PL203961B1

PL203961B1 - Zespół komory spalania posiadający wkładkę z kompozytu na osnowie ceramicznej

Info

Publication number: PL203961B1
Application number: PL346261A
Authority: PL
Inventors: Wayne Garcia Edmondson; James Dale Steibel; Harold Ray Hansel
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2000-05-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2009-11-30
Also published as: JP5289653B2; PL346261A1; EP1152191A2; DE60122819D1; EP1152191B1; JP2001317739A; DE60122819T2; US6397603B1; EP1152191A3; RU2266477C2

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół komory spalania posiadający wkładkę z kompozytu na osnowie ceramicznej.

Tego typu zespół komory spalania jest stosowany w silnikach z turbinami gazowymi, a w szczególności do zespołów komór gazowych, mających wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej, które mogą łączyć się z elementami silnika, wykonanymi z różnych materiałów, mających różne tempa wzrostu temperatury.

Ulepszenia w technologii wytwarzania i materiałach są kluczami do podwyższonej wydajności i obniż onych kosztów dla wielu artykuł ów. Na przykł ad, cią g ł e i czę ste współ zależne ulepszenia w przetwarzaniu i materiał ach dał y w wyniku znaczny wzrost wydajnoś ci dział ania silników lotniczych z turbinami gazowymi. Jedno z najbardziej wymaganych zastosowań dla materia ł ów może zostać odnalezione w komponentach wykorzystywanych w lotniczych silnikach odrzutowych. Silnik może być wykonany tak, aby podczas eksploatacji zużycie paliwa było zmniejszone, oraz tak, aby powodował mniejsze zanieczyszczenia. Wobec obecnych krytycznych ograniczeń osiągalnych temperatur działania silników, znajdują się materiały, stosowane w najgorętszych obszarach silników, które obejmują część zespołu komory spalania silnika i części silnika z przodu części zespołu komory spalania, obejmujące część turbiny silnika. Temperatury w części zespołu komory spalania silnika mogą osiągnąć 1927°C, podczas gdy materiały zastosowane w komponentach komory spalania mogą przeciwstawić się temperaturom z zakresu 1204°C - 1260°C. W ten sposób, ulepszenia zdolności materiałów do sprostania wyższym temperaturom, przeznaczonych do wykorzystania w silnikach lotniczych mogą dać w wyniku ulepszenia zdolności operacyjnych silnika.

Jedną z części silnika, w której wymagana jest wyższa temperatura działania, tak aby całkowita temperatura działania silnika mogła zostać osiągnięta, jest komora spalania. Tutaj, mieszane jest paliwo z powietrzem i zapalane, a produkty spalania są użyte do zasilania silnika. Komory spalania zawierają wiele krytycznych składników, obejmujące, ale nie ograniczone do zawirowywacza/ zespołu kołpakowego, uszczelek i rur prowadnikowych. W przeszłości, komponenty te były wykonane z metali, mających podobną rozszerzalność cieplną, a ulepszenia termiczne zostały osiągnięte poprzez zastosowanie techniki powlekania i chłodzenia oraz ich kombinacje. Ponieważ temperatury działania ciągle wzrastały, pożądanym było zastąpienie metali materiałami odpornymi na wyższe temperatury. Jakkolwiek, takie zamiany, pomimo że były pożądane, nie zawsze były możliwe. Na przykład, jak zauważono wcześniej, zespoły komory spalania działają w różnych temperaturach przez cały czas działania silnika. W ten sposób, kiedy stosuje się różne materiały w przylegających do siebie elementach zespołu komory spalania, o różnych komponentach, lub nawet w komponentach przyległych do zespołu komory spalania, szeroko różniące się współczynniki rozszerzalności cieplnej w tych komponentach mogą dać w rezultacie skrócenie cyklu życia komponentów jako wynik termicznie indukowanych naprężeń, a w szczególności jest to niebezpieczne gdy następują gwałtowne wahania temperatur, które mogą wywołać szok termiczny.

Koncepcja zastosowania nietradycyjnych materiałów odpornych na wysokie temperatury, takich jak kompozytowe osnowy ceramiczne, jako strukturalnych składników w silnikach z turbinami gazowymi nie jest niczym nowym. Amerykańskie zgłoszenia patentowe o numerze 5488017 oraz 5601674, przedstawiają sposób wykonywania komponentów silnika ze składników osnowy ceramiczne. Jednakże, wynalazek zawodzi w stosunku do problemów, które mogą być powiązane ze współpracującymi częściami, mającymi różniące się właściwości rozszerzalności cieplnej.

Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego o numerze 5291732 oraz 5285632 znany jest problem różnicowej rozszerzalności cieplnej pomiędzy wkładkami zespołu komory spalania z kompozytu na osnowie ceramicznej. Ujawniony tu układ wykorzystuje zespół mocujący, mający kołnierz wspierający z wieloma obwodowo oddzielonymi otworami wspierającymi. Pierścieniowa wkładka, także posiadająca wiele obwodowo oddzielonych otworów mocujących, jest umieszczona współosiowo z kołnierzem. Wkładka jest zamocowana do kołnierza poprzez sworznie, które są ułożone w linii przez otwory wspierające na kołnierzu i poprzez otwory mocujące na wkładce. Układ sworzni w otworach mocujących umożliwia nieograniczony zróżnicowany ruch termiczny wkładki względem kołnierza.

Zespół komory spalania posiadający wkładkę z kompozytu na osnowie ceramicznej, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawiera przednią osłonę z materiału metalicznego wytrzymałego na podwyższone temperatury zespołu komory spalania w utleniającej i korozyjnej atmosferze, o pierwszym współ czynniku rozszerzalnoś ci cieplnej oraz tylną uszczelkę , zamocowaną do uszczelPL 203 961 B1 niającego elementu ustalającego, mającą drugi współczynnik rozszerzalności cieplnej, zaś uszczelniający element ustalający ma trzeci współczynnik rozszerzalności cieplnej, przy czym każdy z nich jest z materiału metalicznego wytrzymałego na podwyższoną temperatur ę zespołu komory spalania w utleniającej i korozyjnej atmosferze i ponadto zawiera wkładkę zespołu komory spalania z materiału z kompozytu na osnowie ceramicznej wytrzymałego na podwyższone temperatury zespołu komory spalania w utleniającej i korozyjnej atmosferze, mającego czwarty współczynnik rozszerzalności cieplnej, mniejszy niż pierwszy współczynnik rozszerzalności cieplnej przedniej osłony i mniejszy niż drugi współczynnik rozszerzalności cieplnej tylnej uszczelki oraz mniejszy niż trzeci współczynnik rozszerzalności cieplnej uszczelniającego elementu ustalającego, przy czym wkładka zespołu komory spalania umieszczona pomiędzy przednią osłoną i tylną uszczelką z przymocowanym uszczelniającym elementem ustalającym ma usytuowanie przy którym możliwe jest zróżnicowanie rozszerzalności cieplnej ceramicznej wkładki komory spalania, przedniej osłony i uszczelki z przymocowanym uszczelniającym elementem ustalającym.

Wkładki komory spalania stanowią wewnętrzną wkładkę i zewnętrzną wkładkę zespołu komory spalania.

Korzystnym jest gdy wkładka komory spalania jest z karboksymetylocelulozy (CMC), mającej osnowę z krzemionki, a w szczególności wkładka zespołu komory spalania zawiera karboksymetylocelulozę (CMC) mającą osnowę z tlenku glinu.

Zespół korzystnie zawiera metaliczny wewnętrzny wspornik kołpakowy mający wspornik wkładki wewnętrznej zamocowany do przedniej osłony, przy czym wspornik wkładki wewnętrznej ma szczelinę rozszerzania, zaś metaliczny wspornik kołpakowy zewnętrzny zawiera wspornik wkładki zewnętrznej zamocowany do przedniej osłony, przy czym wspornik wkładki zewnętrznej ma szczelinę rozszerzania, zaś do wsporników kołpakowych jest zamocowana co najmniej jedna dysza zawirowywacza, który stanowi zawirowywacz mieszania paliwa i powietrza i rozpoczęcia spalania paliwa oraz skierowania gorących gazów spalania do komory spalania, oraz do części turbiny silnika z turbiną gazową, natomiast do uszczelki jest zamocowany co najmniej jeden metaliczny uszczelniający element ustalający, mający usytuowanie przy którym pomiędzy tylną uszczelką i co najmniej jednym elementem ustalającym jest ukształtowana szczelina, przy czym wewnętrzna ściana komory spalania jest uformowana z ceramicznej wewnę trznej wkł adki komory spalania i mają cej przednie i tylne zamocowanie w postaci kołnierza, rozciągającego się od linii środkowej zespołu komory spalania, zaś wkładka jest ułożona pomiędzy wewnętrznym wspornikiem kołpakowym i co najmniej jedną tylną uszczelką, przy czym przednie zamocowanie wkładki komory spalania jest zespolone w szczelinie rozszerzania we wsporniku wkładki wewnętrznej i w tylnym zamocowaniu, wpasowanym w szczelinę pomiędzy tylną uszczelką i co najmniej jednym uszczelniającym elementem ustalającym, a ponadto zewnętrzna ściana komory spalania jest uformowana poprzez ceramiczną zewnętrzną wkładkę komory spalania mająca przednie zamocowania w postaci kołnierza, rozciągającego się od linii środkowej zespołu komory spalania, przy czym wkładka jest ułożona pomiędzy zewnętrznym wspornikiem kołpakowym i co najmniej jedną tylną uszczelką, a przednie zamocowanie wkładki komory spalania, jest zespolone ze szczeliną rozszerzania wspornika wkładki wewnętrznej i tylnego zamocowania dopasowanego do szczeliny pomiędzy tylną uszczelką i co najmniej jednym uszczelniającym elementem ustalającym, przy czym wkładki zespołu komory spalania są zamocowane do wsporników kołpakowych wkładki za pomocą elementów mocujących.

Elementy mocujące wkładek zespołu komory spalania do wsporników wkładki zawierają łączniki, które rozciągają się poprzez otwory we wkładkach zespołu komory spalania, przy czym wkładki są ruchome w kierunku osiowym łączników do skompensowania zróżnicowanego przyrostu cieplnego pomiędzy wspornikami kołpakowymi wkładki i wkładką w związku ze zmianami temperatury.

Szczeliny rozszerzania usytuowane we wspornikach wkładki są szczelinami do wprowadzania powietrza chłodzenia warstwowego wewnętrznej powierzchni wkładek ceramicznych.

Kołnierz wewnętrznej wkładki ma uformowane rowki promieniowe, które stanowią rowki do umieszczania wewnętrznej wkładki pomiędzy tylną uszczelką i uszczelniającym elementem ustalającym i do umożliwienia ruchu tylnej uszczelki i uszczelniającego elementu ustalającego w odniesieniu do wkładki.

Kołnierz zewnętrznej wkładki zawiera wiele szczelin promieniowych, które stanowią szczeliny do umieszczania zewnętrznej wkładki pomiędzy tylną uszczelką i uszczelniającym elementem ustalającym, przy czym tylna uszczelka i uszczelniający element ustalający są ruchome w odniesieniu do wkładki.

PL 203 961 B1

Ceramiczna wkładka i zewnętrzne wkładki są z materiału z kompozytu na osnowie ceramicznej.

Obecne rozwiązanie zapewnia alternatywny układ dla zmniejszenia lub wyeliminowania termicznie indukowanych naprężeń we wkładkach komory spalania i współpracujących części, umożliwiając jednocześnie nieograniczoną rozszerzalność cieplną i skurczenie wkładki zespołu komory spalania.

Proponowane rozwiązanie zapewnia zespół komory spalania, mający wkładki, wykonane z kompozytu na osnowie ceramicznej z karboksymetylocelulozy (CMC), które są w stanie przeciwstawić się wyższym temperaturom niż metalowe wkładki. Wkładki z kompozytów na osnowie ceramicznej są wykorzystywane w połączeniu z współpracującymi komponentami, które są wytworzone z tworzyw metalicznych. Aby umożliwić zastosowanie zespołu komory spalania, mającego wkładki wytworzone z karboksymetylocelulozy (CMC) w połączeniu z tworzywami metalowymi, użytymi do współpracy przednich osłon i uszczelek z zamocowanym uszczelniającym elementem ustalającym ponad szerokim asortymentem temperatur zespołu komory spalania, zespół komory spalania jest wytworzony w sposób pozwalający na zróżnicowaną rozszerzalność cieplną różniących się materiałów, na ich powierzchniach przylegania w sposób, który nie wprowadza naprężeń do wkładki jako wynik rozszerzalności cieplnej.

Układ powierzchni przylegania, który umożliwia zróżnicowaną rozszerzalność cieplną różnych materiałów, pozwala na zastosowanie do wkładek zespołu komory spalania osnowy ceramicznej poprzez wyeliminowanie termicznych naprężeń, które typowo skracają cykl życia zespołu komory spalania w wyniku zróżnicowanej rozszerzalności cieplnej części. Użycie wkładek z karboksymetylocelulozy (CMC) pozwala na działanie zespołu komory spalania w wyższych temperaturach z mniejszą ilością chłodzącego powietrza niż jest wymagana dla powszechnych metalowych wkładek. Wyższa temperatura działania daje zmniejszenie emisji NOX poprzez ograniczenie ilości nie spalonego powietrza z zespoł u komory spalania.

Drugą zaletą zespołu komory spalania według wynalazku jest to, że dotyczy problemów związanych ze zróżnicowanym przyrostem cieplnym części przylegających wykonanych z różnych materiałów.

Jeszcze inną zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że połączenia powierzchni przylegających pomiędzy wkładkami z karboksymetylocelulozy (CMC) i wspornikami kołpakowymi wkładek regulują część przepływu powietrza chłodzącego poprzez łącznik powierzchni przylegających w celu zapoczątkowania chłodzenia warstwowego wkładki. W ten sposób, przepływ powietrza chłodzącego w poprzek wkł adki zespoł u komory spalania nie jest jedynie zależ ny od otworów chł odzą cych jak to miało miejsce w zespołach komór spalania znanych ze stanu techniki. Ponadto znana ze stanu techniki technologia wytwarzania karboksymetylocelulozy (CMC) może być zastosowana do produkcji wkładek. Dla ułatwienia zrozumienia istoty proponowanego rozwiązania na Pos. I pokazano schematycznie przekrój znanego ze stanu techniki dwu kołpakowego zespołu komory spalania, wykonanego z materiałów metalicznych. Pos I jest schematycznym przekrojem znanego ze stanu techniki dwu kołpakowego zespołu komory spalania 10, wykonanego z konwencjonalnych metalowych materiałów. W tym układzie, wewnętrzna wkładka 12 i zewnętrzna wkładka 14 rozciągają się z przednich osł on 16 do przednich uszczelniają cych elementów ustalają cych 18. Ponieważ dwu kołpakowy zespół komory spalania jest wykonany z metalowych materiałów, mających odporność na wysoką temperaturę i identyczne lub podobne współczynniki rozszerzalności termicznej, układ nie musi pozwalać na zróżnicowany przyrost termiczny, ponieważ składniki zespołu komory spalania rozciągają się i stykają w istotnie tych samych proporcjach. Ponieważ układ ten nie umożliwia zróżnicowanej rozszerzalności cieplnej komponentów, uzupełniających zespół komory spalania, nie jest możliwym w łatwy sposób zamienić istniejące metalowe wkładki zespołu komory spalania 12, 14 na wkładki zespołu komory spalania wykonane z karboksymetylocelulozy (CMC), ponieważ zróżnicowana rozszerzalność cieplna pomiędzy częściami wprowadzi silne naprężenia termiczne, które skrócą cykl życia zespołu komory spalania.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku na którym, fig. 1 jest schematycznym przekrojem wewnętrznych i zewnętrznych wkładek, wykonanych z kompozytu na osnowie ceramicznej, zamocowanych do konwencjonalnego, metalowego, dwu kołpakowego zespołu komory spalania, w stanie zimnym silnika, fig. 2 schematycznym przekrojem wewnętrznych i zewnętrznych wkładek, wykonanych z kompozytu na osnowie ceramicznej, zamocowanych do jedno kołpakowego zespołu komory spalania, w stanie zimnym silnika, fig. 3

PL 203 961 B1 jest częściowym schematem wewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej z fig. 1 lub 2, przyłączonej do metalowych części łączących podczas gdy silnik jest gorący, fig. 4 jest częściowym schematem zewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej z fig. 1 lub 2, przyłączonej do metalowych części łączących podczas gdy silnik jest zimny, fig. 5 jest częściowym schematem wewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej z fig. 1 lub 2, przyłączonej do metalowych części łączących podczas gdy silnik znajduje się w stanie zimnym, fig. 6 jest częściowym schematem zewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej z fig. 1 lub 2, przyłączonej do metalowych części łączących podczas gdy silnik znajduje się w gorącym stanie działania, fig. 7 jest częściowym schematem połączenia wewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej do metalowego wspornika, przedstawiającym przepływ powietrza poprzez i wokół kołpaka i osłony w stanie gorącym, fig. 8 jest częściowym schematem połączenia wewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej do metalowego wspornika, przedstawiającym przepływ powietrza poprzez i wokół kołpaka i osłony w stanie zimnym silnika, fig. 9 jest częściowym schematem połączenia zewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej do metalowego wspornika, przedstawiającym przepływ powietrza poprzez i wokół kołpaka i osłony w stanie zimnym i w momencie rozruchu silnika, fig. 10 jest częściowym schematem połączenia zewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej do metalowego wspornika, przedstawiającym przepływ powietrza poprzez i wokół kołpaka i osłony w stanie gorącym pracy silnika, fig. 11 jest częściowym schematem połączenia wewnętrznej wkładki z karboksymetylocelulozy (CMC) do metalowej przedniej uszczelki w stanie zimnym i stanie rozruchu silnika, fig. 12 jest częściowym schematem połączenia wewnętrznej wkładki z karboksymetylocelulozy (CMC) do metalowej przedniej uszczelki w stanie gorącym pracy silnika, fig. 13 jest częściowym schematem połączenia zewnętrznej wkładki z karboksymetylocelulozy (CMC) do metalowej przedniej uszczelki w stanie zimnym i stanie rozruchu silnika, fig. 14 jest częściowym schematem połączenia zewnętrznej wkładki z karboksymetylocelulozy (CMC) do metalowej przedniej uszczelki w stanie gorącym pracy silnika, fig. 15 jest przekrojem w kierunku ku przodowi, pokazującym przedni kołnierz wkładki z karboksymetylocelulozy (CMC) z promieniowymi szczelinami, poszczególnymi uszczelniającymi elementami ustalającymi i częścią przedniej uszczelki, fig. 16 jest powiększonym widokiem części pokazanej na fig. 15, przedstawiającym kołnierz wewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej z promieniowymi szczelinami, poszczególnymi uszczelniającymi elementami ustalającymi i częścią przedniej uszczelki.

Obecny wynalazek zapewnia zespół komory spalania, który zawiera wkładki z karboksymetylocelulozy (CMC), z kompozytu na osnowie ceramicznej, które mogą działać w wyższych temperaturach niż konwencjonalne zespoły komór spalania, ale które umożliwiają zróżnicowany przyrost termiczny części przylegających do siebie i wykonanych z różnych materiałów.

Fig. 1 jest schematycznym przekrojem dwu kołpakowego zespołu komory spalania 30 według wynalazku, mającego wewnętrzną wkładkę 32 i zewnętrzną wkładkę 34 wykonaną z karboksymetylocelulozy (CMC). Układ ten składa się z dwóch metalowych przednich osłon 36 usytuowanych na przednim końcu zespołu komory spalania, przyłączonych do wsporników kołpakowych 40 wkładki. Wewnętrzna i zewnętrzna wkładka 32, 34, jest ułożona pomiędzy wspornikami kołpakowymi 40 wkładki i tylnymi uszczelkami 42. Wkładki są przymocowane do tylnych uszczelek 42 przez uszczelniający element ustalający 44 i łączniki 46. Zespół komory spalania 30 z fig. 1 zawiera parę dyszy zawirowywacza 48 paliwa.

Fig. 2 jest schematycznym przekrojem jedno kołpakowego zespołu komory spalania 130 według wynalazku, mającego wewnętrzną wkładkę 132 i zewnętrzną wkładkę 134, wykonaną z karboksymetylocelulozy (CMC). Układ ten jest złożony z dwóch metalowych przednich osłon 136 usytuowanych na przednim końcu zespołu komory spalania, przymocowanych do wsporników kołpakowych 140 wkładki. Wewnętrzna i zewnętrzna wkładka 132, 134 jest ułożona pomiędzy zewnętrznym wspornikiem kołpakowym 140 wkładki i tylną uszczelką 142, a wewnętrznym wspornikiem kołpakowym 141 wkładki i tylną uszczelką 142. Wkładki są zamocowane do tylnych uszczelek 142 przez uszczelniające elementy ustalające 138 i łączniki 146. Zespół komory spalania 130 z fig. 1 zawiera pojedynczą dyszę zawirowywacza 148 paliwa.

Działanie dwu kołpakowego zespołu komory spalania 30 i-jedno kołpakowego zespołu komory spalania 130 jest w zasadzie podobne. Dla uproszczenia, opis będzie wykonany w odniesieniu do fig. 1 dla jedno kołpakowego zespołu komory spalania 130. Przednie osłony 136 tworzą komorę umożliwiającą przepływ powietrza do zespołu komory spalania z części sprężarki silnika (nie pokaza6

PL 203 961 B1 no). Wspornik kołpakowy 140 rury prowadnikowej zapewnia przednie wsparcie zespołu komory spalania i powierzchnie mocujące dla dyszy zawirowywacza 148 paliwa. Wsporniki kołpakowe wkładki stanowią punkt zamocowania dla jednego z końców wewnętrznej i zewnętrznej wkładki 132, 134. Wsporniki kołpakowe wkładki zapewniają także otwory chłodzące dla warstwowego chłodzenia wkładki. Wewnętrzne i zewnętrzne wkładki 132, 134 są wewnętrznymi i zewnętrznymi ścianami zespołu komory spalania. Płomień tworzy się z przodu dyszy zawirowywacza 148 paliwa i rozciąga się do tyłu w kierunku tylnej uszczelki 142. Tylna uszczelka 142 tworzy powierzchnię uszczelniającą na końcu zespołu komory spalania, aby chronić przed działaniem wysokiej temperatury i ciśnienia powietrza w dyszy turbiny wysokiego ciśnienia (nie pokazano) poprzez połączenie pomiędzy wkładkami 132, 134 i tylnymi uszczelkami. Wkładki są przymocowane do tylnej uszczelki łącznikami 146.

Fig. 8 i 9 są powiększonymi schematami fig. 2 połączenia wewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej i połączenia zewnętrznej wkładki do odpowiednich metalowych wsporników, przedstawiającymi przepływ powietrza poprzez i wokół kołpaka i osłony w stanie zimnym i podczas rozruchu silnika. Strzałki pokazują kierunek i ścieżkę przepływu powietrza. Odnosząc się do fig. 8, wewnętrzna wkładka 132 jest połączona łącznikami 150 w postaci sworzni mocującymi ze wspornikiem wewnętrznej wkładki 132. Łączniki 150 w postaci sworzni mocujących zapewniają osiowe umiejscowienie wewnętrznej wkładki 132. Dodatkowo, sworznie mocujące pozwalają na kompensację zróżnicowanego przyrostu termicznego pomiędzy wkładką 132, wykonaną z karboksymetylocelulozy (CMC) i metalowym mocowaniem wspornika kołpakowego 141 wewnętrznej wkładki 132. Część powietrza ze sprężarki przepływa na zewnątrz wokół osłony 136 i wzdłuż zewnętrznej strony wewnętrznej wkładki 132. Część powietrza przepływa pomiędzy otworem lub szczeliną rozszerzania 154 utworzoną pomiędzy wewnętrzną wkładką 132 i wspornikiem 152 wewnętrznej wkładki i wzdłuż wewnętrznej powierzchni 156 wewnętrznej wkładki 132, aby zapewnić chłodzenie. Dodatkowe powietrze kierowane jest do przedniej osłony 136. Część powietrza przepływa do komory 158 i do dyszy zawirowywacza, aby wesprzeć spalanie paliwa, odmierzonego do dyszy zawirowywacza paliwa. Dodatkowe powietrze przepływa poprzez otwór 160, do kanału 164, ochładzając osłonę i dyszę zawirowywacza, gdzie jest kierowane wzdłuż wewnętrznej powierzchni 156 wewnętrznej wkładki 132. Układ z fig. 9 jest lustrzanym odbiciem fig. 7, z wyjątkiem tego, że przedstawiają one zewnętrzną wkładkę 134 i wspornik 153 zewnętrznej wkładki. Wielkość i stosunek chłodzącego powietrza, przepływającego poprzez szczelinę rozszerzania 154 i kanał 164 w chłodnym silniku nie jest tak krytyczna jak w silniku rozgrzanym.

Fig. 7 i 10 są powiększonymi częściowymi schematami, odpowiadającymi fig. 8 i 9 połączenia wewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej i zewnętrznej wkładki, zamocowanych do ich odpowiednich metalowych wsporników, przedstawiającymi przepływ powietrza poprzez i wokół kołpaka oraz osłony w rozgrzanym silniku. Strzałki pokazują kierunek i ścieżkę przepływu powietrza. W odniesieniu do fig. 7 wewnętrznej wkładki, jako wynik różnicowej rozszerzalności cieplnej, szczelina rozszerzania 154 staje się mniejsza kiedy wewnętrzna wkładka 132 porusza się osiowo w kierunku na zewnątrz w odniesieniu do wspornika 152 wewnętrznej wkładki, a ilość chłodzącego powietrza, poruszającego się poprzez szczelinę rozszerzania 154 jest ograniczona, ponieważ wkładka 132 i wspornik 152 wewnętrznej wkładki rozciągają się w różnym stosunku. Szczelina rozszerzania 154 jest zaprojektowana, tak aby umożliwić to zróżnicowane rozszerzanie i chronić wkładkę 132 przed wprowadzeniem silnych naprężeń. Łączniki 150 w postaci sworzni mocujących, które zapewniają osiowe umiejscowienie wkładki 132, dodatkowo umożliwiają kompensowanie zróżnicowanego przyrostu termicznego pomiędzy wkładką 132, wykonaną z karboksymetylocelulozy (CMC) i metalowym zamocowaniem wspornika kołpakowego 141 wewnętrznej wkładki. Część powietrza ze sprężarki przepływa na zewnątrz wokół przedniej osłony 136 i wzdłuż zewnętrznej strony wewnętrznej wkładki 132. Dodatkowe powietrze, przepływające przez otwór 160, do i poprzez kanał 164 na wewnętrzną powierzchnię 156 wkładki jest także ograniczone jako wynik zróżnicowanej rozszerzalności cieplnej wkładki 132 z karboksymetylocelulozy (CMC) w kierunku na zewnątrz w stosunku do wspornika 152 wewnętrznej wkładki. To zwiększone chłodzenie równoważy straty chłodzenia poprzez szczelinę rozszerzania 154. Układ z fig. 10 zewnętrznej wkładki jest lustrzanym odbiciem fig. 8 dla wewnętrznej wkładki, poza tym, że zewnętrzna wkładka 134 i wspornik 153 zewnętrznej wkładki są zastąpione przez wewnętrzną wkładkę 132 i wspornik wewnętrznej wkładki. Chociaż tutaj ruch zewnętrznej wkładki w odniesieniu do wspornika zewnętrznej wkładki występuje w przeciwnym kierunku a dodatkowe powietrze, przepływające poprzez szczelinę 154 kompensuje stratę powietrza chłodzącego poprzez kanał 164.

PL 203 961 B1

Zróżnicowana rozszerzalność cieplna pomiędzy wkładkami 132, 134 z karboksymetylocelulozy (CMC) i tylnymi uszczelkami 142 zespołu komory spalania jest także zapewniona poprzez układ obecnego wynalazku. W odniesieniu do fig. 11 i 13, które są częściowymi schematami połączenia wewnętrznej wkładki z karboksymetylocelulozy (CMC) i połączenia zewnętrznej wkładki do metalowej tylnej uszczelki, odpowiednio w stanie zimnym i podczas rozruchu silnika. Układy połączenia wewnętrznej wkładki i połączeń zewnętrznej wkładki na fig. 11 i 13 są identyczne z wyjątkiem oznaczeń numerycznych komponentów wewnętrznej i zewnętrznej wkładki. Dla uproszczenia, odniesienie zostanie wykonane w stosunku do fig. 11 i komponentów wewnętrznej wkładki, oraz należy zrozumieć, że układ komponentów zewnętrznej wkładki jest podobny. Wewnętrzna wkładka 132, wykonana z karboksymetylocelulozy (CMC), jest umieszczona pomiędzy metalowym uszczelniającym elementem ustalającym 138 i metalową tylną uszczelką 142. Wewnętrzna wkładka 132 jest umiejscowiona pomiędzy metalowym uszczelniającym elementem ustalającym 138 i tylną uszczelką 142 przez łączniki 146, korzystnie nit. Małe rowki promieniowe 170 i ustalające szczeliny 172 są ułożone w połączeniu pomiędzy wkładką 132, elementem ustalającym 138 i tylną uszczelką 142, aby umożliwić zróżnicowaną rozszerzalność. Rowki promieniowe 170 są umieszczone pomiędzy wkładką 132 i uszczelniającym elementem ustalającym 138, i odpowiadają za rozszerzalność tylnej uszczelki 142 oraz ruch łączników 146, korzystnie metalowych nitów, podczas gdy ustalające szczeliny 172 są umieszczone pomiędzy elementem ustalającym 138 i tylną uszczelką 142, aby umożliwić ruch wzdłuż tylnej uszczelki 142, elementu ustalającego 138 i wkładki 132. Fig. 12 i 14 przedstawiają skutek zróżnicowanej rozszerzalności cieplnej, odpowiednio wewnętrznej i zewnętrznej wkładki, uszczelki i uszczelniającego elementu ustalającego.

Fig. 15 jest przekrojem z przodu, pokazującym tylny kołnierz wewnętrznej wkładki z karboksymetylocelulozy (CMC) z promieniowymi szczelinami, pojedynczymi uszczelniającymi elementami ustalającymi i częścią przedniej uszczelki, podczas gdy fig. 16 jest powiększonym widokiem części, pokazanej na fig. 15, przedstawiającej tylny kołnierz wewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej z promieniowymi szczelinami, pojedynczymi uszczelniającymi elementami ustalającymi i częścią tylnej uszczelki. Ponieważ rowki 170 i szczeliny 172 są zaprojektowane tak, aby odpowiadać za zróżnicowaną rozszerzalność cieplną użytych różnych materiałów, rowka 170 i szczeliny 172, są one mniejsze w rozgrzanym silniku. Jakkolwiek, naprężenia we wkładce, które w przeciwnym przypadku byłyby wynikiem zróżnicowanej rozszerzalności cieplnej materiałów, zostały wyeliminowane.

Materiały typowo używane do zarówno części przedniej osłony zespołu komory spalania i tylnej uszczelki oraz uszczelniających elementów ustalających, są superstopami, które są w stanie przeciwstawić się podwyższonym temperaturom oraz korozyjnej i utleniającej atmosferze gorących gazów zespołu komory spalania, doświadczonych w atmosferze zespołu komory spalania. Te superstopy są zazwyczaj superstopami opartymi na bazie niklu, istotnie ulepszonymi, aby miały przedłużoną żywotność w takiej atmosferze, mające współczynnik rozszerzalności cieplnej około 8,8-9,0 x 10(-6) 2.54 cm/2.54 cm/-17°C lub superstopami opartymi na bazie kobaltu, mającymi współczynnik rozszerzalności cieplnej około 9,2-9,4 x 10(-6) 2.54 cm/2.54 cm/-17°C. Materiały takie jak karboksymetyloceluloza (CMC), użyte we wkładce zespołu komory spalania, są zazwyczaj materiałami osnowy węglikowo krzemowej, krzemionkowej lub tlenku glinu i ich kombinacjami. Sposób wytwarzania materiału w postaci karboksymetylocelulozy (CMC) zazwyczaj składa się z procesu infiltracji wytopu. Na przykład, metal krzemowy jest infiltrowanym wytopem do wstępniaka włóknowego, przytrzymującego złożone włókno. Proces infiltracji wytopu zazwyczaj daje w rezultacie obecność nieodwracalnych, szczątkowych ilości krzemu w osnowie SiC. Osadzone wewnątrz osnowy włókna ceramiczne, takie jak wzmacniające włókna utleniania stałego, zawierające włókna pojedyncze takie jak szafir i węglik krzemu taki jak Textron SCS-6, jak również niedoprzędy i przędze, zawierające węglik krzemu taki jak Nippon Carbon NICALON®, a w szczególności HI-NICALON® i HI-NICALON-S®, Ube Industries TYRANNO®, a w szczególności TYRANNO® ZMI i TYRANNO® S.A., oraz Dow Corning SYLRAMIC®, krzemiany glinowe takie jak Nextel 440 i 480, i kryształy włoskowe i włókna cięte takie jak Nextel 440 i SAFFIL®, oraz opcjonalnie cząsteczki ceramiczne takie jak tlenki Si, Al, Zr, Y i ich kombinacje oraz nieorganiczne wypełniacze takie jak pirofilit, wolastonit, mika, talk, cyjanit, i montmorilonit. Przykład typowych materiałów w postaci karboksymetylocelulozy (CMC) i sposoby wytwarzania takich kompozytów są znane. Materiały typu karboksymetyloceluloza (CMC) mają zazwyczaj współczynnik rozszerzalności cieplnej w zakresie około 1,3 x 10(-6) 2.54 cm/2.54 cm/-17°C do około 2,8 x 10(-6) 2.54 cm/2.54

PL 203 961 B1 cm/-17°C. W korzystnym przykładzie wykonania, rury prowadnikowe zawierają włókna węglikowo krzemowe, osadzone w węglikowo krzemowej osnowie infiltrowanego wytopu.

Fig. 4 i 5 są częściowymi schematami zewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej i wewnętrznej wkładki, odpowiednio z fig. 1 lub 2, zamocowanych do przylegających metalowych części, podczas gdy silnik jest zimny. Szczeliny pomiędzy wkładkami z materiału typu karboksymetyloceluloza (CMC) w obszarze zamocowania wkładek do tylnych uszczelek mogą zostać teraz lepiej zrozumiane w odniesieniu do fig. 11 i 13; a w obszarze zamocowania kołpaków wspierających wkładki w odniesieniu do fig. 8 i 9. Szczeliny te mogą być przeciwstawione szczelinom z fig. 3 i 6, które są częściowymi schematami wewnętrznej wkładki z kompozytu na osnowie ceramicznej i zewnętrznej wkładki, przymocowanych do przylegających metalowych części z silnikiem w gorącym stanie działania. Bardziej szczegółowe porównanie może zostać dokonane w odniesieniu do fig. 7, 10, 12 i 14 dla gorących warunków pracy zespołu komory spalania według wynalazku.

Claims

1. Zespół komory spalania posiadający wkładkę z kompozytu na osnowie ceramicznej, znamienny tym, że zawiera przednią osłonę (36) z materiału metalicznego wytrzymałego na podwyższone temperatury zespołu komory spalania w utleniającej i korozyjnej atmosferze, o pierwszym współczynniku rozszerzalności cieplnej oraz tylną uszczelkę (42), zamocowaną do uszczelniającego elementu ustalającego (44), mającą drugi współczynnik rozszerzalności cieplnej, zaś uszczelniający element ustalający (44) ma trzeci współczynnik rozszerzalności cieplnej, przy czym każdy z nich jest z materiału metalicznego wytrzymałego na podwyższoną temperaturę zespołu komory spalania w utleniającej i korozyjnej atmosferze i ponadto zawiera wkładkę (32, 34, 132, 134) zespołu komory spalania z materiału z kompozytu na osnowie ceramicznej wytrzymałego na podwyższone temperatury zespołu komory spalania w utleniającej i korozyjnej atmosferze, mającego czwarty współczynnik rozszerzalności cieplnej, mniejszy niż pierwszy współczynnik rozszerzalności cieplnej przedniej osłony (36) i mniejszy niż drugi współczynnik rozszerzalności cieplnej tylnej uszczelki (42) oraz mniejszy niż trzeci współczynnik rozszerzalności cieplnej uszczelniającego elementu ustalającego (44), przy czym wkładka (32, 34, 132, 134) zespołu komory spalania umieszczona pomiędzy przednią osłoną (36) i tylną uszczelką (42) z przymocowanym uszczelniającym elementem ustalającym (44) ma usytuowanie przy którym możliwe jest zróżnicowanie rozszerzalności cieplnej ceramicznej wkładki (32, 34, 132, 134) komory spalania, przedniej osłony (36) i tylnej uszczelki (42) z przymocowanym uszczelniającym elementem ustalającym (44).

2. Zespół według zastrz. 1; znamienny tym, że wkładki (32, 34, 132, 134) komory spalania stanowią wewnętrzną wkładkę (32, 132) i zewnętrzną wkładkę (34, 134) zespołu komory spalania.

3. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że wkładka (32, 34, 132, 134) komory spalania jest z karboksymetylocelulozy (CMC), mającego osnowę z krzemionki.

4. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że wkładka (32, 34, 132, 134) zespołu komory spalania zawiera karboksymetylocelulozę (CMC) mającą osnowę z tlenku glinu.

5. Zespół według zastrz. 1, znamienny tym, że wkładki (32, 132, 34, 134) zespołu komory spalania są zamocowane do wsporników kołpakowych (140, 141) wkładki za pomocą elementów mocujących, a ponadto zespół zawiera metaliczny wewnętrzny wspornik kołpakowy (141) mający wspornik (152) wkładki wewnętrznej zamocowany do przedniej osłony (136), przy czym wspornik (152) wkładki wewnętrznej ma szczelinę (154) rozszerzania, zaś metaliczny wspornik kołpakowy (140) zewnętrzny zawiera wspornik (153) wkładki zewnętrznej zamocowany do przedniej osłony (136), przy czym wspornik (153) wkładki zewnętrznej ma szczelinę rozszerzania (154), zaś do wsporników kołpakowych (140, 141) jest zamocowana co najmniej jedna dysza zawirowywacza (148), który stanowi zawirowywacz mieszania paliwa i powietrza i rozpoczęcia spalania paliwa oraz skierowania gorących gazów spalania do komory spalania, oraz do części turbiny silnika z turbiną gazową, natomiast do uszczelki (42, 142) jest zamocowany co najmniej jeden metaliczny uszczelniający element ustalający (138), mający usytuowanie przy którym pomiędzy tylną uszczelką (42, 142) i co najmniej jednym elementem ustalającym (138) jest ukształtowana szczelina (172), przy czym wewnętrzna ściana komory spalania (30, 130) jest uformowana z ceramicznej wewnętrznej wkładki (32, 132) komory spalania i mającej przednie i tylne zamocowanie w postaci kołnierza, rozciągającego się od linii środkowej zespołu komory spalania (30, 130), zaś wkładka (32, 132) jest ułożona pomiędzy wewnętrznym wspornikiem

PL 203 961 B1 kołpakowym (141) i co najmniej jedną tylną uszczelką (142), przy czym przednie zamocowanie wkładki (132) komory spalania jest zespolone w szczelinie (154) rozszerzania we wsporniku (152) wkładki wewnętrznej i w tylnym zamocowaniu, wpasowanym w szczelinę (172) pomiędzy tylną uszczelką (142) i co najmniej jednym uszczelniającym elementem ustalającym (138), a ponadto zewnętrzna ściana komory spalania (30, 130) jest uformowana poprzez ceramiczną zewnętrzną wkładkę (134) komory spalania mającą przednie zamocowania w postaci kołnierza, rozciągającego się od linii środkowej zespołu komory spalania, przy czym wkładka (134) jest ułożona pomiędzy zewnętrznym wspornikiem kołpakowym (140) i co najmniej jedną tylną uszczelką (142), a przednie zamocowanie wkładki (132) komory spalania, jest zespolone ze szczeliną rozszerzania (154) wspornika (152) wkładki wewnętrznej i tylnego zamocowania dopasowanego do szczeliny (172) pomiędzy tylną uszczelką (142) i co najmniej jednym uszczelniającym elementem ustalającym (138).

6. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że elementy mocujące wkładek (32, 132, 34, 134) zespołu komory spalania (30, 130) do wsporników (140, 141) wkładki zawierają łączniki (150), które rozciągają się poprzez otwory we wkładkach zespołu komory spalania, przy czym wkładki (32, 132, 34, 134) są ruchome w kierunku osiowym łączników (150).

7. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że szczeliny rozszerzania (154) usytuowane we wspornikach wkładki są szczelinami do wprowadzania powietrza chłodzenia warstwowego wewnętrznej powierzchni wkładek ceramicznych.

8. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że kołnierz wewnętrznej wkładki (132) ma uformowane rowki promieniowe (170), które stanowią rowki do umieszczania wewnętrznej wkładki pomiędzy tylną uszczelką (142) i uszczelniającym elementem ustalającym (138), przy czym tylna uszczelka (142) i uszczelniający element ustalający (138) są ruchome w odniesieniu do wkładki.

9. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że kołnierz zewnętrznej wkładki (134) zawiera rowki promieniowe (170), które stanowią rowki do umieszczania zewnętrznej wkładki (134) pomiędzy tylną uszczelką (142) i uszczelniającym elementem ustalającym (138) przy czym tylna uszczelka (142) i uszczelniający element ustalający (138) są ruchome w odniesieniu do wkładki.

10. Zespół według zastrz. 5, znamienny tym, że ceramiczna wkładka (132) i zewnętrzne wkładki (134) są z materiału z kompozytu na osnowie ceramicznej.