RU2266477C2

RU2266477C2 - Камера сгорания (варианты)

Info

Publication number: RU2266477C2
Application number: RU2001106166/06A
Authority: RU
Inventors: Уэйн Гарси ЭДМОНДСОН (US); Уэйн Гарсия ЭДМОНДСОН; Джеймс Дэйл СТЕЙБЕЛ (US); Джеймс Дэйл СТЕЙБЕЛ; Гарольд Рэй ХАНСЕЛ (US); Гарольд Рэй ХАНСЕЛ
Original assignee: Дженерал Электрик Компани
Priority date: 2000-05-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2005-12-20
Also published as: EP1152191A2; DE60122819T2; JP5289653B2; DE60122819D1; EP1152191A3; PL346261A1; PL203961B1; US6397603B1; JP2001317739A; EP1152191B1

Abstract

Камера сгорания газотурбинного двигателя содержит передний капот, выполненный из металлического материала, способного выдерживать повышенные температуры горения в окислительной и коррозионно-активной атмосфере, имеющий первый коэффициент теплового расширения. Заднее уплотнение, прикрепленное к держателю уплотнения, имеет второй коэффициент теплового расширения. Держатель уплотнения имеет третий коэффициент теплового расширения. Каждое из них сделано из металлического материала, способного выдерживать повышенные температуры горения в окислительной и коррозионно-активной атмосфере. Оболочка камеры сгорания сделана из керамического связующего композиционного материала, способного выдерживать повышенные температуры горения в окислительной и коррозионно-активной атмосфере, и имеет четвертый коэффициент теплового расширения, который меньше первого коэффициента теплового расширения переднего капота, и меньше второго коэффициента теплового расширения заднего уплотнения, и меньше третьего коэффициента теплового расширения держателя уплотнения. Оболочка камеры сгорания расположена между передним капотом и задним уплотнением с прикрепленным держателем уплотнения таким образом, чтобы допустить дифференциальное тепловое расширение керамической оболочки камеры сгорания, переднего капота и заднего уплотнения с прикрепленным держателем уплотнения без введения напряжения в оболочку, достаточного для поломки оболочки в результате дифференциального теплового расширения при повышенных температурах. Изобретение снижает термические напряжения в оболочках камеры сгорания и сопрягаемых деталях. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 17 ил.

Description

Данное изобретение касается камер сгорания, используемых в газотурбинных двигателях, и в частности, камер сгорания, имеющих оболочку из керамического связующего материала, которые могут взаимодействовать с узлами двигателя, сделанными из различных материалов, имеющих неодинаковые тепловые характеристики.

Усовершенствования технологии изготовления и материалов являются ключом для улучшения характеристик и снижения затрат для многих изделий. Например, непрерывные и часто взаимосвязанные усовершенствования процессов и материалов привели к главным улучшениям характеристик авиационных газотурбинных двигателей. Одно из наиболее требуемых применений для материалов можно найти в узлах, используемых в авиационных реактивных двигателях. Двигатель можно делать более эффективным в результате пониженного удельного расхода топлива при выделении более низких выбросов в окружающую среду благодаря работе при более высоких температурах. Среди критических в настоящее время ограничений на достижимые рабочие температуры двигателя являются материалы, используемые в самых горячих зонах двигателя, которые включают в себя участок камеры сгорания двигателя и участки двигателя за участком камеры сгорания, включая участок турбины двигателя.

Температуры в участке камеры сгорания двигателя могут достигать 3500°F (1926,7°С), в то время как материалы, используемые для узлов камеры сгорания, могут выдерживать температуры в диапазоне 2200-2300°F (1204,4-1260,0°С). Таким образом, усовершенствования высокотемпературных характеристик материалов, предназначенных для использования в авиационных двигателях, могут приводить к усовершенствованиям эксплуатационных характеристик двигателя.

Одним из участков двигателя, в котором требуется более высокая рабочая температура, чтобы можно было достичь полной рабочей температуры двигателя, является камера сгорания. Здесь топливо смешивается с воздухом и воспламеняется, а продукты сгорания используются для тяги двигателя. Камеры сгорания содержат ряд критических узлов, включая, но не ограничиваясь этим, узел центробежной форсунки/обтекателя, уплотнения и оболочки. В прошлом эти узлы делали из металлов, имеющих аналогичные характеристики теплового расширения, и температурные усовершенствования выполняли путем использования покрытий, процессов охлаждения и их сочетаний. Однако, поскольку рабочие температуры продолжают увеличиваться, желательно вместо металлов использовать материалы с более высокотемпературными характеристиками. Тем не менее, такие замены, даже если они желательны, не всегда осуществимы. Например, как отмечено выше, камеры сгорания функционируют при различных температурах по всей области эксплуатационных режимов двигателя. Таким образом, когда различные материалы используются в смежных узлах камеры сгорания или даже в узлах рядом с камерой сгорания, в значительной степени несопоставимые коэффициенты теплового расширения в этих узлах могут приводить к сокращению срока службы узлов в результате термически наведенных напряжений, особенно когда имеются быстрые температурные колебания, которые могут также приводить к тепловому удару.

Концепция использования в газотурбинных двигателях в качестве конструктивных элементов нетрадиционных высокотемпературных материалов, типа керамических связующих композиционных материалов, не является новой. В патентах США №5488017, выданном 30 января 1996 г., и №5601674, выданном 11 февраля 1997 г., переуступленных правопреемнику настоящей заявки на патент, предложен способ изготовления узлов двигателя из керамических связующих узлов. Однако раскрытие не решает проблем, которые могут быть связаны с сопряжением деталей, имеющих различные характеристики теплового расширения.

Патенты США №5291732, выданный 8 марта 1994 г., №5291733, выданный 8 марта 1994 г., и №5285632, выданный 15 февраля 1994 г., переуступленные правопреемнику настоящей заявки на патент, касаются проблемы дифференциального теплового расширения между оболочками из керамического связующего композиционного материала камеры сгорания и сопрягаемыми деталями. В этом устройстве использован монтажный узел, имеющий опорный фланец с множеством разнесенных по окружности поддерживающих отверстий.

Кольцевая оболочка, также имеющая множество разнесенных по окружности монтажных отверстий, расположена соосно с фланцем. Оболочка прикреплена к фланцу штифтами, которые выравниваются через поддерживающие отверстия во фланце и через монтажные отверстия в оболочке. Расположение штифтов в монтажных отверстиях допускает неограниченное дифференциальное тепловое перемещение оболочки относительно фланца.

Настоящее изобретение обеспечивает альтернативное устройство для снижения или устранения термически наводимых напряжений в оболочках камеры сгорания и сопрягаемых деталях, допуская в то же время неограниченное тепловое расширение и сжатие оболочек камеры сгорания.

Настоящее изобретение обеспечивает камеру сгорания, имеющую оболочки, сделанные из керамических связующих композиционных материалов (КСКМ), которые способны выдерживать более высокие температуры, чем металлические оболочки. Керамические оболочки из связующего композиционного материала используются вместе с сопрягаемыми деталями, которые производятся из металлических материалов. Чтобы допустить использование камеры сгорания, имеющей оболочки, сделанные из материалов КСКМ, вместе с металлическими материалами, используемыми для сопрягающихся передних капотов и задних уплотнений с прикрепленным держателем уплотнения, в широком диапазоне температур камеры сгорания, камеру сгорания изготавливают таким образом, чтобы обеспечить возможность дифференциального теплового расширения различных материалов на их границах раздела таким способом, который в результате теплового расширения не вводит напряжения в оболочку.

Значительное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что конструкция сопряжения, которая позволяет осуществлять дифференциальное тепловое расширение различных материалов узлов, позволяет использовать керамические связующие композиционные материалы для оболочек камеры сгорания, устраняя тепловые напряжения, которые обычно сокращают продолжительность срока службы камер сгорания в результате дифференциального теплового расширения их частей. Использование оболочек КСКМ позволяет камерам сгорания функционировать при более высоких температурах с меньшим количеством охлаждающего воздуха, чем требуется для обычных металлических вкладышей. Более высокая температура функционирования приводит к снижению выделений NOX благодаря уменьшению количества несгоревшего воздуха из камеры сгорания.

Второе преимущество камеры сгорания по настоящему изобретению заключается в том, что оно направлено на проблемы, связанные с дифференциальным увеличением размеров деталей при повышенных температурах сопрягающихся частей из различных материалов.

Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что соединения сопряжения между оболочками КСКМ и опорами куполообразных обтекателей оболочек регулируют часть охлаждающего воздушного потока через соединение границ раздела, чтобы начать охлаждение пленки оболочки. Таким образом, охлаждающий воздушный поток через оболочку камеры сгорания не зависит исключительно от отверстий охлаждения, как в известных камерах сгорания, и для изготовления оболочек можно использовать технологию внедренного производства КСКМ.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения создана камера сгорания для использования в газотурбинном двигателе, содержащая: передний капот, выполненный из металлического материала, способного выдерживать повышенные температуры горения в окислительной и коррозионно-активной атмосфере, имеющий первый коэффициент теплового расширения; заднее уплотнение, прикрепленное к держателю уплотнения, причем заднее уплотнение имеет второй коэффициент теплового расширения, а держатель уплотнения имеет третий коэффициент теплового расширения, каждое из них сделано из металлического материала, способного выдерживать повышенные температуры горения в окислительной и коррозионно-активной атмосфере; и оболочку камеры сгорания, сделанную из керамического связующего композиционного материала, способного выдерживать повышенные температуры горения в окислительной и коррозионно-активной атмосфере, имеющую четвертый коэффициент теплового расширения, который меньше первого коэффициента теплового расширения переднего капота, и меньше второго коэффициента теплового расширения заднего уплотнения, и меньше третьего коэффициента теплового расширения держателя уплотнения, причем оболочка камеры сгорания расположена между передним капотом и задним уплотнением с прикрепленным держателем уплотнения таким образом, чтобы допустить дифференциальное тепловое расширение керамической оболочки камеры сгорания, переднего капота и заднего уплотнения с прикрепленным держателем уплотнения без введения напряжения в оболочку, достаточного для поломки оболочки в результате дифференциального теплового расширения при повышенных температурах.

Предпочтительно, камера сгорания включает в себя внутреннюю оболочку камеры сгорания и внешнюю оболочку камеры сгорания.

Предпочтительно, оболочка камеры сгорания представляет собой материал КСКМ, имеющий матрицу из диоксида кремния.

Предпочтительно, оболочка камеры сгорания дополнительно включает в себя материал КСКМ, имеющий волокно из карбида кремния, введенное в матрицу.

Предпочтительно, оболочка камеры сгорания представляет собой материалы КСКМ, имеющие матрицу из оксида алюминия.

Предпочтительно, оболочка камеры сгорания дополнительно включает в себя материал КСКМ, имеющий сапфировое волокно, введенное в матрицу.

Согласно второму аспекту изобретения создана камера сгорания для использования в газотурбинном двигателе, содержащая: по меньшей мере один металлический передний капот на переднем конце камеры сгорания; металлическую внутреннюю опору обтекателя, включающую опору внутренней оболочки, прикрепленную по меньшей мере к одному переднему капоту, причем опора внутренней оболочки включает расширяющееся отверстие; металлическую внешнюю опору обтекателя, включающую опору внешней оболочки, прикрепленную по меньшей мере к одному переднему капоту, причем опора внешней оболочки включает расширяющееся отверстие; центробежную топливную форсунку, прикрепленную к опорам обтекателей для смешивания топлива и воздуха, для инициирования сгорания топлива и направления горячих газообразных продуктов сгорания в камеру сгорания и затем в турбинный участок газотурбинного двигателя; по меньшей мере одно металлическое заднее уплотнение в заднем конце камеры сгорания; металлический задний держатель уплотнения, прикрепленный к заднему уплотнению так, чтобы между задним уплотнением и по меньшей мере одним задним держателем уплотнения был создан зазор; керамическую внутреннюю оболочку камеры сгорания, образующую внутреннюю стенку камеры сгорания и имеющую переднее крепление и заднее крепление в форме фланца, проходящего от средней линии камеры сгорания, причем оболочка проходит между внутренней опорой обтекателя и по меньшей мере одним задним уплотнением, переднее крепление оболочки камеры сгорания смонтировано в расширяющемся отверстии в опоре внутренней оболочки, а заднее крепление подогнано в зазор между задним уплотнением и по меньшей мере одним держателем заднего уплотнения; керамическую внешнюю оболочку камеры сгорания, образующую наружную стенку камеры сгорания и имеющую переднее крепление и заднее крепление в форме фланца, проходящего от средней линии камеры сгорания, причем оболочка проходит между камеры сгорания, причем оболочка проходит между внешней опорой обтекателя и по меньшей мере одним задним уплотнением, переднее крепление оболочки камеры сгорания скомпоновано в расширяющемся отверстии опоры оболочки, а заднее крепление подогнано в зазор между задним уплотнением и по меньшей мере одним держателем заднего уплотнения; и средства для крепления оболочек камеры сгорания к опорам оболочек.

Предпочтительно, средство для крепления оболочек камеры сгорания к опорам оболочек включает в себя крепежные детали, которые проходят через отверстие в оболочках камеры сгорания, обеспечивая возможность перемещения оболочек в осевом направлении крепежных деталей, с целью компенсации дифференциального увеличения размеров при повышенных температурах между обтекателями опор оболочек и оболочками из-за температурных изменений.

Предпочтительно, крепежные детали включают в себя штифты.

Предпочтительно, крепежные детали включают в себя снабженные резьбой элементы.

Предпочтительно, воздух вводится в расширяющемся зазоре в опорах оболочек для обеспечения пленочного охлаждения пленки внутренней поверхности керамических вкладышей.

Предпочтительно, фланец внутренней оболочки включает в себя множество радиальных пазов для расположения внутренней оболочки между задним уплотнением и держателем заднего уплотнения и обеспечения возможности перемещения заднего уплотнения и держателя заднего уплотнения относительно оболочки для компенсации дифференциального увеличения размеров при повышенных температурах между задним уплотнением, держателем заднего уплотнения и оболочкой, вызванное температурными изменениями.

Предпочтительно, внутренняя оболочка удерживается в местоположении внутри зазора между задним уплотнением и держателем заднего уплотнения с помощью крепежной детали, проходящей через каждое отверстие в заднем уплотнении, каждое отверстие в держателе заднего уплотнения и радиальный паз во фланце внутренней оболочки.

Предпочтительно, держатель заднего уплотнения включает в себя зазор для обеспечения возможности перемещения среди внутренней оболочки, заднего держателя и держателя заднего уплотнения.

Предпочтительно, фланец внешней оболочки включает в себя множество радиальных пазов для расположения внутренней оболочки между задним уплотнением и держателем заднего уплотнения и обеспечения возможности перемещения заднего уплотнения и держателя заднего уплотнения относительно оболочки для компенсирования дифференциального увеличения размеров при повышенных температурах между задним уплотнением, держателем заднего уплотнения и оболочкой, вызванного температурными изменениями.

Предпочтительно, внешняя оболочка удерживается в местоположении внутри зазора между задним уплотнением и держателем заднего уплотнения с помощью крепежной детали, проходящей через каждое отверстие в заднем уплотнении, каждое отверстие в держателе заднего уплотнения и радиальный паз во фланце внешней оболочки.

Предпочтительно, держатель заднего уплотнения содержит зазор для обеспечения возможности перемещения между внешней оболочкой, задним держателем и держателем заднего уплотнения.

Предпочтительно, керамические внутренняя и внешняя оболочки представляют собой керамический связующий композиционный материал.

Предпочтительно, керамический связующий композиционный материал оболочек способен выдерживать повышенные температуры и коррозионно-активные и окислительные окружающие среды.

Предпочтительно, керамический связующий композиционный материал оболочек состоит из укрепленного волокном материала матрицы из диоксида кремния.

Предпочтительно, керамический связующий композиционный материал оболочек дополнительно включает керамические частицы.

Предпочтительно, в оболочках волоконное укрепление представляет собой устойчивые к окислению элементарные волокна.

Другие особенности и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из последующего более подробного описания предпочтительного варианта осуществления, приведенного вместе с прилагаемыми чертежами, которые поясняют, посредством примера, принципы изобретения и на которых

Фиг.1 представляет схематический вид в поперечном разрезе известной камеры сгорания с двойным обтекателем, сделанной из металлических материалов.

Фиг.2 представляет схематический вид в поперечном разрезе внутренней и внешней оболочек, сделанных из керамического связующего композиционного материала, смонтированных в обычной металлической камере сгорания с двойным обтекателем.

Фиг.3 представляет схематический вид в поперечном разрезе внутренней и внешней оболочек, сделанных из керамического связующего композиционного материала, прикрепленных к металлической камере сгорания с единственным обтекателем.

Фиг.4 представляет частичное схематическое изображение внутренней оболочки из керамического связующего композиционного материала, показанной на фиг.2 или 3, смонтированной для сопряжения металлических частей, когда двигатель горячий.

Фиг.5 представляет частичное схематическое изображение внешней оболочки из керамического связующего композиционного материала, показанной на фиг.2 или 3, смонтированной для сопряжения металлических частей, когда двигатель холодный.

Фиг.6 представляет частичное схематическое изображение внутренней оболочки из керамического связующего композиционного материала, показанной на фиг.2 или 3, смонтированной для сопряжения металлических частей с двигателем в холодном состоянии.

Фиг.7 представляет частичное схематическое изображение внешней оболочки из керамического связующего композиционного материала, показанной на фиг.2 или 3, смонтированной для сопряжения металлических частей с двигателем в горячем эксплуатационном режиме.

Фиг.8 представляет частичное схематическое изображение внутренней оболочки из керамического связующего композиционного материала, прикрепленной к металлической опоре, показывающее воздушный поток через обтекатель и капот и вокруг них в горячем состоянии.

Фиг.9 представляет частичное схематическое изображение внутренней оболочки из керамического связующего композиционного материала, прикрепленной к металлической опоре, показывающее воздушный поток через обтекатель и капот и вокруг них при холодном состоянии двигателя.

Фиг.10 представляет частичное схематическое изображение внешней оболочки из керамического связующего композиционного материала, прикрепленной к металлической опоре, показывающее воздушный поток через обтекатель и капот и вокруг них в холодном состоянии и при условии запуска двигателя.

Фиг.11 представляет частичное схематическое изображение внешней оболочки из керамического связующего композиционного материала, прикрепленной к металлической опоре, показывающее воздушный поток через обтекатель и капот и вокруг них при горячих эксплуатационных условиях двигателя.

Фиг.12 представляет частичное схематическое изображение внутренней оболочки КСКМ, прикрепленной к металлическому заднему уплотнению, при холодном состоянии двигателя и при условиях запуска двигателя.

Фиг.13 представляет частичное схематическое изображение внутренней оболочки КСКМ, прикрепленной к металлическому заднему уплотнению при горячем эксплуатационном состоянии двигателя.

Фиг.14 представляет частичное схематическое изображение внешней оболочки КСКМ, прикрепленной к металлическому заднему уплотнению, при холодном состоянии и при условиях запуска двигателя.

Фиг.15 представляет частичное схематическое изображение внешней оболочки КСКМ, прикрепленной к металлическому заднему уплотнению, при горячих эксплуатационных условиях двигателя.

Фиг.16 представляет 360° вид в разрезе сзади по направлению вперед, изображающий задний фланец внутренней оболочки КСКМ с радиальными пазами, индивидуальными держателями уплотнения и секцией заднего уплотнения.

Фиг.17 представляет увеличенный вид участка секции, показанной на фиг.16, изображающий задний фланец внутренней оболочки из керамического связующего композиционного материала с радиальными пазами, индивидуальными держателями уплотнения и секцией заднего уплотнения.

Везде, где это возможно, одни и те же ссылочные позиции используются на всех чертежах для указания одних и тех же деталей.

Настоящее изобретение обеспечивает камеру сгорания, которая включает в себя оболочки из керамических связующих композиционных материалов (КСКМ), которые могут функционировать при более высоких температурах, чем обычные камеры сгорания, но которые допускают дифференциальное увеличение размеров при повышенных температурах сопряженных частей из различных материалов.

Фиг.1 представляет схематический вид в разрезе известной камеры сгорания 10 с двойным обтекателем, сделанной из обычных металлических материалов. В этой конструкции внутренняя оболочка 12 и внешняя оболочка 14 проходят от передних капотов 16 до задних держателей 18 уплотнений. Поскольку камера сгорания с двойным обтекателем сделана из металлических материалов, имеющих способность выдерживать высокие температуры и идентичные или подобные коэффициенты теплового расширения, конструкция не должна учитывать дифференциальное увеличение размеров при повышенных температурах, так как узлы камеры сгорания расширяются и сжимаются по существу в одинаковой степени. Поскольку конструкция не учитывает дифференциальное тепловое расширение узлов, образующих камеру сгорания, невозможно просто заменить существующие металлические оболочки 12, 14 камеры сгорания на оболочки, сделанные из материала КСКМ, так как дифференциальное тепловое расширение между частями вводит серьезные тепловые напряжения, которые сокращают срок службы камеры сгорания.

Фиг.2 представляет схематический вид в поперечном разрезе камеры 30 сгорания с двойным обтекателем по настоящему изобретению, имеющей внутреннюю оболочку 32 и внешнюю оболочку 34, сделанные из материалов КСКМ. Конструкция состоит из двух металлических передних капотов 36 на переднем конце камеры сгорания, прикрепленных к опорам 40 обтекателей оболочек. Внутренняя и внешняя оболочки 32, 34 проходят между опорами 40 обтекателей оболочек и задними уплотнениями 42. Оболочки прикреплены к заднему уплотнению 42 держателем 44 уплотнения и крепежными деталями 46. Показанная на фиг.2 камера 30 сгорания включает в себя пару центробежных топливных форсунок 48.

Фиг.3 представляет схематический вид в разрезе камеры 130 сгорания с единственным обтекателем по настоящему изобретению, имеющей внутреннюю оболочку 132 и внешнюю оболочку 134, сделанные из материалов КСКМ. Конструкция состоит из двух металлических передних капотов 136 на переднем конце камеры сгорания, прикрепленных к опорам 140 обтекателей оболочек. Внутренняя и внешняя оболочки 132, 134 проходят между опорой 140 обтекателя внешней оболочки и задним уплотнением 142 и опорой 141 обтекателя внутренней оболочки и задним уплотнением 142. Оболочки прикреплены к заднему уплотнению 142 держателями 138 уплотнения и крепежными деталями 146. Показанная на фиг.2 камера 130 сгорания включает в себя единственную центробежную топливную форсунку 148.

Функционирование камеры 30 сгорания с двойным обтекателем и камеры 130 сгорания с единственным обтекателем в принципе аналогично. Для простоты ссылка будет сделана на фиг.3 для камеры 130 сгорания с единственным обтекателем. Передние капоты 136 образуют полость с целью обеспечения возможности протекания воздуха в камеру сгорания из участка компрессора двигателя (не показанного). Опоры 140 обтекателя оболочек обеспечивают переднюю опору камеры сгорания и монтажные поверхности для центробежной топливной форсунки 148. Опоры обтекателей оболочек также служат в качестве точек крепления для одного конца внутренней и внешней оболочек 132, 134 соответственно. Опоры обтекателей оболочек также снабжены отверстиями охлаждения для охлаждения пленки оболочек. Внутренняя и внешняя оболочки 132, 134 являются внутренней и наружной стенками камеры сгорания. Пламя образуется позади центробежной топливной форсунки 148 и проходит назад в направлении заднего уплотнения 142. Заднее уплотнение 142 образует уплотняющую поверхность на выходе камеры сгорания, для предотвращения проникновения воздуха с высокой температурой и давлением в сопло турбины высокого давления (не показанное) через стык между оболочками 132, 134 и задними уплотнениями. Оболочки прикреплены к заднему уплотнению крепежными деталями 146.

Фиг.9 и 10 представляют увеличенные схематические изображения показанного на фиг.3 крепления внутренней и внешней оболочек из керамического связующего композиционного материала к их соответственным металлическим опорам, показывающие прохождение воздушного потока через обтекатель и капот и вокруг них в холодном состоянии и в состоянии запуска двигателя. Стрелки показывают направление и путь прохождения воздушного потока. Рассмотрим фиг.9, на которой внутренняя оболочка 132 скомпонована с помощью крепежных штифтов 150 с опорой 152 внутренней оболочки. Крепежные штифты 150 обеспечивают осевое расположение оболочки 132. Дополнительно крепежные штифты 150 обеспечивают возможность компенсации дифференциального увеличения размеров при повышенных температурах между оболочкой 132, сделанной из КСКМ, и металлическим креплением опоры 141 обтекателя внутренней оболочки. Некоторая часть воздуха из компрессора проходит наружу вокруг капота 136 и вдоль внешней стороны внутренней оболочки 132. Некоторая часть воздуха проходит между отверстием или зазором 154 между внутренней оболочкой 132 и опорой 152 внутренней оболочки и вдоль внутренней поверхности 156 оболочки 132, чтобы обеспечить охлаждение. Дополнительный воздух направляется в капот 136. Некоторая часть воздуха проходит в полость 158 и в центробежную форсунку, для поддержания горения контролируемого по расходу топлива, в центробежную топливную форсунку. Дополнительно воздух проходит через отверстие 160 в канал 164, охлаждая капот и центробежную форсунку, где он направляется вдоль внутренней поверхности 156 оболочки 132. Устройство на фиг.10 представляет собой по существу зеркальное изображение фиг.8, за исключением того, что оно изображает внешнюю оболочку 134 и опору 153 внешней оболочки. Количество и соотношение охлаждающего воздушного потока, проходящего через зазор 154 и канал 164 в холодном состоянии двигателя, не настолько критические, как в горячем состоянии двигателя.

Фиг.8 и 11 представляют увеличенные частичные схемные решения, соответствующие фиг.9 и 10, крепления внутренней оболочки из керамического связующего композиционного материала и внешней оболочки, смонтированных с их соответственными металлическими опорами, изображая прохождение воздушного потока через обтекатель и капот и вокруг них в горячем состоянии двигателя. Стрелки показывают направление и путь прохождения воздушного потока. Рассмотрим фиг.8 для внутренней оболочки, на которой в результате дифференциального теплового расширения зазор 154 становится меньше, когда оболочка 132 перемещается в осевом направлении наружу относительно опоры 152 внутренней оболочки, и количество охлаждающего воздуха, перемещающегося через зазор 154, уменьшается, поскольку оболочка 132 и опора 152 внутренней оболочки расширяются с различными скоростями. Но зазор 154 сконструирован так, чтобы учитывать это дифференциальное расширение и предотвращать введение серьезных напряжений в оболочку 132. Как можно заметить и как уже отмечалось выше, крепежные штифты 150, которые предусмотрены для осевого расположения оболочки 132, дополнительно обеспечивают возможность компенсации дифференциального увеличения размеров при повышенных температурах между оболочкой 132, сделанной из КСКМ, и металлическим креплением опорного обтекателя 141 внутренней оболочки. Некоторая часть воздуха из компрессора протекает снаружи вокруг капота 136 и вдоль наружной стороны внутренней оболочки 132. Дополнительный воздух, проходящий через отверстие 160 в канал 164 и по нему к внутренней поверхности 156 оболочки, также уменьшается в результате дифференциального теплового расширения оболочки 132 КСКМ по направлению наружу относительно опоры 152 внутренней оболочки. Это повышенное охлаждение уравновешивает потери охлаждения через зазор 154. Устройство на фиг.11 внешней оболочки представляет по существу зеркальное изображение фиг.9 внутренней оболочки, за исключением того, что внешняя оболочка 134 и опора 153 внешней оболочки заменены на внутреннюю оболочку 132 и опору внутренней оболочки. Однако здесь перемещение внешней оболочки относительно опоры внешней оболочки происходит в противоположном направлении, и дополнительный воздух, проходящий через зазор 154, компенсирует потери охлаждающего воздуха через канал 164.

Дифференциальное тепловое расширение между оболочками 132, 134 КСКМ и задними уплотнениями 142 камеры сгорания также обеспечено устройством по настоящему изобретению. Обратимся теперь к фиг.12 и 14, которые являются частичными схемными решениями крепления внутренней и внешней оболочек КСКМ к металлическому заднему уплотнению соответственно в холодном состоянии двигателя и в состоянии запуска двигателя. Устройства креплений внутренней и внешней оболочек на фиг.12 и 14 по существу идентичны, за исключением нумерации узлов внутренней и внешней оболочек. Для простоты ссылки сделаны на фиг.12 и узлы внутренней оболочки, и должно быть понятно, что устройство узлов внешней оболочки является по существу аналогичным. Внутренняя оболочка 132, сделанная из КСКМ, расположена между металлическим держателем 138 уплотнения и металлическим задним уплотнением 142. Внутренняя оболочка 132 расположена между металлическим держателем 138 уплотнения и задним уплотнением 142 с помощью крепежной детали 146, предпочтительно заклепки. Небольшие пазы 170 и зазоры 172 держателя конструируют в соединении между оболочкой 132, держателем 138 и уплотнением 142, чтобы учитывать дифференциальное расширение. Между оболочкой 132 и держателем 138 уплотнения сделаны пазы 170, чтобы учитывать расширение заднего уплотнения 142 и соответствующее перемещение крепежных деталей 146, предпочтительно металлических заклепок, в то время как между держателем 138 и уплотнением 142 предусмотрены зазоры 172 держателей, чтобы допускать перемещение между задним уплотнением 142, держателем 138 и оболочкой 132. Фиг.13 и 15 иллюстрируют действие дифференциального теплового расширения внутренней и внешней оболочек соответственно уплотнения и держателя уплотнения.

Фиг.16 представляет 360° вид сзади в разрезе по направлению вперед, изображающий задний фланец внутренней оболочки КСКМ с радиальными пазами, отдельные держатели уплотнения и секцию заднего уплотнения, тогда как фиг.17 представляет увеличенный вид участка секции, показанной на фиг.16, изображающий задний фланец внутренней оболочки из керамического связующего композиционного материала с радиальными пазами, отдельные держатели уплотнения и секцию заднего уплотнения. Поскольку пазы 170 и зазоры 172 сконструированы для того, чтобы учитывать дифференциальное тепловое расширение различных материалов деталей, пазы 170 и зазоры 172 становятся значительно меньше в горячем состоянии двигателя; однако напряжения в оболочке, которые в противном случае происходили бы из-за дифференциального теплового расширения материалов, устраняются.

Материалы, обычно используемые как для переднего участка капота камеры сгорания, так и для заднего уплотнения и держателей уплотнения, представляют собой материалы суперсплавов, которые способны выдерживать повышенные температуры и коррозионно-активную и окислительную атмосферу горячих газообразных продуктов горения, испытываемые в атмосфере камеры сгорания. Эти материалы суперсплавов обычно представляют собой основанные на никеле суперсплавы, специально разработанные, чтобы обеспечить увеличенный срок службы в такой атмосфере, имеющие коэффициент теплового расширения приблизительно (8,8-9,0)×10^-6дюйм/дюйм/°F ((1,01-1,04)×10^-2 мм/мм/°С), или основанные на кобальте суперсплавы, имеющие коэффициент теплового расширения приблизительно (9,2-9,4)×10^-6 дюйм/дюйм/°F ((1,06-1,08)×10^-2мм/мм/°С). Композиционные материалы КСКМ, используемые для оболочек камеры сгорания, обычно представляют собой связующие материалы из карбида кремния, диоксида кремния или оксида алюминия и их комбинации. Способ производства материала КСКМ обычно включает в себя процесс инфильтрации расплава. Например, металлический кремний инфильтруют в виде расплава в волоконную заготовку, удерживающую заранее смонтированное волокно. Процесс инфильтрации расплава обычно приводит к наличию неизмененного остаточного кремния в матрице SiC. В матрицу вводятся керамические волокна типа устойчивых к окислению укрепляющих волокон, включающих элементарные волокна, подобные сапфиру и карбиду кремния, типа Текстрона (Textron) SCS-6, а также ровницы и пряжи, включающих карбид кремния типа Nippon Carbon's NICALON®, в частности, HI-NICALON® и HI-NICALON-S®, Ube Industries' TYRANNO®, в частности, TYRANNO® ZMI и TYRANNO® SA, и Dow Coming's SYLRAMIC®, и алюмосиликаты типа Nextel's 440 и 480, и нарезанные нитевидные кристаллы и волокна типа Nextel's 440 и SAFFIL®, и необязательно, керамические частицы типа оксидов Si, Al, Zr, Y и их комбинаций и неорганические наполнители типа пирофиллита, волластонита, слюды, талька, кианита и монтмориллонита. Пример типичных материалов КСКМ и способов создания таких композиционных материалов иллюстрируется в патенте США №5601674, выданном Милларду и др.11 февраля 1997 г. и переуступленном правопреемнику настоящей заявки на патент, включенном здесь путем ссылки. Материалы КСКМ обычно имеют коэффициенты теплового расширения в диапазоне приблизительно от 1,3×10^-6дюйм/дюйм/°F (0,15×10^-2 мм/мм/°С) до приблизительно 2,8×10^-6 дюйм/дюйм/°F (0,32×10^-2 мм/мм/°С). В предпочтительном варианте осуществления оболочки состоят из волокон карбида кремния, введенных в виде инфильтрованного расплава в матрицу карбида кремния.

Фиг.5 и 6 представляют частичные схемы внешней и внутренней оболочек из керамического связующего композиционного материала, соответственно показанных на фиг.2 или 3, смонтированных для сопряжения металлических частей, когда двигатель холодный. Теперь можно лучше понять назначение зазоров между оболочками КСКМ в области крепления оболочек к задним уплотнениям относительно фиг.12 и 14 и в области крепления к опорным обтекателям оболочек относительно фиг.9 и 10. Эти зазоры можно сравнивать с зазорами на фиг.4 и 7, которые представляют частичные схемы внутренней и внешней оболочек из керамического связующего композиционного материала, собранных для сопряжения металлических частей с двигателем в горячем эксплуатационном режиме. Более подробную ссылку можно также сделать на фиг.8, 11, 13 и 15 для горячих эксплуатационных условий камеры сгорания по настоящему изобретению.

Хотя настоящее изобретение было описано в связи с определенными примерами и вариантами осуществления, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение обеспечивает возможность других видоизменений и модификаций, не выходя при этом за его объем. Эти примеры и варианты осуществления предполагаются в качестве типичных, а не ограничивающих каким-то образом объем настоящего изобретения, представленный в прилагаемой формуле изобретения.

Claims

1. Камера сгорания для использования в газотурбинном двигателе, содержащая

передний капот, выполненный из металлического материала, способного выдерживать повышенные температуры горения в окислительной и коррозионно-активной атмосфере, имеющий первый коэффициент теплового расширения,

заднее уплотнение, прикрепленное к держателю уплотнения, причем заднее уплотнение имеет второй коэффициент теплового расширения, а держатель уплотнения имеет третий коэффициент теплового расширения, каждое из них сделано из металлического материала, способного выдерживать повышенные температуры горения в окислительной и коррозионно-активной атмосфере, и

оболочку камеры сгорания, сделанную из керамического связующего композиционного материала, способного выдерживать повышенные температуры горения в окислительной и коррозионно-активной атмосфере, имеющую четвертый коэффициент теплового расширения, который меньше первого коэффициента теплового расширения переднего капота, и меньше второго коэффициента теплового расширения заднего уплотнения, и меньше третьего коэффициента теплового расширения держателя уплотнения, причем оболочка камеры сгорания расположена между передним капотом и задним уплотнением с прикрепленным держателем уплотнения таким образом, чтобы допустить дифференциальное тепловое расширение керамической оболочки камеры сгорания, переднего капота и заднего уплотнения с прикрепленным держателем уплотнения без введения напряжения в оболочку, достаточного для поломки оболочки в результате дифференциального теплового расширения при повышенных температурах.

2. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что камера сгорания включает в себя внутреннюю оболочку камеры сгорания и внешнюю оболочку камеры сгорания.

3. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что оболочка камеры сгорания представляет собой материал КСКМ, имеющий матрицу из диоксида кремния.

4. Камера сгорания по п.3, отличающаяся тем, что оболочка камеры сгорания дополнительно включает в себя материал КСКМ, имеющий волокно из карбида кремния, введенное в матрицу.

5. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что оболочка камеры сгорания представляет собой материал КСКМ, имеющий матрицу из оксида алюминия.

6. Камера сгорания по п.5, отличающаяся тем, что оболочка камеры сгорания дополнительно включает в себя материал КСКМ, имеющий сапфировое волокно, введенное в матрицу.

7. Камера сгорания для использования в газотурбинном двигателе, содержащая,

по меньшей мере, один металлический передний капот на переднем конце камеры сгорания,

металлическую внутреннюю опору обтекателя, включающую опору внутренней оболочки, прикрепленную, по меньшей мере, к одному переднему капоту, причем опора внутренней оболочки включает расширяющееся отверстие,

металлическую внешнюю опору обтекателя, включающую опору внешней оболочки, прикрепленную, по меньшей мере, к одному переднему капоту, причем опора внешней оболочки включает расширяющееся отверстие,

центробежную топливную форсунку, прикрепленную к опорам обтекателей для смешивания топлива и воздуха, для инициирования сгорания топлива и направления горячих газообразных продуктов сгорания в камеру сгорания и затем в турбинный участок газотурбинного двигателя,

по меньшей мере, одно металлическое заднее уплотнение в заднем конце камеры сгорания,

металлический задний держатель уплотнения, прикрепленный к заднему уплотнению так, чтобы между задним уплотнением и, по меньшей мере, одним задним держателем уплотнения был создан зазор,

керамическую внутреннюю оболочку камеры сгорания, образующую внутреннюю стенку камеры сгорания и имеющую переднее крепление и заднее крепление в форме фланца, проходящего от средней линии камеры сгорания, причем оболочка проходит между внутренней опорой обтекателя и, по меньшей мере, одним задним уплотнением, переднее крепление оболочки камеры сгорания смонтировано в расширяющемся отверстии в опоре внутренней оболочки, а заднее крепление подогнано в зазор между задним уплотнением и, по меньшей мере, одним держателем заднего уплотнения,

керамическую внешнюю оболочку камеры сгорания, образующую наружную стенку камеры сгорания и имеющую переднее крепление и заднее крепление в форме фланца, проходящего от средней линии камеры сгорания, причем оболочка проходит между внешней опорой обтекателя и, по меньшей мере, одним задним уплотнением, переднее крепление оболочки камеры сгорания скомпоновано в расширяющемся отверстии опоры оболочки, а заднее крепление подогнано в зазор между задним уплотнением и, по меньшей мере, одним держателем заднего уплотнения, и

средства для крепления оболочек камеры сгорания к опорам оболочек.

8. Камера сгорания по п.7, отличающаяся тем, что средство для крепления оболочек камеры сгорания к опорам оболочек включает в себя крепежные детали, которые проходят через отверстие в оболочках камеры сгорания, обеспечивая возможность перемещения оболочек в осевом направлении крепежных деталей с целью компенсации дифференциального увеличения размеров при повышенных температурах между обтекателями опор оболочек и оболочками из-за температурных изменений.

9. Камера сгорания по п.8, отличающаяся тем, что крепежные детали включают в себя штифты.

10. Камера сгорания по п.8, отличающаяся тем, что крепежные детали включают в себя снабженные резьбой элементы.

11. Камера сгорания по п.7, отличающаяся тем, что воздух вводится в расширяющийся зазор в опорах оболочек для обеспечения пленочного охлаждения пленки внутренней поверхности керамических вкладышей.

12. Камера сгорания по п.7, отличающаяся тем, что фланец внутренней оболочки включает в себя множество радиальных пазов для расположения внутренней оболочки между задним уплотнением и держателем заднего уплотнения и обеспечения возможности перемещения заднего уплотнения и держателя заднего уплотнения относительно оболочки для компенсации дифференциального увеличения размеров при повышенных температурах между задним уплотнением, держателем заднего уплотнения и оболочкой, вызванное температурными изменениями.

13. Камера сгорания по п.12, отличающаяся тем, что внутренняя оболочка удерживается в местоположении внутри зазора между задним уплотнением и держателем заднего уплотнения с помощью крепежной детали, проходящей через каждое отверстие в заднем уплотнении, каждое отверстие в держателе заднего уплотнения и радиальный паз во фланце внутренней оболочки.

14. Камера сгорания по п.12, отличающаяся тем, что держатель заднего уплотнения включает в себя зазор для обеспечения возможности перемещения среди внутренней оболочки, заднего держателя и держателя заднего уплотнения.

15. Камера сгорания по п.7, отличающаяся тем, что фланец внешней оболочки включает в себя множество радиальных пазов для расположения внутренней оболочки между задним уплотнением и держателем заднего уплотнения и обеспечения возможности перемещения заднего уплотнения и держателя заднего уплотнения относительно оболочки для компенсирования дифференциального увеличения размеров при повышенных температурах между задним уплотнением, держателем заднего уплотнения и оболочкой, вызванного температурными изменениями.

16. Камера сгорания по п.15, отличающаяся тем, что внешняя оболочка удерживается в местоположении внутри зазора между задним уплотнением и держателем заднего уплотнения с помощью крепежной детали, проходящей через каждое отверстие в заднем уплотнении, каждое отверстие в держателе заднего уплотнения и радиальный паз во фланце внешней оболочки.

17. Камера сгорания по п.12, отличающаяся тем, что держатель заднего уплотнения содержит зазор для обеспечения возможности перемещения между внешней оболочкой, задним держателем и держателем заднего уплотнения.

18. Камера сгорания по п.7, отличающаяся тем, что керамические внутренняя и внешняя оболочки представляют собой керамический связующий композиционный материал.

19. Камера сгорания по п.18, отличающаяся тем, что керамический связующий композиционный материал оболочек способен выдерживать повышенные температуры и коррозионно-активные и окислительные окружающие среды.

20. Камера сгорания по п.18, отличающаяся тем, что керамический связующий композиционный материал оболочек состоит из укрепленного волокном материала матрицы из диоксида кремния.

21. Камера сгорания по п.20, отличающаяся тем, что керамический связующий композиционный материал оболочек дополнительно включает керамические частицы.

22. Камера сгорания по п.20, отличающаяся тем, что в оболочках волоконное укрепление представляет собой устойчивые к окислению элементарные волокна.