Камера сгорания турбомашины, содержащая улучшенные средства питания воздухом

Кольцевая камера (10) сгорания для турбомашины содержит днище (22) камеры, размещенное на входном конце камеры (10) сгорания, кольцевой обтекатель (78) днища камеры, расположенный на входе днища (22) камеры, а также несколько инжекторных систем (32) для впрыска топлива и воздуха, распределенных по окружности вокруг оси (34) камеры (10) сгорания и установленных в днище (22) камеры. Камера сгорания содержит соединенный с каждой инжекторной системой (32) воздушный коллектор (100), который содержит, по меньшей мере, две перегородки (96, 98), установленные на днище (22) камеры и выступающие в сторону входа на обеих сторонах инжекторной системы (32) для образования препятствия окружному потоку воздуха вокруг оси (34) камеры (10) сгорания. Перегородки (96, 98) соединены, по существу, герметично с кольцевым обтекателем (78) днища камеры сгорания, с обеих сторон соответствующего отверстия, выполненного в упомянутом кольцевом обтекателе (78) и образующего отверстие (88) для входа воздуха упомянутого воздушного коллектора (100). Отверстие (88) для входа воздуха открыто радиально наружу относительно оси (44) инжекторной системы. Перегородки (96, 98) каждого воздушного коллектора (100) расположены радиально, и каждая из этих перегородок (96, 98) является частью двух последовательных воздушных коллекторов (100). Изобретение направлено на уменьшение потерь напора потока воздуха, поступающего из компрессора в турбомашины, и на улучшение равномерности питания воздухом инжекторных систем камер сгорания. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение касается кольцевой камеры сгорания турбомашины, такой, например, как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель.

СОСТОЯНИЕ ИЗВЕСТНОГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Турбомашины содержат обычно кольцевую камеру сгорания, размещенную на выходе компрессора.

Камера сгорания на входе ограничена кольцевым днищем, снабженным инжекторными системами, равномерно распределенными вокруг оси турбомашины и предназначенными для впрыска топливовоздушной смеси в камеру сгорания.

Выход компрессора открывается в кожух, в котором расположена камера сгорания. Компрессор может быть аксиального типа и содержать выход, по существу, выровненный с инжекторными системами камеры сгорания, или быть центробежного типа и содержать на выходе кольцевой выпрямитель потока, открывающийся в радиально внешнюю область кожуха камеры сгорания.

Инжекторные системы камеры сгорания содержат периферийные отверстия, через которые может входить воздух из компрессора, а также средства центрирования и направления инжекторных топливных головок.

Инжекторные системы предназначены для оптимизации производительности камеры сгорания и уменьшения, таким образом, потребления топлива и выделения загрязняющих веществ на выходе из этой камеры сгорания.

Производительность инжекторных систем обычно является тем более высокой, чем выше потери напора внутри этих инжекторных систем и чем более равномерным является потребление воздуха вокруг их соответствующих осей. Для ограничения потери общего напора, которой подвергается воздушный поток, питающий камеру сгорания, при повышенной потере напора внутри инжекторных систем желательно уменьшить потерю напора на входе этих инжекторных систем.

Таким образом, так как выход компрессора отстоит по оси от инжекторных систем, воздушный поток, выходящий из компрессора, обычно поступает на уровень инжекторных систем, подвергается значительной потере напора и неравномерно распределяется вокруг каждой инжекторной системы.

Эти проблемы являются особенно значительными в случае центробежных компрессоров, выход которых не находится на одной линии с инжекторными системами камер сгорания, а размещен радиально наружу относительно этих инжекторных систем.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является, в частности, простое экономичное и эффективное решение этих проблем, позволяющее исключить вышеуказанные недостатки.

Оно, в особенности, имеет целью уменьшение потерь напора потока воздуха, поступающего из компрессора в турбомашину, между выходом этого турбокомпрессора и входом инжекторных систем камеры сгорания турбомашины так, чтобы, в частности, обеспечить увеличение потери напора внутри этих инжекторных систем без значительного увеличения общей потери напора потока воздуха, питающего камеру сгорания.

Целью изобретения является также улучшение равномерности питания воздухом инжекторных систем камер сгорания.

Для этого в изобретении предлагается кольцевая камера сгорания для турбомашины, содержащая днище камеры, расположенное с входной стороны камеры сгорания, а также несколько систем для впрыска топлива и подачи воздуха, распределенных по окружности вокруг оси камеры сгорания и установленных в днище камеры. Кольцевая камера сгорания содержит, кроме того, соединенный с каждой инжекторной системой воздушный коллектор, содержащий, по меньшей мере, одну перегородку, установленную на днище камеры и выступающую в сторону входа для образования препятствия окружному потоку воздуха вокруг оси камеры сгорания, а также отверстие для подачи воздуха, образованное на входном конце упомянутого воздушного коллектора. В соответствии с изобретением отверстие для подачи воздуха каждого воздушного коллектора открыто радиально наружу относительно оси соответствующей инжекторной системы.

Воздушные коллекторы по изобретению позволяют оптимальным образом направлять поток воздуха, выходящий из области, радиально внешней относительно соответствующих осей инжекторных систем вокруг каждой из этих систем, и питающий эти инжекторные системы.

Воздушные коллекторы позволяют также уменьшить потерю напора этого потока воздуха на входе этих инжекторных систем и обеспечить более равномерное питание воздухом этих систем.

Следствием этого является улучшение общих рабочих характеристик камеры сгорания и, в особенности, увеличение ее коэффициента полезного действия и уменьшение выделения камерой сгорания загрязняющих веществ.

Поток воздуха, выходящий из области, радиально внешней относительно соответствующих осей инжекторных систем камеры сгорания, в особенности имеет место в турбомашинах с центробежным компрессором. Изобретение, таким образом, является наиболее предпочтительным, когда оно используется в турбомашинах этого типа.

Предпочтительно, когда отверстие для подачи воздуха каждого коллектора в проекции на поперечную плоскость, перпендикулярную касательной плоскости, проходящей через ось соответствующей инжекторной системы, имеет часть упомянутого отверстия, которая расположена радиально снаружи относительно упомянутой касательной плоскости, площадь которой больше, чем площадь части упомянутого отверстия, которая расположена радиально внутри относительно этой касательной плоскости.

Такая конфигурация позволяет лучше оптимизировать подачу воздуха, поступающего из области, радиально внешней относительно соответствующих осей инжекторных систем камеры сгорания.

Каждый воздушный коллектор содержит, предпочтительно, две перегородки, которые установлены на днище камеры, выступают в сторону входа и размещены с обеих сторон соответствующей инжекторной системы, причем эти перегородки образуют препятствие для окружного потока воздуха вокруг оси камеры сгорания.

В первом варианте осуществления изобретения две перегородки каждого воздушного коллектора имеют вогнутость, обращенную в сторону упомянутого воздушного коллектора, и соединены между собой двумя противолежащими краями каждой из этих перегородок таким образом, что каждый воздушный коллектор имеет общую трубчатую форму и его входной край образует упомянутое отверстие для подачи воздуха.

Это позволяет обеспечить большую равномерность распределения воздуха вокруг каждой инжекторной системы.

Предпочтительно, входной край каждого воздушного коллектора выполнен таким образом, что радиально внутренняя часть этого входного края смещена к входу относительно радиально внешней части упомянутого входного края воздушного коллектора.

Эта радиально внутренняя часть входного края каждого воздушного коллектора может образовать, таким образом, ковш для направления потока воздуха, выходящего из радиально внешней относительно инжекторных систем области.

Во втором варианте осуществления изобретения камера сгорания содержит кольцевой обтекатель днища камеры, размещенный на входе днища и с которым, по существу, герметично соединены перегородки каждого воздушного коллектора с обеих сторон соответствующего отверстия, выполненного в обтекателе и образующего упомянутое отверстие для подачи воздуха из воздушного коллектора.

Упомянутые перегородки позволяют отграничить отсеки, образующие воздушные коллекторы между днищем камеры и обтекателем вокруг каждой инжекторной системы.

Предпочтительно, упомянутые перегородки каждого воздушного коллектора простираются радиально и каждая из этих перегородок является частью двух коллекторов, расположенных последовательно вокруг оси камеры сгорания.

Преимуществом такой конфигурации является, в частности, минимизация общего количества стенок воздушного коллектора.

Отверстие для подачи воздуха каждого воздушного коллектора предпочтительно имеет форму, расширяющуюся радиально наружу.

Как вариант, или дополнительно, кольцевой обтекатель может содержать радиально внутреннюю часть и радиально внешнюю часть, между которыми выполнены упомянутые отверстия для подачи воздуха, при этом радиально внутренняя часть смещена вперед относительно радиально внешней части.

В этом случае форма обтекателя позволяет ориентировать отверстие для подачи воздуха радиально наружу.

В общем, каждая инжекторная система содержит центрирующую и направляющую втулку инжекторной головки, при этом каждый воздушный коллектор содержит, предпочтительно, по меньшей мере, одну часть, которая проходит к входу за пределы входной части упомянутой втулки соответствующей инжекторной системы.

Воздушные коллекторы, таким образом, оптимально приспособлены для подачи воздуха в инжекторные системы, которыми оборудована камера сгорания.

Изобретение касается также турбомашины, содержащей камеру сгорания упомянутого выше типа.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 схематично изображает частичный вид в перспективе турбомашины по первому варианту осуществления изобретения;

фиг.1а схематично изображает частичный вид турбомашины по фиг.1 в проекции на плоскость Р1 фиг.1;

фиг.2 схематично изображает частичный вид в осевом разрезе и в более крупном масштабе турбомашины по фиг.1;

фиг.3 изображает вид, подобный фиг.1, турбомашины по второму варианту осуществления изобретения;

фиг.3а схематично изображает частичный вид турбомашины по фиг.3 в плоскости Р1 по фиг.3;

фиг.4 изображает вид, подобный фиг.3а, иллюстрирующий вариант осуществления турбомашины по фиг.3.

ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг.1 и 2 представляют камеру 10 сгорания по первому варианту осуществления изобретения, а также непосредственное окружение этой камеры сгорания.

Известным образом камера 10 сгорания размещена в кожухе 12, который расположен на выходе компрессора турбомашины центробежного типа, выход которого соединен с радиальным диффузором 14, который сам соединен выходом с выпрямителем потока 16, который открывается в радиально внешнюю область кожуха 12.

Камера 10 сгорания ограничена двумя коаксиальными, по существу цилиндрическими перегородками 18 и 20, соответственно внутренней и внешней, и кольцевым днищем 22 камеры, которое размещено, по существу, радиально с входного края камеры 10 и которое соединено своими радиальными краями с двумя перегородками 18 и 20.

Внутренняя 18 и внешняя 20 перегородки камеры 10 сгорания закреплены на выходе двумя внутренней 24 и внешней 26 обечайками соответственно на внутренней, по существу, цилиндрической перегородке 28, связанной с диффузором 14, и на внешнем кожухе 30 так, чтобы ограничить пространство 12.

Инжекторные системы 32, которые равномерно расположены вокруг оси 34 камеры сгорания, установлены в днище 22 камеры. Каждая инжекторная система 32 содержит, в частности, втулку 36 для центрирования и направления головки 38 топливного инжектора 40 и отверстия 42 для входа воздуха, расположенные вокруг оси 44 инжекторной системы.

Втулка 36 каждой инжекторной системы 32 позволяет выровнять соответствующую инжекторную головку 38 по оси 44 инжекторной системы. Кроме того, инжекторные системы 32 выполнены с возможностью обеспечения некоторого радиального и осевого перемещения инжекторных головок 38 для учета возможных дифференциальных расширений, вызывающих относительные перемещения между инжекторами 40 и камерой 10 сгорания.

При работе воздушный поток 46, выходящий из центробежного компрессора, направляется выпрямителем 16 в кожух 12.

Воздушный поток 46, который поступает в радиально внешнюю область кожуха 12, разделяется, в основном, на три части в этом кожухе 12.

Первая часть 48 воздушного потока поступает к выходу вдоль внешней перегородки 20 камеры 10 сгорания и частично проникает через отверстия 50, выполненные в ее внешней перегородке 20.

Вторая часть 52 воздушного потока поступает к выходу вдоль внутренней стенки 18 камеры 10 сгорания и частично проникает в камеру 10 сгорания через отверстия 54, выполненные во внутренней перегородке 18.

Наконец, третья часть 56 потока воздуха питает инжекторные системы 32 камеры 10 сгорания.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения камера 10 сгорания снабжена множеством воздушных коллекторов 58 (один из которых показан на фиг.1-2).

Каждый воздушный коллектор 58 содержит две сходных перегородки 60 и 62 (фиг.1), которые изогнуты вокруг соответствующей инжекторной системы 32, имеющей вогнутость, обращенную к этой инжекторной системе 32, и которые установлены на днище камеры 22 своими соответствующими выходными краями.

В представленном варианте осуществления две перегородки 60 и 62 каждого воздушного коллектора 58 содержат каждая два противоположных края, соответственно, 60а, 60b и 62а, 62b, которыми эти две перегородки соединены одна с другой так, чтобы каждый воздушный коллектор имел общую трубчатую форму.

Воздушные коллекторы 58 имеют каждый входной край, ограничивающий отверстие 64 подачи воздуха, через которое воздух 56, выходящий из выпрямителя 16, может проникать в отверстия 42 для входа воздуха инжекторных систем 32.

Две перегородки 60, 62 каждого воздушного коллектора 58 имеют на входе форму усеченного конуса в плоскости, наклонной относительно оси 44 соответствующей инжекторной системы так, что отверстие 64 для подачи воздуха каждого воздушного коллектора 58 открыто к выходу выпрямителя 16, то есть открыто радиально наружу относительно оси 44 упомянутой инжекторной системы, для облегчения входа воздуха, выходящего из этого выпрямителя 16 в воздушные коллекторы 58.

Входной край каждого воздушного коллектора 58 содержит, таким образом, радиально внутреннюю часть 66, которая смещена к входу относительно радиально внешней части 68 этого входного края.

Как изображено на фиг.1а, каждое воздушное входное отверстие 64 в проекции на поперечную плоскость Р1 фиг.1, которая перпендикулярна касательной плоскости Р2, проходящей через ось 44 инжекторной системы 32, имеет часть отверстия 64, которая расположена радиально снаружи относительно упомянутой тангенциальной плоскости Р2, площадь S₁ которой больше, чем площадь S₂ части упомянутого отверстия 64, которая расположена радиально внутри относительно касательной плоскости Р2.

Как показано на фиг.2, радиально внутренняя часть 66 входного края каждого воздушного коллектора 58 простирается к входу за входным краем центрирующей и направляющей втулки 36 соответствующей инжекторной головки 38. Таким образом, эта радиально внутренняя часть 66 образует особенно эффективный ковш для направления потока воздуха 56, выходящего из выпрямителя 16.

Наклон воздушного подающего отверстия 64 каждого воздушного коллектора 58 относительно оси 44 соответствующей инжекторной системы определяется, в частности, таким образом, чтобы не препятствовать аксиальным и радиальным перемещениям инжекторной головки 38 при работе, а также монтажу и демонтажу инжектора 40.

Таким образом, отверстие 64 подачи воздуха образует с осью 44 угол α (фиг.2), который обычно составляет примерно от 40 градусов до 80 градусов.

В варианте осуществления, представленном на фиг.1-2, две перегородки 60 и 62 каждого воздушного коллектора 58 закреплены своими выходными краями на кольцевой детали 70, иногда называемой ограничительной чашкой, которая жестко соединена с днищем 22 камеры и которая содержит кольцевой фланец 72, размещенный радиально вокруг оси 44 соответствующей инжекторной системы 32, и кольцевую реборду 74, которая расположена параллельно оси 34 от внутренней периферии кольцевого фланца 72 ограничительной чашки 70.

Крепление перегородок 60 и 62 на ограничительной чашке выполняется, например, сваркой и таким образом, чтобы перегородки 60 и 62 располагались в продолжение кольцевой реборды 74 ограничительной чашки 70.

Ограничительная чашка 70 известным образом позволяет аксиально закрепить инжекторную систему 32 посредством взаимодействия кольцевого фланца 72 ограничительной чашки с кольцевым фланцем 76, жестко соединенным с инжекторной системой 32, и установленным с возможностью радиального скольжения в кольцевой канавке, выполненной между днищем 22 камеры и фланцем 72 ограничительной чашки 70.

В общем, воздушные коллекторы 58 позволяют распределять воздух, поступающий из выпрямителя 16, вокруг каждой инжекторной системы 32, что позволяет уменьшить потери напора на входе этих инжекторных систем и улучшить однородность питания воздухом этих инжекторных систем. При этом воздушные коллекторы 58 имеют примечательное свойство в том, что каждый из них образует препятствие потоку воздуха по окружности между двумя соседними инжекторными системами вдоль днища 22 камеры.

Как вариант, каждый коллектор, кроме того, может быть выполнен в форме усеченного конуса по касательной плоскости, проходящей через соответствующую инжекторную головку 38. Когда уровень поступления воздуха, выдаваемого таким воздушным коллектором, является достаточным, такая конструкция может обеспечить хороший выигрыш в массе.

Кроме того, каждый воздушный коллектор 58 может быть выполнен цельным без выхода за рамки изобретения.

Фиг.3 изображает второй вариант осуществления изобретения, в котором днище 22 камеры 10 сгорания снабжено кольцевым защитным обтекателем 78, размещенным на входе этого днища 22 камеры.

Обтекатель 78 содержит радиально внутреннюю непрерывную кольцевую часть 80, край 82 которой скреплен с внутренней ребордой 84 днища 22 камеры и входным краем 86 внутренней перегородки 18 камеры 10 сгорания.

Обтекатель 78 содержит, кроме того, отверстия 88 для подачи воздуха, которые выполнены около каждой инжекторной системы 32 и которые простираются наружу до радиально внешнего края обтекателя 78 так, чтобы последний имел вырезанный радиально внешний край 90 в каждом из отверстий 88. Этот внешний край 90 обтекателя скреплен с внешней ребордой 92 камеры 22 и входным краем 94 внешней перегородки 20 камеры 10 сгорания.

Как показано на фиг.3а, каждое воздушное входное отверстие 88 в проекции на поперечную плоскость Р1, перпендикулярную касательной плоскости Р2, проходящей по оси 44 инжекторной системы 32, имеет часть отверстия 88, которая расположена радиально снаружи относительно упомянутой касательной плоскости Р2, площадь S₁ которой больше, чем площадь S₂ части отверстия 88, которая расположена радиально внутри относительно касательной плоскости Р2.

Воздушные входные отверстия 88, таким образом, радиально открыты наружу относительно оси 44 каждой инжекторной системы 32, что позволяет облегчить течение воздушного потока 56, выходящего из выпрямителя 16 и питающего инжекторные системы 32.

В примере, изображенном на фиг.3, входные воздушные отверстия 88 обтекателя 78 имеют расширяющуюся радиально наружу форму.

Как вариант, каждое отверстие 88 для входа воздуха может иметь форму с центром на оси 95, находящейся в плоскости, проходящей по оси 44 соответствующей инжекторной системы и по оси 34 камеры сгорания, и которое смещено радиально наружу относительно упомянутой оси 44 инжекторной системы или наклонено относительно этой оси 44. Фиг.4 изображает отверстие 88 этого типа в проекции на упомянутую поперечную плоскость Р1.

Во всех случаях отверстия 88 для входа воздуха подтверждают упомянутое выше свойство, касающееся площадей S₁ и S₂, определенных с обеих сторон касательной плоскости Р2.

Кроме того, следует отметить, что каждое воздушное входное отверстие 88 расположено между радиально внутренней частью 102 обтекателя и упомянутой радиально внутренней кольцевой частью 80 этого обтекателя 78, при этом упомянутая радиально внутренняя часть 80 смещена вперед относительно упомянутой радиально внешней части 102.

Кроме того, во втором варианте осуществления изобретения днище 22 камеры 10 сгорания снабжено парой коллекторных перегородок 96 и 98, выполненных с обеих сторон каждой инжекторной системы 32, и соответствующим отверстием 88, как изображено на фиг.3. Эти коллекторные перегородки 96, 98 являются плоскими и выступают к входу от днища 22 камеры, располагаясь в соответствующих плоскостях, по существу, радиальных относительно оси 34 камеры сгорания.

Каждая перегородка 96, 98 коллектора соединена, по существу, герметично с днищем 22 камеры, а также с обтекателем 78, например, с помощью сварки или болтового крепления.

Таким образом, каждая пара перегородок 96 и 98 ограничивает отсек между днищем 22 камеры и обтекателем 78. Этот отсек образует воздушный коллектор 100, который функционально аналогичен воздушному коллектору 58 первого варианта осуществления изобретения. Этот воздушный коллектор 100 позволяет, в частности, направлять воздух вокруг каждой инжекторной системы 32, не допуская окружного движения воздуха между двумя соседними инжекторными системами вдоль днища 22.

Как вариант, каждая из перегородок 96 и 98 может быть искривлена вокруг соответствующей инжекторной системы 32, то есть с вогнутостью, обращенной к инжекторной системе 32.

Также как вариант, возможно предусматривать только одну перегородку воздушного коллектора между двумя соседними инжекторными системами 32, так чтобы каждая коллекторная перегородка участвовала в образовании двух соседних воздушных коллекторов.

1. Кольцевая камера (10) сгорания для турбомашины, содержащая днище (22) камеры, размещенное на входном конце камеры (10) сгорания, кольцевой обтекатель (78) днища камеры, расположенный на входе днища (22) камеры, а также несколько инжекторных систем (32) для впрыска топлива и воздуха, распределенных по окружности вокруг оси (34) камеры (10) сгорания и установленных в днище (22) камеры, причем упомянутая камера сгорания содержит соединенный с каждой инжекторной системой (32) воздушный коллектор (100), который содержит, по меньшей мере, две перегородки (96, 98), установленные на днище (22) камеры и выступающие в сторону входа на обеих сторонах инжекторной системы (32) для образования препятствия окружному потоку воздуха вокруг оси (34) камеры (10) сгорания, причем перегородки (96, 98) соединены, по существу, герметично с кольцевым обтекателем (78) днища камеры сгорания, с обеих сторон соответствующего отверстия, выполненного в упомянутом кольцевом обтекателе (78) и образующего отверстие (88) для входа воздуха упомянутого воздушного коллектора (100), причем отверстие (88) для входа воздуха открыто радиально наружу относительно оси (44) упомянутой инжекторной системы, причем перегородки (96, 98) каждого воздушного коллектора (100) расположены радиально, и каждая из этих перегородок (96, 98) является частью двух последовательных воздушных коллекторов (100).

2. Кольцевая камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что отверстие (88) для входа воздуха каждого воздушного коллектора (100) в проекции на поперечную плоскость (P1), перпендикулярную касательной плоскости (P2), проходящей через упомянутую ось (44) соответствующей инжекторной системы (32), имеет часть упомянутого отверстия (88), которая расположена радиально снаружи относительно упомянутой касательной плоскости (P2), площадь которой является большей, чем площадь части упомянутого отверстия (88), которая расположена радиально внутри относительно упомянутой касательной плоскости (P2).

3. Кольцевая камера сгорания по п.1, в котором воздушное входное отверстие (88) каждого воздушного коллектора (100) имеет форму, радиально расширяющуюся наружу.

4. Кольцевая камера сгорания по п.1, в котором кольцевой обтекатель (78) содержит радиально внутреннюю кольцевую часть (80) и радиально внешнюю кольцевую часть (102), между которыми выполнены упомянутые отверстия (88) для входа воздуха, при этом радиально внутренняя кольцевая часть (80) смещена к входу относительно радиально внешней кольцевой части (102).

5. Кольцевая камера сгорания по п.1, в которой каждая инжекторная система (32) содержит втулку (36) для центрирования и направления инжекторной головки, при этом каждый воздушный коллектор (58, 100) содержит, по меньшей мере, одну часть (66), которая простирается к входу за пределы входного края втулки (36) соответствующей инжекторной системы (32).

6. Турбомашина, отличающаяся тем, что она содержит камеру (10) сгорания по одному из предыдущих пунктов.