Устройство охлаждения топливной форсунки камеры сгорания и топливная форсунка, содержащая это устройство (варианты)
Топливная форсунка для оснащенной двумя блоками топливных форсунок камеры сгорания турбомашины содержит первую топливоподающую трубку, к которой присоединен кольцевой сопловой наконечник для впрыска первичного топлива в камеру сгорания, вторую топливоподающую трубку, которая окружает указанную первую трубку и к которой присоединена цилиндрическая насадка для впрыска вторичного топлива в эту камеру сгорания. Насадка содержит кольцевую канавку, которая имеет диаметр, превышающий диаметр указанной второй топливоподающей трубки и проходит по всей ее длине. В устройстве по изобретению предусмотрена третья трубка, которая окружает указанную вторую трубку и к которой присоединен трубчатый разделительный элемент, введенный в указанную кольцевую канавку цилиндрической насадки таким образом, что он образует два кольцевых пространства, в которых охлаждающий агент может циркулировать до конца топливной форсунки в пределах 360° по всему поперечному сечению указанных пространств. Использование изобретения обеспечит защиту топливных систем и позволит избежать закоксования топливных форсунок выполнением эффективного охлаждения без значительных изменений габаритов форсунки. 4 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области впрыска топлива в турбомашинах, и в частности, к охлаждению основных топливных форсунок в камере сгорания таких турбомашин, оснащенной двумя блоками топливных форсунок.
Уровень техники
В камерах сгорания с двумя блоками топливных форсунок те топливные форсунки, которые обеспечивают пуск и фазы малого газа турбореактивного или турбовинтового двигателя (в дальнейшем - турбомашины) принято называть «пусковыми форсунками)), а те топливные форсунки, которые действуют в фазах крейсерского полета, - «основными, или рабочими)). К пусковым форсункам топливо подается постоянно, в то время как к основным топливным форсункам топливо подается, только начиная с определенного минимального режима (который обычно составляет от 10 до 30% номинального режима). Кроме того, во время некоторых режимов работы может функционировать только половина из них, а другая половина может быть временно выведена из функционирования.
В ходе фаз малого газа и тем более во время указанных режимов бездействия основных топливных форсунок необходимо охлаждать основные топливные форсунки, и в особенности их распылители или концевые части, которые проходят в камеру сгорания, для того, чтобы избежать их закоксовывания.
Для разрешения этой проблемы предлагались различные конструкции топливных форсунок. Так, в патентной заявке Франции №2721694 заявителем данной заявки раскрыта основная топливная форсунка с локальным охлаждением посредством потока топлива, подаваемого к основной топливной форсунке. Это топливо подается по центральному каналу до конца топливной форсунки и возвращается по кольцевому коаксиальному каналу.
Из патента США №6003781 известна основная топливная форсунка, оснащенная независимой системой охлаждения, при этом охлаждающий агент (охлаждающая текучая среда) подается до конца топливной форсунки по верхнему питающему каналу и возвращается по нижнему обратному каналу.
Эти известные из уровня техники устройства имеют один общий большой недостаток, состоящий в том, что в них охлаждение концевой части топливной форсунки осуществляется только локализованным образом, т.е. целые зоны остаются совсем без охлаждения. В результате этого в определенных условиях функционирования, в частности при повышенных температурах, например, порядка 900°С, эта концевая часть топливной форсунки оказывается охлаждаемой недостаточно, и соответственно процесс формирования кокса не предотвращается.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании системы охлаждения, которая позволяет избежать формирования кокса при высокой температуре в этих основных топливных форсунках. Таким образом, задачей изобретения является обеспечение общей защиты топливных систем в этих топливных форсунках. Другая задача изобретения состоит в том, чтобы выполнить эту систему простым образом и без значительного изменения занимаемого форсунками конструктивного пространства. Еще одной задачей изобретения является выполнение системы охлаждения, обладающей максимальной эффективностью в отношении отвода тепла, генерируемого топливом.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается созданием устройства охлаждения топливной форсунки, предназначенной для камеры сгорания турбомашины и содержащей средства подачи первичного топлива, содержащие первую топливоподающую трубку, к которой присоединен кольцевой сопловой наконечник с первыми сопловыми отверстиями для впрыска первичного топлива в указанную камеру сгорания, и средства подачи вторичного топлива, включающие в себя вторую топливоподающую трубку, которая окружает указанную первую трубку и к которой присоединена цилиндрическая насадка, окружающая указанный сопловой наконечник и содержащая вторые сопловые отверстия для выпуска вторичного топлива в указанную камеру сгорания. Указанная насадка дополнительно содержит кольцевую канавку, которая имеет диаметр, превышающий диаметр указанной второй топливоподающей трубки, и проходит по всей ее длине за пределы указанных первых сопловых отверстий. Устройство по изобретению содержит средства подачи охлаждающего агента, включающие в себя третью трубку, которая окружает указанную вторую топливоподающую трубку и к которой присоединен трубчатый разделительный элемент, введенный в указанную кольцевую канавку указанной цилиндрической насадки с образованием двух кольцевых пространств, в которых охлаждающий агент может циркулировать вплоть до конца топливной форсунки в пределах 360°.
Благодаря такой специальной конструкции равномерное охлаждение обеспечивается до самого конца соплового наконечника основной топливной форсунки, то есть до места наиболее повышенной температуры, и интегральным образом (в пределах 360°, т.е. по всему поперечному сечению указанных полостей), а не локально, как это имело место в известных устройствах уровня техники.
В оптимальном примере выполнения первая и вторая топливоподающие трубки и третья трубка коаксиальны, а кольцевой сопловой наконечник присоединен к указанной первой топливоподающей трубке с помощью цилиндрической соединительной детали.
Изобретение предусматривает также создание альтернативного варианта устройства охлаждения, специально предназначенного для охлаждения основной топливной форсунки в камере сгорания турбомашины, оснащенной двумя блоками топливных форсунок. В этом варианте устройство охлаждения содержит кольцевой наконечник, снабженный первым сопловым отверстием для впрыска первичного топлива в камеру сгорания, сообщающимся на своем конце, противоположном камере, с первой топливоподающей трубкой, и насадку, которая окружает указанный кольцевой наконечник и снабжена вторым сопловым отверстием для впрыска вторичного топлива в камеру сгорания, сообщающимся на своем конце, противоположном камере, со второй топливоподающей трубкой.
Отличительные особенности данного варианта охлаждающего устройства заключаются в том, что указанная насадка содержит кольцевую канавку, проходящую по глубине за пределы указанного первого соплового отверстия и включающую в себя трубчатый разделительный элемент с образованием с одной и другой стороны от этого элемента первого и второго коаксиальных кольцевых пространств, тогда как проход охлаждающего агента между этими двумя кольцевыми пространствами обеспечивается посредством соединительных отверстий, выполненных в разделительном элементе на уровне его нижнего конца, который опирается на дно канавки.
При этом трубчатый разделительный элемент своим верхним концом соединен (предпочтительно посредством пайки) с третьей трубкой, окружающей указанные первую и вторую топливоподающие трубки с образованием, с одной стороны, с первой топливоподающей трубкой первого кольцевого канала для прохода охлаждающего агента от источника данного агента через указанный первый кольцевой канал к указанной насадке, и с образованием, с другой стороны, с внешней стенкой топливной форсунки второго кольцевого канала для обратного прохода охлаждающего агента через этот второй кольцевой канал к источнику агента.
Изобретение относится также к топливной форсунке для камеры сгорания турбомашины, содержащей описанное устройство охлаждения в любом из вышеописанных вариантов выполнения.
Перечень фигур чертежей
Пример осуществления настоящего изобретения и его преимущества будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает в схематичном виде систему охлаждения топливных форсунок турбомашины,
фиг.2 изображает в увеличенном виде в разрезе основную топливную форсунку по изобретению,
фиг.3 изображает на виде в разрезе в плоскости III-III на фиг.2 распылитель топливной форсунки по фиг.2.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.1 в схематичном виде показана система охлаждения топливных форсунок в оснащенной двумя видами форсунок кольцевой камере сгорания турбомашины.
Для облегчения понимания система охлаждения представлена на примере двух топливных форсунок (хотя практически она может охватывать, например, 16 пусковых и 32 основных топливных форсунок). Система охлаждения питается от автономного источника 10 подачи охлаждающего агента (такого как масло, вода или любая другая текучая среда). Охлаждающий агент вначале проходит через «пусковую)) топливную форсунку 12, которая обеспечивает запуск турбомашины и ее работу в режиме малого газа (с низкой мощностью). Далее охлаждающий поток подается параллельно (по принципу четного ряда и нечетного ряда) через две так называемые «основные» топливные форсунки 14, 16, которые функционируют в фазе крейсерского полета (и в режиме максимальной мощности), а затем возвращается к источнику 10, замыкая таким образом контур системы охлаждения. Разумеется, система в стандартном исполнении содержит также насос подачи охлаждающего агента, фильтры и различные гидравлические органы регулирования расхода охлаждающего агента.
Конструкция пусковых и основных топливных форсунок аэромеханического типа идентична в отношении системы подачи топлива и регулирования его расхода. Система подачи топлива содержит две системы: первичную систему 120, 140 для обеспечения низких расходов и вторичную систему 122, 142 для обеспечения высоких расходов. Предохранительный клапан 124, 144 обеспечивает невозможность обратного потока от топливной форсунки к источнику 18 подачи топлива, а дозирующий клапан 126, 146 регулирует расход во вторичной системе для обеспечения эффективной работы в условиях сообщения первичной и вторичной систем. Кроме того, каждая система в своей заключительной части снабжена завихрителем 128, 130; 148, 150, который за счет своей геометрии обеспечивает распыление (завихривание) топлива.
В пусковых топливных форсунках 12 система охлаждения ограничивается тем, что окружает дозирующий клапан 126. В отличие от этого, в основных топливных форсунках 14, 16 система охлаждения проходит вниз до насадки распылителя этих форсунок до того, как вновь подняться к дозирующему клапану 146, который она также окружает. Как показывает практика, существует проблема закоксовывания основных топливных форсунок 12, которые могут подвергаться воздействию высоких температур из-за отсутствия циркуляции топлива во время определенных фаз функционирования. Что касается распылителей пусковых топливных форсунок, их температура не превышает порога коксования (150°С) благодаря непрерывной циркуляции охлаждающего агента во всех рабочих фазах. Поэтому охлаждения распылителей пусковых топливных форсунок не требуется.
На фиг.2 подробно показана проходящая в камеру 20 сгорания концевая часть, или распылитель основной топливной форсунки 14, 16 в соответствии с изобретением. Для большей ясности на этих чертежах топливная форсунка показана в значительно увеличенном масштабе. Практически распылитель топливной форсунки имеет диаметр порядка всего 10-15 мм.
В этой своей концевой части топливная форсунка содержит кольцевой сопловой наконечник 152 с продольной осью 154, соответствующей центральной оси топливной форсунки. Кольцевой сопловой наконечник 152 установлен во внутренней проточке 156 цилиндрической насадки 158, которая укреплена пайкой на конце наружной стенки 160 топливной форсунки. Насадка содержит кольцевую канавку 162, которая окружает внутреннюю проточку 156 и проходит по глубине дальше конца кольцевого соплового наконечника 152, от которого она отделена цилиндрической втулкой 164. Верхний конец цилиндрической втулки 164 также укреплен пайкой на центральной цилиндрической части 166а соединительной детали 166. В этой цилиндрической детали 166 выполнена глухая (несквозная) осевая проточка 168, проходящая от центральной части 166а в нижнюю часть 166b. У открытого конца проточки 168 к цилиндрической детали 166 прикреплена пайкой первая топливоподающая трубка 170. Трубка 170 предназначена для подачи первичного топлива от корпуса основной топливной форсунки 172, к которому она прикреплена своим верхним концом. Сам корпус укреплен на корпусе турбомашины известным образом, так что это крепление на чертеже не представлено.
Нижняя часть 166b цилиндрической детали 166. имеющая меньший диаметр по сравнению с центральной частью 166а, установлена с частичным упором и прикреплена пайкой во внутренней проточке 174 кольцевого соплового наконечника 152. Верхняя часть 166с цилиндрической детали 166, имеющая больший диаметр (на толщину втулки 164) по сравнению с центральной частью 166а, прикреплена пайкой к концу второй топливоподающей трубки 176, которая расположена коаксиально первой топливоподающей трубке 170 и имеет больший диаметр. Вторая топливоподающая трубка 176 предназначена для подачи вторичного топлива от корпуса основной топливной форсунки 172, к выходу которого она также присоединена. Вторая топливоподающая трубка 176 выходит во внутреннюю кольцевую полость 178, которая выполнена в верхней части 166с детали 166 и сообщается, по меньшей мере, с одним продольным отверстием 180 для циркуляции вторичного топлива в детали 166.
В соединительной детали 166, вблизи ее глухого конца 166b выполнено также, по меньшей мере, одно сквозное поперечное отверстие 182, предназначенное для сообщения ее центральной проточки 168 с внутренней проточкой 174 кольцевого соплового наконечника 152. Кроме того, на свободном нижнем конце соединительной детали 166 проточены тангенциальные каналы (образующие первичный завихритель 184), предназначенные для завихривания первичного топлива. Топливо выходит из первой топливоподающей трубки 170 и последовательно проходит через осевую проточку 168, внутреннюю проточку 174 и поперечные отверстия 182. Подобным же образом кольцевой сопловой наконечник 152 на своей наружной стенке, которая находится в контакте с внутренней проточкой 156 цилиндрической насадки 158, снабжен винтовыми или тангенциальными канавками (образующими вторичный завихритель 186). Винтовые канавки предназначены для завихривания вторичного топлива, которое выходит из второй топливоподающей трубки 176 и последовательно проходит через кольцевую полость 178, продольные отверстия 180 и внутреннюю проточку 156. На своем свободном конце, который не связан с соединительной деталью 166, кольцевой сопловой наконечник 152 содержит первое сопловое отверстие 188, снабженное первичным выпускным конусом, для впрыска первичного топлива, выходящего из винтовых каналов 184. Для вторичного топлива, выходящего из винтовых канавок 186, предусмотрено, что внутренняя проточка 156 цилиндрической насадки 158, окружающая кольцевой сопловой наконечник 152, заканчивается вторым сопловым отверстием 190 с вторичным выпускным конусом, концентричным первому.
Помимо описанных средств подачи от топливной форсунки первичного и вторичного топлива, топливная форсунка содержит специальные средства подачи охлаждающего агента, которые позволяют осуществлять общее охлаждение форсунки с максимальным отводом тепла. Для этого трубчатый разделительный элемент 192 введен в кольцевую канавку 162 цилиндрической насадки 158 таким образом, что по обе стороны от этого элемента образованы первая и вторая коаксиальные кольцевые зоны 194 и 196, в которых может циркулировать под давлением охлаждающий агент. Проход охлаждающего агента между этими двумя зонами обеспечивается посредством соединительных отверстий 198, которые выполнены в данном элементе на уровне его нижнего конца. Этот нижний конец опирается на дно канавки 162 и проходит ниже за уровень первого соплового отверстия 188, за счет чего обеспечивается охлаждение всего распылителя, вплоть до самого конца топливной форсунки.
Верхний конец разделительного элемента 192 прикреплен пайкой к третьей трубке 200, которая расположена коаксиально первой и второй топливоподающим трубкам 170, 176, имеет несколько больший диаметр и также соединена с выходом корпуса топливной форсунки 172. Таким образом, трубка 200 образует первый кольцевой канал 202 вокруг второй топливоподающей трубки 176 для ввода охлаждающего агента и второй кольцевой канал 204 между этой трубкой 200 и наружной стенкой 160 топливной форсунки для возврата охлаждающего агента к источнику 10 после прохода в одну сторону и обратно по всей длине топливной форсунки по кольцевым каналам 194, 196. Такая конструкция, обеспечивающая проход охлаждающего агента в одну сторону и затем обратно по всей длине трубок подачи первичного и вторичного топлива, с полным окружением этих топливоподающих трубок каналом охлаждения, позволяет производить максимальный отвод тепла, в отличие от известных устройств, которые чаще всего содержат подводящий канал с одной стороны топливной форсунки и отводящий канал с другой стороны.
Таким образом, в описанной конструкции система охлаждения полностью интегрирована в распылитель топливной форсунки, что в высшей мере способствует ее миниатюризации. Встроенная система охлаждения действует по всей окружности и надежно обеспечивает функционирование топливной форсунки в любых условиях, то есть даже в самых тяжелых условиях при очень высокой температуре. Очень высокая эффективность системы охлаждения по изобретению подтверждена экспериментальной проверкой.
1. Устройство охлаждения топливной форсунки (14, 16), предназначенной для камеры (20) сгорания турбомашины и содержащей средства подачи первичного топлива, включающие в себя первую топливоподающую трубку (170), к которой присоединен кольцевой сопловой наконечник (152) с первыми сопловыми отверстиями (188) для впрыска первичного топлива в указанную камеру сгорания, и средства подачи вторичного топлива, включающие в себя вторую топливоподающую трубку (176), которая окружает указанную первую трубку и к которой присоединена цилиндрическая насадка (158), окружающая указанный сопловой наконечник и содержащая вторые сопловые отверстия (190) для впрыска вторичного топлива в указанную камеру сгорания, причем указанная насадка дополнительно содержит кольцевую канавку (162), которая имеет диаметр, превышающий диаметр указанной второй топливоподающей трубки и проходит по всей ее длине за пределы указанных первых сопловых отверстий, отличающееся тем, что содержит средства подачи охлаждающего агента, включающие в себя третью трубку (200), которая окружает указанную вторую топливоподающую трубку и к которой присоединен трубчатый разделительный элемент (192), введенный в указанную кольцевую канавку указанной цилиндрической насадки с образованием двух кольцевых пространств (194. 196), в которых охлаждающий агент может циркулировать вплоть до конца топливной форсунки в пределах 360°.
2. Устройство охлаждения по п.1, отличающееся тем, что указанные первая и вторая топливоподающие трубки и указанная третья трубка коаксиальны.
3. Устройство охлаждения по п.1, отличающееся тем, что указанный кольцевой сопловой наконечник присоединен к указанной первой топливоподающей трубке с помощью цилиндрической соединительной детали (166).
4. Топливная форсунка для камеры сгорания турбомашины, содержащая устройство охлаждения, раскрытое в любом из пп.1-3.
5. Устройство охлаждения основной топливной форсунки (14, 16), предназначенной для оснащенной двумя блоками топливных форсунок камеры (20) сгорания турбомашины, причем указанная форсунка содержит кольцевой наконечник (152), снабженный первым сопловым отверстием (188) для впрыска первичного топлива в указанную камеру сгорания, сообщающимся на своем конце, противоположном камере, с первой топливоподающей трубкой (170), и насадку, которая окружает указанный кольцевой наконечник и снабжена вторым сопловым отверстием (190) для впрыска вторичного топлива в указанную камеру сгорания, сообщающимся на своем конце, противоположном камере, со второй топливоподающей трубкой (176), отличающееся тем, что указанная насадка содержит кольцевую канавку (162), проходящую по глубине за пределы указанного первого соплового отверстия и включающую в себя трубчатый разделительный элемент (192) с образованием с одной и другой стороны от этого элемента первого и второго коаксиальных кольцевых пространств (194, 196), при этом проход охлаждающего агента между этими двумя кольцевыми пространствами обеспечивается посредством соединительных отверстий (198), выполненных в указанном разделительном элементе на уровне его нижнего конца, который опирается на дно канавки (162), указанный трубчатый разделительный элемент своим верхним концом соединен с третьей трубкой (200), окружающей указанные первую и вторую топливоподающие трубки с образованием с одной стороны с указанной первой топливоподающей трубкой первого кольцевого канала (202) для прохода охлаждающего агента от источника (10) указанного агента через указанный первый кольцевой канал к указанной насадке, и с образованием с другой стороны с внешней стенкой (160) топливной форсунки второго кольцевого канала (204) для обратного прохода охлаждающего агента через этот второй кольцевой канал к источнику агента.
6. Устройство охлаждения по п.5, отличающееся тем, что указанные первая и вторая топливоподающие трубки и указанная третья трубка коаксиальны.
7. Устройство охлаждения по п.5, отличающееся тем, что указанный трубчатый разделительный элемент прикреплен пайкой к указанной третьей трубке (200), соединенной у своего входа с корпусом топливной форсунки (172).
8. Топливная форсунка для оснащенной двумя блоками топливных форсунок камеры сгорания турбомашины, содержащая устройство охлаждения, раскрытое в любом из пп.5-7.
