моноблочная стойка-пламестабилизатор для форсажного устройства двухконтурного турбореактивного двигателя и форсажное устройство

Формула изобретения

1. Опорная стойка (13) для форсажного устройства (7) двухконтурного турбореактивного двигателя, при этом упомянутое устройство (7) содержит первый (6) и второй (11) внутренние кольцевые картеры, образующие канал (10) для первичного потока, и наружный кольцевой картер (5), образующий вместе с упомянутым первым внутренним кольцевым картером (6) канал (4) для вторичного потока, отличающаяся тем, что содержит моноблочную конструкцию из композитного материала, содержащую две жестко соединенные между собой стенки (14, 15), выполненные с возможностью образовать выемку (16), имеющую, по существу, V-образный профиль, и содержащие первые концевые части (17), соединенные между собой и выполненные с возможностью образовать ножку (18), и вторые концевые части (19), каждая из которых выполнена с возможностью формирования, по меньшей мере, одного фланца (20, 21), предназначенного для жесткого соединения с упомянутым наружным картером (5).

2. Стойка по п.1, отличающаяся тем, что расстояние, отделяющее упомянутые стенки (14, 15) друг от друга, не является постоянным между упомянутыми первыми (17) и вторыми (19) концевыми частями, так что профиль упомянутой выемки (16) изменяется.

3. Стойка по п.2, отличающаяся тем, что упомянутое расстояние изменяется по существу непрерывно с возрастанием от упомянутых первых концевых частей (17) ко вторым концевым частям (19), с возможностью непрерывного изменения профиля упомянутой выемки (16).

4. Стойка по одному из пп.1-3, отличающаяся тем, что толщина стенок (14, 15) не является постоянной между упомянутыми первыми (17) и вторыми (19) концевыми частями.

5. Стойка по п.4, отличающаяся тем, что стенки (14, 15) имеют толщину, большую на уровне упомянутый вторых концевых частей (19).

6. Стойка по одному из пп.1-3, 5, отличающаяся тем, что каждая из стенок (14, 15) содержит на одинаковом выбранном уровне вырез (23), образующий гнездо, выполненное с возможностью установки в нем кронштейна (24) кольцевой форсунки.

7. Стойка по п.4, отличающаяся тем, что каждая из стенок (14, 15) содержит на одинаковом выбранном уровне вырез (23), образующий гнездо, выполненное с возможностью установки в нем кронштейна (24) кольцевой форсунки.

8. Стойка по п.6, отличающаяся тем, что кронштейн (24) кольцевой форсунки жестко соединен со стенками (14, 15) рядом с упомянутыми вырезами (23).

9. Стойка по п.7, отличающаяся тем, что кронштейн (24) кольцевой форсунки жестко соединен со стенками (14, 15) рядом с упомянутыми вырезами (23).

10. Стойка по п.6, отличающаяся тем, что кронштейн (24) кольцевой горелки жестко соединен со стенками (14, 15) при помощи заклепок (27).

11. Стойка по одному из пп.7-9, отличающаяся тем, что кронштейн (24) кольцевой горелки жестко соединен со стенками (14, 15) при помощи заклепок (27).

12. Стойка по п.6, отличающаяся тем, что вырезы (23) выполнены в зоне части упомянутых стенок (14, 15), предназначенной для установки в канале вторичного потока.

13. Стойка по одному из пп.7-10, отличающаяся тем, что вырезы (23) выполнены в зоне части упомянутых стенок (14, 15), предназначенной для установки в канале вторичного потока.

14. Стойка по п.11, отличающаяся тем, что вырезы (23) выполнены в зоне части упомянутых стенок (14, 15), предназначенной для установки в канале вторичного потока.

15. Стойка по одному из пп.12 и 14, отличающаяся тем, что упомянутая зона предназначена для установки рядом с первым внутренним картером (6).

16. Стойка по п.13, отличающаяся тем, что упомянутая зона предназначена для установки рядом с первым внутренним картером (6).

17. Стойка по одному из пп.1-3, 5, 7-9, 10, 12, 14, 16, отличающаяся тем, что каждый фланец (20, 21) выполнен с возможностью жесткого соединения с наружным картером (5) при помощи, по меньшей мере, одного болта (29) с установкой анкерной плиты (30) со стороны фланца, направленной в сторону упомянутого вторичного потока.

18. Стойка по п.4, отличающаяся тем, что каждый фланец (20, 21) выполнен с возможностью жесткого соединения с наружным картером (5) при помощи, по меньшей мере, одного болта (29) с установкой анкерной плиты (30) со стороны фланца, направленной в сторону упомянутого вторичного потока.

19. Стойка по п.6, отличающаяся тем, что каждый фланец (20, 21) выполнен с возможностью жесткого соединения с наружным картером (5) при помощи, по меньшей мере, одного болта (29) с установкой анкерной плиты (30) со стороны фланца, направленной в сторону упомянутого вторичного потока.

20. Стойка по п.11, отличающаяся тем, что каждый фланец (20, 21) выполнен с возможностью жесткого соединения с наружным картером (5) при помощи, по меньшей мере, одного болта (29) с установкой анкерной плиты (30) со стороны фланца, направленной в сторону упомянутого вторичного потока.

21. Стойка по п.13, отличающаяся тем, что каждый фланец (20, 21) выполнен с возможностью жесткого соединения с наружным картером (5) при помощи, по меньшей мере, одного болта (29) с установкой анкерной плиты (30) со стороны фланца, направленной в сторону упомянутого вторичного потока.

22. Стойка по п.15, отличающаяся тем, что каждый фланец (20, 21) выполнен с возможностью жесткого соединения с наружным картером (5) при помощи, по меньшей мере, одного болта (29) с установкой анкерной плиты (30) со стороны фланца, направленной в сторону упомянутого вторичного потока.

23. Стойка по одному из пп.1-3, 5, 7-9, 10, 12, 14, 16, 19-22, отличающаяся тем, что упомянутую моноблочную конструкцию выполняют из композитного материала с керамической матрицей.

24. Стойка по п.4, отличающаяся тем, что упомянутую моноблочную конструкцию выполняют из композитного материала с керамической матрицей.

25. Стойка по п.6, отличающаяся тем, что упомянутую моноблочную конструкцию выполняют из композитного материала с керамической матрицей.

26. Стойка по п.11, отличающаяся тем, что упомянутую моноблочную конструкцию выполняют из композитного материала с керамической матрицей.

27. Стойка по п.13, отличающаяся тем, что упомянутую моноблочную конструкцию выполняют из композитного материала с керамической матрицей.

28. Стойка по п.15, отличающаяся тем, что упомянутую моноблочную конструкцию выполняют из композитного материала с керамической матрицей.

29. Стойка по п.17, отличающаяся тем, что упомянутую моноблочную конструкцию выполняют из композитного материала с керамической матрицей.

30. Форсажное устройство (7) для двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащее первый (6) и второй (11) внутренние кольцевые картеры, образующие канал (10) для первичного потока, и наружный кольцевой картер (5), образующий вместе с упомянутым первым внутренним кольцевым картером (6) канал (4) для вторичного потока, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, три опорные стойки (13), выполненные согласно одному из предыдущих пунктов, жестко соединенные с упомянутым наружным кольцевым картером (5).

31. Устройство по п.30, отличающееся тем, что содержит в канале (4) упомянутого вторичного потока теплозащитный кожух (32), образующий вместе с наружным кольцевым картером (5) форсажный канал (33) для части упомянутого вторичного потока, причем кронштейн (24) кольцевой форсунки каждой опорной стойки (13) установлен на уровне, находящемся между уровнем теплозащитного кожуха (32) и уровнем первого внутреннего кольцевого картера (6).

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области двухконтурных турбореактивных двигателей и, в частности, к форсажным устройствам таких турбореактивных двигателей.

В двухконтурном турбореактивном двигателе, показанном на фиг.1, воздушный поток, всасываемый вентилятором 1, поступает в компрессор 2 низкого давления. Первая часть потока сжатого воздуха поступает в компрессор 3 высокого давления, тогда как вторая часть (вспомогательная) предназначена для подачи в находящийся ближе к выходу первый канал 4, расположенный между наружным кольцевым картером 5 и первым внутренним кольцевым картером 6 (называемым обычно желобом слияния и предназначенным для разделения первичного потока и вторичного потока до их смешивания) форсажного устройства 7. Поток воздуха, сжатого компрессором 3 высокого давления, питает камеру 8 сгорания, из которой отработавшие газы поступают на турбину 9, которая содержит ступень высокого давления и расположенную за ней ступень низкого давления, и выход которой питает второй канал 10, предусмотренный между первым внутренним кольцевым картером 6 (или желобом слияния) и вторым внутренним кольцевым картером 11 (обычно называемым выхлопным конусом) форсажного устройства 7.

Отработанные газы, поступающие во второй канал 10, имеют высокую температуру и образуют так называемый первичный поток (или горячий поток). Воздух, поступающий в первый канал 4, имеет температуру, значительно меньшую температуры первичного потока, и образует так называемый вторичный поток (или холодный поток).

Форсажное устройство 7 позволяет осуществить второе сжигание благодаря впрыску топлива в первичный и вторичный потоки. Частично этот впрыск осуществляют при помощи кольцевой форсунки 12, установленной вблизи первого внутреннего картера 6 (или желоба слияния) в канале вторичного потока или первичного потока. В частности, кольцевая форсунка 12 обеспечивает гомогенный впрыск топлива и стабилизацию пламени. В зависимости от варианта выполнения кольцевая форсунка 12 может быть установлена на опорных стойках 13, называемых также "пламестабилизаторами", жестко соединенных с наружным картером через опорный элемент и/или с первым внутренним картером при помощи крепежных средств.

Жесткое соединение опорных стоек с наружным картером через опорный элемент описано, в частности, в патенте FR 2699226, являющемся наиболее близким аналогом настоящего изобретения.

Опорный элемент и соответствующая опорная стойка жестко соединены друг с другом в зоне, обдуваемой первичным потоком, поэтому детали, обеспечивающие их жесткое соединение, подвергаются не только значительным термическим воздействиям, но также воздействию усилий, называемых "трактовым давлением". Кроме того, вместе с участком кольцевой форсунки опорная стойка образует моноблочную субконструкцию, изготовление которой является очень трудоемким процессом, в частности по причине необходимости закругления нескольких краев.

Жесткое соединение опорных стоек с первым внутренним картером при помощи крепежных средств описано, в частности, в патентах US 5103638, GB 2295214, US 5002805 и US 5090198. В каждом из этих патентов жесткое крепление опорных стоек из композитного материала должно осуществляться на металлическом внутреннем картере, установленном на границе раздела между первичным и вторичным потоками. Вследствие этого возникает перепад теплового расширения между опорными стойками и картером, который компенсируют за счет применения сложных крепежных средств и промежуточных деталей.

В патенте FR 2699227 предложено также создать моноблочную конструкцию из наружного и внутреннего картеров, кольцевой форсунки и стоек. Однако такую конструкцию трудно изготовить, в частности, поскольку для этого необходимо использовать разные материалы для так называемых "холодных" деталей и "горячих" деталей. Кроме того, в силу моноблочности такой конструкции затруднены операции по техническому обслуживанию, и повреждение одной из ее частей потребует ее полной замены.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков устройств предшествующего уровня техники.

Для решения этой задачи предлагается создать опорную стойку (пламестабилизатор) для форсажного устройства, содержащего, как было указано во вступительной части, первый и второй внутренние кольцевые картеры, ограничивающие канал для первичного потока, и наружный кольцевой картер, ограничивающий вместе с первым внутренним кольцевым картером канал для вторичного потока.

Эта стойка отличается тем, что содержит моноблочную конструкцию из композитного материала, содержащую две жестко соединенные стенки, с одной стороны, выполненные с возможностью формирования выемки, имеющей по существу V-образный профиль, и, с другой стороны, содержащие первые концевые части, соединенные между собой и выполненные с возможностью формирования ножки, и вторые концевые части, выполненные с возможностью формирования, по меньшей мере, одного фланца, предназначенного для жесткого соединения с наружным картером.

Стойка в соответствии с настоящим изобретением может характеризоваться другими отличительными признаками, которые могут рассматриваться как в отдельности, так и в комбинации, в частности:

- ее две стенки могут быть отделены друг от друга не постоянным расстоянием между их первыми и вторыми концевыми частями таким образом, чтобы профиль выемки мог меняться. В этом случае расстояние меняется, например, по существу непрерывно с возрастанием от первых концевых частей ко вторым концевым частям таким образом, чтобы профиль выемки мог меняться по существу непрерывно;

- ее две стенки могут иметь непостоянную толщину между их первыми и вторыми концевыми частями; в этом случае обе стенки имеют, например, бульшую толщину на уровне их вторых концевых частей для повышения их прочности;

- каждая из ее двух стенок может иметь на одинаковом выбранном уровне вырез, образующий гнездо, предназначенное для установки кронштейна кольцевой форсунки; например, этот кронштейн кольцевой форсунки жестко соединяют с двумя стенками рядом с их вырезами, в случае необходимости, при помощи заклепок; кроме того, вырезы можно выполнять в зоне части двух стенок, предназначенной для установки в канале вторичного потока; в этом случае эту зону предпочтительно располагают вблизи первого внутреннего картера;

- каждый фланец может быть жестко соединен с наружным картером при помощи, по меньшей мере, одного болта с использованием анкерной плиты, установленной со стороны, противоположной вторичному потоку;

- моноблочную конструкцию можно выполнять из композитного материала с керамической матрицей.

Настоящее изобретение относится также к форсажному устройству вышеуказанного типа для двухконтурного турбореактивного двигателя, содержащего, по меньшей мере, три опорные стойки, описанные выше в соответствии с одним из указанных отличительных признаков, жестко соединенные с его наружным картером.

Такое устройство может, например, содержать в канале, предназначенном для вторичного потока, теплозащитный кожух, ограничивающий вместе с наружным картером форсажный канал для части вторичного потока. В этом случае кронштейн кольцевой форсунки каждой опорной стойки предпочтительно устанавливать на уровне, находящемся между двумя соответствующими уровнями теплозащитного кожуха и первого внутреннего картера.

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:

Фиг.1 изображает схематический вид в продольном разрезе двухконтурного турбореактивного двигателя.

Фиг.2А - первый вид в перспективе примера выполнения стойки в соответствии с настоящим изобретением перед креплением кронштейна кольцевой форсунки.

Фиг.2В - второй вид в перспективе стойки, показанной на фиг.2А.

Фиг.3 - вид в перспективе примера выполнения стойки в соответствии с настоящим изобретением после крепления кронштейна кольцевой форсунки.

Фиг.4 - вид сверху стойки, показанной на фиг.3.

Фиг.5 - вид в разрезе по линии V-V стойки, показанной на фиг.3.

Фиг.6 - вид в разрезе по линии VI-VI стойки, показанной на фиг.3.

Фиг.7 - вид сбоку стойки, показанной на фиг.3, после жесткого соединения с наружным картером форсажного устройства.

Фиг.8А и 8В изображают два вида в перспективе с двух разных углов зрения соединения, показанного на фиг.7.

Прилагаемые чертежи не только дополняют изобретение, но, в случае необходимости, могут служить для его определения.

Настоящее изобретение относится к опорной стойке-пламестабилизатору для форсажного устройства турбореактивного двигателя, представленного во вступительной части со ссылкой на фиг.1.

Далее следует описание опорной стойки 13 в соответствии с настоящим изобретением со ссылками на фиг.1, 2А и 2 В.

Опорная стойка (или стойка-пламестабилизатор) 13, показанная на фиг.2А и 2В, выполнена в виде моноблочной конструкции из композитного материала, обладающего повышенной жаропрочностью. Этот композитный материал предпочтительно содержит керамическую матрицу. Например, моноблочную конструкцию выполняют из заготовки, предварительно отформованной из волокнистого материала, в частности карбида кремния или карбона, которую пропитывают керамической матрицей в жидкой или газовой фазе. Так, например, моноблочную конструкцию можно выполнять из материала CERASEP® 410-12.

Использование композитного материала является особенно предпочтительным, так как обеспечивает выигрыш в массе (по сравнению с металлическими материалами) и увеличение срока службы, в частности, при воздействии повышенных рабочих температур.

Моноблочная конструкция содержит две по существу симметричные стенки 14 и 15, соединяющиеся по одной продольной стороне, образуя выемку 16, профиль которой в поперечном сечении по существу имеет V-образную форму.

Эти две первые стенки 14 и 15 содержат первые концевые части 17, соединенные между собой и образующие ножку 18, которая предпочтительно имеет скошенную форму для лучшего прохождения первичного потока.

Кроме того, каждая стенка 14 и 15 содержит также вторую концевую часть 19, противоположную ножке 18 и выполненную с возможностью формирования, по меньшей мере, одного фланца 20, 21, предназначенного для жесткого соединения с наружным кольцевым картером 5, как будет показано ниже со ссылкой на фиг.7. Для выполнения этого жесткого соединения, например, при помощи болтов, каждый фланец 20, 21 содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие 22, предпочтительно, по меньшей мере, два отверстия, показанные на фиг.2В.

Кроме того, каждая стенка 14, 15 предпочтительно содержит вырез (или паз) 23 на выбранном уровне (одинаковом для обоих). Эти два выреза 23 образуют гнездо, в которое устанавливают кронштейн 24 кольцевой форсунки, показанный на фиг.3.

Уровень для выполнения вырезов 23 выбирают в зависимости от места установки кольцевой форсунки. В представленном примере их выполняют рядом со вторыми концами 19, с возможностью установки кольцевой форсунки в канале 4, предназначенном для вторичного потока. Вместе с тем, согласно одному из вариантов выполнения, их можно выполнять в центральной части стенок 14 и 15 и даже рядом с ножкой 18, с возможностью установки кольцевой форсунки в канале 10, предназначенном для первичного потока.

Например, как показано на фиг.3, кронштейн 24 кольцевой форсунки содержит центральную часть 25, образующую открытую с двух сторон выемку V-образной формы, продолженную назад, по существу перпендикулярно, двумя боковыми частями 26, жестко соединенными с внутренними сторонами двух стенок 14 и 15 рядом с их вырезами 23. Это жесткое соединение выполняют, например, при помощи заклепок 27.

Кронштейн 24 кольцевой форсунки выполняют, например, из металлического материала, когда его устанавливают во вторичной "холодной" зоне. Но его можно выполнять и из композитного материала, в частности, когда он предназначен для установки в первичной "горячей" зоне.

Для жесткого крепления кольцевой форсунки в кронштейне 24 кольцевой форсунки в нем предпочтительно выполняют, по меньшей мере, одно сквозное отверстие 28 в каждой из двух полок, образующих его центральную часть 25.

Как показано на фиг.5 и 6 в разрезе по линиям V-V и VI-VI фиг.3, и также на виде сверху согласно фиг.4, расстояние между двумя стенками 14 и 15 может не быть постоянным от ножки 18 до вторых концевых частей 19. Другими словами, профиль V-образной формы выемки 16 может меняться. В частности, в данном случае расстояние возрастает по существу непрерывно от ножки 18 ко вторым концевым частям 19.

Кроме того, хотя это и не показано на фигурах, толщина двух стенок 14 и 15 может не быть постоянной от ножки 18 до вторых концевых частей 19. Действительно, представляется предпочтительным усилить часть опорной стойки 13, на которую действуют более значительные напряжения, чем на другие части. Так, утолщение на уровне вторых концевых частей 19 может повысить их сопротивление термическим воздействиям и нагрузкам от трактового давления.

Форсажное устройство 7 двухконтурного турбореактивного двигателя содержит, по меньшей мере, две опорные стойки 13, описанные выше, и предпочтительно, по меньшей мере, четыре стойки. В некоторых турбореактивных двигателях количество стоек может быть равным девяти (9).

Со ссылкой на фиг.7, 8А и 8В далее следует описание примера жесткого соединения опорной стойки 13 с наружным кольцевым картером 5 форсажного устройства 7.

Как уже было показано выше, каждую опорную стойку 13 жестко соединяют с наружным кольцевым картером 5 при помощи фланцев 20 и 21.

Поскольку жесткое соединение производят непосредственно на наружном кольцевом картере 5 в "холодной" окружающей среде (обычно примерно менее 200°С), то оно не создает проблемы перепада теплового расширения между опорной стойкой 13 и наружным кольцевым картером 5. Поэтому можно применять достаточно простые средства крепления (или жесткого соединения), например болты 29. Например, для закрепления каждого фланца можно использовать два болта 29 (как минимум один). После жесткого соединения каждая стойка по существу расположена в радиальном направлении относительно оси вращения турбины 9, которая является также поворотной осью симметрии наружного картера 5 и внутренних картеров 6 и 11. Необходимо учесть, что в данном случае под внутренним картером 5 и внутренним картером 11 следует понимать то, что специалисты называют соответственно желобом слияния и выхлопным конусом.

Как показано на фиг.7, форсажное устройство 7 может содержать теплозащитный кожух 32, установленный между первым внутренним кольцевым картером 6 (или желобом слияния) и наружным кольцевым картером 5, и образующий с последним форсажный канал 33, в котором циркулирует, по меньшей мере, часть вторичного потока. Этот теплозащитный кожух 32, как правило, выполняют из волнистого перфорированного листового металла, и он предназначен для прохождения отработавших после дожигания газов (так же, как и стенки главной камеры) и для защиты наружного кольцевого картера 5 от горячего потока. При наличии такого теплозащитного кожуха 32 вырезы 23 стенок 14 и 15 каждой опорной стойки 13 выполняют на таком уровне, чтобы кронштейн 24 кольцевой форсунки, по меньшей мере, частично находился между теплозащитным кожухом 32 и первым внутренним кольцевым картером 6 (или желобом слияния).

Кроме того, как показано на фиг.3, под наружной стороной (противоположной наружному картеру 5) каждого фланца 20, 21 можно устанавливать усилительную и/или защитную анкерную плиту 30, которая в данном случае располагается между фланцем и гайками. Это позволяет повысить жесткость фланцев 20 и 21 и улучшить прочность опорной стойки 13 по отношению к механическим нагрузкам. Эту анкерную плиту 30 предпочтительно выполняют из металла.

Следует отметить, что V-образный профиль и форму ножки 18 каждой опорной стойки 13 выбирают таким образом, чтобы оптимизировать прохождение первичного потока (стрелка F1 на фиг.7) и вторичного потока (стрелка F2 на фиг.7) и обеспечить аэродинамичность, соответствующую требуемым рабочим характеристикам.

Кроме того, в случае необходимости, в выемке 16 опорной стойки 13 можно устанавливать устройство внутренней карбюрации. Кроме того, благодаря использованию композитного материала для выполнения опорной стойки 13 последняя может выдерживать повышенные температуры, в связи с чем отпадает необходимость установки устройства внутренней вентиляции, предназначенного для охлаждения части ее края, обдуваемой первичным потоком.

Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами выполнения опорной стойки и форсажного устройства, приведенными исключительно в качестве примера, и охватывает все варианты, которые вытекают для специалиста из нижеследующей формулы изобретения.