задней стенки камеры сгорания без взаимодействия двух смежных дефлекторов.

Для конфигураций, в которых геометрическое взаимодействие еще больше, предлагается дополнительное второе решение, заключающееся в том, что каждое отверстие 10 имеет вытянутую форму, сформированную касательными прямыми линиями, при этом наибольший размер поперечного сечения вытянутого отверстия, сформированного касательными прямыми линиями, проходит в радиальном направлении XX' по отношению к задней стенке 1 камеры сгорания. Данный вариант также предполагает выполнение каждой части 200 камеры 20 впрыска и частей 30 фиксирующих устройств, проходящих через соответствующие отверстия 10, соответствующей вытянутой внешней формы, образованной прямолинейными касательными линиями, и вытянутой внутренней формой, образованной прямолинейными касательными линиями и подобной форме соответствующего отверстия, так что радиальный рабочий зазор больше тангенциального рабочего зазора.

Как показано на фиг. 4A, 4B, 4C, каждая вытянутая форма, образованная прямолинейными касательными линиями, состоит из двух полуокружностей одинакового диаметра, соединенных вместе двумя прямыми линиями, параллельными радиальному направлению XX' по отношению к задней стенке 1 камеры сгорания.

В частности, на фиг. 4С справа налево показаны:

отверстие 10, выполненное в задней стенке камеры сгорания и имеющее форму, состоящую из двух полуокружностей 100 одинакового диаметра, соединенных двумя параллельными прямолинейными сегментами 101;

часть 30 фиксирующего устройства, проходящая через отверстие 10 и содержащая дефлектор 34, имеющий внутреннюю форму, состоящую из двух полуокружностей 300 одинакового диаметра, соединенных двумя параллельными прямолинейными сегментами 301;

пружинное стопорное кольцо 33, функция которого будет описана ниже, имеющее внутреннюю и внешнюю форму, состоящую из двух полуокружностей 330 одинакового диаметра, соединенных вместе двумя параллельными прямолинейными сегментами 331;

фиксирующая обойма 32, содержащая канавку 321, состоящую из двух полуокружностей 3210, соединенных вместе двумя параллельными прямолинейными сегментами 3211;

часть 203 цилиндрической формы камеры впрыска, проходящую через отверстие 10 и размещенную в части 300, 301 фиксирующего устройства.

Таким образом, радиальный рабочий зазор j_r между частью 203 системы 2 впрыска и охватывающей частью 30, 300, 301 фиксирующего устройства 3 (фиг. 4A) больше тангенциального рабочего зазора между теми же частями 30 и 203 (фиг. 4B). Как показано на фиг. 4B, тангенциальный рабочий зазор равен нулю, то есть он уменьшен до простого сборочного зазора между частью 203 и внутренней частью 30, 300, 301, которая проходит через отверстие 10. В варианте осуществления изобретения на фиг. 4C фланец 201 состоит из двух полуокружностей 2010, соединенных вместе двумя взаимно параллельными прямолинейными сегментами 2011.

Обычно для безопасности используется система упоров, которая обеспечивает выход из строя безопасным образом, т.е. гарантирует, что система 2 впрыска механически удерживается на задней стенке 1 камеры сгорания, для чего применяется сварка и/или пайка, обеспечивающая фиксацию частей 30, 32 фиксирующего устройства 3 вместе и/или к задней стенке 1 камеры сгорания. Однако в соответствии с дополнительным вторым вариантом воплощения настоящего изобретения указанная система упоров не используется, поскольку она применима только к частям цилиндрической формы. Согласно изобретению используется механический элемент фиксации в виде упругого деформируемого стопорного кольца 33, устанавливаемого в канавке 321 обоймы 32.

Следует заметить, что для обеспечения функции безопасного выхода из строя, как показано на фиг. 3A, 3B, 3C, т.е. согласно первому варианту, также возможно использование стопорного кольца 33 цилиндрической формы.

В вариантах настоящего изобретения (фиг. 3, 3A, 3B, 4, 4A, 4B) часть 30 фиксирующего устройства, проходящая через отверстие, является единым элементом, который выступает со стороны отверстия 10 вниз по потоку от впрыска. Поэтому указанный элемент преимущественно работает как дефлектор 34, защищающий часть задней стенки 1 камеры сгорания вокруг систем 2 впрыска.

Описанное изобретение дает ряд преимуществ, в том числе:

исключается какой-либо риск геометрического взаимодействия между системами впрыска;

оптимизируется сложная геометрия систем впрыска и/или соответствующих фиксирующих устройств, связанных с необходимостью и ограничениями, накладываемыми нехваткой указанного пространства;

устанавливается хорошее соотношение между затратами на модификацию систем впрыска и/или соответствующих фиксирующих устройств и достигаемой функциональностью.