Топливная форсунка с оптимизированным дозирующим устройством и камера сгорания турбомашины с множеством подобных форсунок
Топливная форсунка содержит первый клапан, срабатывающий при достижении предварительно заданного значения давления впуска топлива, и второй дозирующий клапан, установленный на выходе первого клапана, предназначенный для открытия под действием второй определенной величины давления топлива, превышающей давление впуска, и обеспечивающий сохранение своего открытого положения при увеличении этого давления подачи для того, чтобы обеспечить впуск топлива и его впрыск к средствам использования топлива. Дозированный расход топлива, которое проходит через форсунку в области давлений ниже второй определенной величины давления, превышающей указанную первую величину, является функцией проходных сечений отверстий, выполненных на уровне второго клапана. За пределами указанной второй величины давления этот второй клапан функционирует в режиме фиксированной диафрагмы. В форсунке дополнительно предусмотрены средства индивидуальной настройки указанной второй пороговой величины давления топлива, выполненные таким образом, чтобы обеспечить равномерность расхода впрыска топлива в камеру сгорания. Конструкция форсунки позволяет сделать более гибким регулирование расхода впрыска топлива в камеру сгорания каждой топливной форсунки, сократить время на их индивидуальную настройку и снизить неравномерность расхода между топливными форсунками одной камеры. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в общем плане к устройствам для регулирования расхода текучей среды и более конкретно касается топливных форсунок в камере сгорания турбомашины, а также камер сгорания турбомашины, снабженных множеством форсунок.
Уровень техники
Регулирование расхода подачи топлива в турбореактивном или турбовинтовом двигателе (в дальнейшем - турбомашина) осуществляется на уровне топливных форсунок, которые спроектированы для обеспечения первого расхода топлива в режиме запуска турбомашины и режиме функционирования с низкой мощностью и второго расхода топлива для более высоких режимов вплоть до полной мощности.
Типовой пример выполнения топливной форсунки для турбомашины приведен в патенте Франции №2540186. Топливная форсунка содержит, с одной стороны, предохранительный клапан, пружина которого отрегулирована таким образом, что клапан открывается при давлении, соответствующем подаче топлива в режиме запуска, и остается открытым, пока величина давления превышает эту указанную определенную величину. С другой стороны, топливная форсунка содержит дозирующий клапан, пружина которого отрегулирована для открытия этого клапана также при определенной величине давления, превышающей первую пороговую величину. При этом клапан остается открытым, пока величина давления превышает эту вторую указанную определенную величину, вплоть до максимального рабочего давления. В этом втором режиме расход топлива регулируется с помощью окон, которые выполнены в дозирующем клапане посредством его механической обработки и имеют расчетные проходные сечения для обеспечения последовательного увеличения расхода в предварительно заданной функции давления подачи топлива. Первоначальная нагрузка пружины, которая определяет первый порог срабатывания дозирующего клапана, регулируется с помощью кольцевого установочного клина.
Это известное решение, соответствующее уровню техники, имеет существенный недостаток. В устройствах описанного типа расход топлива, соответствующий максимальному открытию дозирующего клапана (для выхода на полную мощность двигателя), существенно зависит от механических характеристик пружины и проходных сечений окон (силы трения в клапане также оказывают влияние, но в меньшей степени). При этом допуски на изготовление или механическую обработку как пружин, так и окон таковы, что этот максимальный расход не может быть идентичным для всех топливных форсунок данного двигателя. На фиг.6 показаны отклонения расхода ΔQ1, ΔQ2, которые могут создаваться в различных топливных форсунках 100, 102 одной камеры сгорания, по отношению к теоретическому расчетному расходу 104. В результате наблюдается большая неравномерность расхода между топливными форсунками, что неблагоприятно влияет на функционирование турбомашины.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании топливной форсунки, которая позволяет значительно снизить неравномерность расхода между топливными форсунками одной камеры сгорания. Изобретение направлено также на решение задачи создания устройства, которое позволяет упростить и сделать более гибким регулирование расхода впрыска топлива в камеру сгорания каждой топливной форсункой. Еще одной задачей изобретения является создание устройства, позволяющего сократить время на индивидуальную настройку этих расходов. Следующей задачей изобретения является создание устройства, позволяющего устранить влияние трения в дозирующих клапанах топливных форсунок.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания новой топливной форсунки, предназначенной для камеры сгорания турбомашины. Форсунка по изобретению содержит корпус со средствами впуска топлива под давлением, первый клапан, установленный на выходе указанных средств впуска топлива под давлением и срабатывающий при достижении предварительно заданного значения давления впуска топлива для пропуска топлива в указанный корпус, и второй клапан, установленный на выходе указанного первого клапана и срабатывающий при достижении первой определенной величины давления (S1) топлива, превышающей указанное давление впуска, для дозированной подачи части принятого в указанный корпус топлива к средствам использования топлива. Расход топлива, подаваемого к указанным средствам использования топлива в области давлений ниже второй определенной величины давления (S2), превышающей указанную первую величину давления, является функцией проходных сечений, выполненных на уровне указанного второго клапана. За пределами указанной второй величины давления этот второй клапан функционирует в режиме фиксированной диафрагмы. Форсунка по изобретению характеризуется тем, что дополнительно содержит средства индивидуальной настройки указанной второй определенной величины давления топлива таким образом, чтобы обеспечивать равномерность подачи топлива в камеру сгорания.
Такая специальная конструкция форсунки позволяет избежать для тяжелых режимов работы (за пределами порога давления S2) разброса характеристик расхода в средствах использования топлива. Кроме того, значительно упрощается настройка максимального расхода топливной форсунки.
В оптимальном варианте выполнения средства индивидуальной настройки содержат упор для ограничения хода указанного дозирующего клапана до определенной величины, которая соответствует желаемой максимальной величине расхода топлива. Этот упор ограничения хода предпочтительно содержит кольцо, укрепленное на указанном втором (дозирующем) клапане и предназначенное для взаимодействия с гильзой, в которой указанный клапан установлен с возможностью смещения.
Изобретение предусматривает также создание камеры сгорания турбомашины, оснащенной множеством топливных форсунок, выполненных в соответствии с настоящим изобретением.
Перечень чертежей
Пример осуществления настоящего изобретения, его особенности и преимущества будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фиг.1 изображает на виде в разрезе топливную форсунку турбомашины в соответствии с изобретением;
фиг.2-4 изображают на виде в разрезе дозирующее устройство форсунки по фиг.1 на различных этапах его функционирования;
фиг.5 - диаграмма; которая представляет пример кривых регулирования расхода топлива в турбомашине при применении топливной форсунки по фиг.1;
фиг.6 - диаграмма, которая представляет пример кривых регулирования расхода топлива в турбомашине при применении известных устройств.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.1 показана топливная форсунка камеры сгорания турбомашины. Эта форсунка может быть так называемой «пусковой» форсункой, предназначенной для запуска двигателя и работающей постоянно, или так называемой «основной» форсункой, которая обеспечивает режимы полета и может приводиться в действие или отключаться. В корпусе 10 топливной форсунки выполнено впускное отверстие 12, которое предназначено для приема топлива под давлением от соответствующего топливного насоса (не показан) и сообщается с входной полостью 14 для приема топлива в корпус топливной форсунки. Во входной полости 14 установлен отсечной клапан 16, предназначенный для герметизации топливной форсунки при ее отключении. Отсечной клапан 16 известной конструкции образован тарелью 18 и штоком 20 и установлен с помощью втулки 22, центральная трубчатая часть 24 которой образует опору для клапана. Кроме того, втулка 22 содержит цилиндрическую периферийную часть 26, которая отходит вниз от этой центральной части и занимает значительную часть остального объема корпуса 10 топливной форсунки. Цилиндрическая периферийная часть 26 втулки 22 образует внутреннюю полость 28 вторичной подачи топлива и основную кольцевую топливную полость 30, которая окружает полость 28 вторичной подачи и сообщается с ней с помощью поперечных отверстий 31. Полость 28 вторичной подачи топлива сообщается с впускной полостью 14 посредством калиброванных отверстий 32, равномерно проточенных вокруг опоры 24 клапана. Седло этого клапана образовано буртиком цилиндрического вкладыша 34, который опирается на втулку 22. Винтовая пружина 36 установлена между опорой 24 клапана и тарелью 18 клапана и предназначена для регулирования значения давления впуска топлива во впускную полость, при превышении которой открывается отсечной клапан (составляющего, например, 1,5 кг/см2).
Дозирующее устройство 38, предназначенное для дозирования топлива, истекающего из полости 28 вторичной подачи топлива, смонтировано непосредственно в этой полости. Оно содержит дозирующий клапан 40 трубчатой формы, выполненный с поперечными отверстиями 42 выпуска вторичного топлива и закрытым концом, от которого отходит круговой буртик 44, образующий тарель клапана. На этом конце имеются также окна 46, выполненные с высокой точностью для дозирования топлива, истекающего из полости 28 вторичной подачи топлива через поперечные отверстия 42 к вторичному выпускному каналу 48.
Дозирующий клапан 40 может смещаться скольжением в цилиндрической гильзе 50, на конце которой имеется круглая расточка 52, образующая седло клапана. Эта гильза жестко удерживается в корпусе 10 топливной форсунки с помощью фланца 54, который зажат между концом втулки 22, противоположным опоре 24 клапана, и втулкой 56 опоры гильзы. Этот фланец образует также опорную плоскость для первого конца винтовой пружины 58, другой конец которой установлен в удерживающем элементе, выполненном в виде удерживающей втулки 60. Удерживающая втулка 60 надета на конец клапана, противоположный его тарели, и удерживается на клапане с помощью разрезного стопорного кольца 62. Кольцевой клин 64, расположенный между разрезным кольцом 62 и удерживающим элементом, предназначен для регулировки нагрузки пружины 58 для определения первого порога S1 срабатывания дозирующего клапана. Эту нагрузку выбирают таким образом, чтобы дозирующий клапан открывался при предварительно заданной величине давления топлива (например, 10 кг/см2), соответствующей давлению при запуске, и оставался открытым при росте давления (в то время как расход топлива регулируется проходными сечениями окон 46).
Согласно изобретению дозирующее устройство 38 дополнительно снабжено настраивающим упором, предназначенным для определения второго порога S2 срабатывания дозирующего клапана. Этот второй порог имеет одинаковую величину для всех топливных форсунок одной камеры сгорания, и за его пределами клапан действует подобно фиксированной диафрагме, характеристики которой полностью независимы от характеристик трения в клапане. Этот настраивающий упор позволяет ограничить ход дозирующего клапана. За счет этого расход топлива устанавливается на максимальную предварительно заданную величину, соответствующую этому второму порогу срабатывания и идентичную для всех топливных форсунок.
На фиг.5 хорошо видно воздействие этого настраивающего упора на отклонения расхода, которые могут существовать в диапазоне функционирования турбомашины в двух различных топливных форсунках 200, 202 одной камеры сгорания по сравнению с теоретическим расчетным расходом 204. Этот упор может быть образован, например, кольцом 66, установленным на конце дозирующего клапана, противоположном его тарели. Индивидуальная настройка (посредством механической обработки толщины D кольца) позволяет определить для каждой топливной форсунки предварительно заданную общую для всех форсунок величину давления топлива, которая соответствует расходу при приближении к полному открытию (например, 30 кг/см2). Следует отметить, что можно установить этот упор на гильзе 50 таким образом, чтобы он взаимодействовал с удерживающим элементом 60 для ограничения хода дозирующего клапана 40.
Далее функционирование дозирующего устройства топливной форсунки по изобретению будет объяснено со ссылками на фиг.2-4.
На фиг.2 дозирующее устройство 38 показано в исходном положении покоя, при этом дозирующий клапан 40 закрыт и опирается на седло 52. Вторичное топливо не поступает в распылитель форсунки, и она питается только основным топливом, которое от впускной полости 14 проходит через калиброванные отверстия 32, полость 28 вторичной подачи топлива и поперечные отверстия 31 втулки 22 (разумеется, при условии, что отсечной клапан 16 открыт).
На фиг.3 дозирующее устройство находится в промежуточном положении, когда под действием давления подачи, превышающего первый порог S1, пружина 58 сжимается и вызывает открытие клапана 40 наполовину. Топливо, находящееся в полости 28 вторичной подачи, проникает через этот клапан путем прохода через поперечные отверстия 42 и окна 46, обеспечивая подачу в распылитель топливной форсунки вторичного потока топлива, который добавляется к первичному потоку. Переменные проходные сечения окон 46 обеспечивают регулирование расхода вторичного впрыска.
И, наконец, на фиг.4 дозирующее устройство показано в положении максимального открытия, которое соответствует давлению подаваемого топлива, превышающему порог S2. При этом дозирующий клапан 40 находится в положении упора, так как кольцо 66 находится в упорном контакте с гильзой 50 и блокирует любое дополнительное смещение клапана независимо от дальнейшего повышения давления топлива. В этом конечном положении, которое регулируется в соответствии с длиной D кольца 66, проходные сечения окон 46 больше не являются переменными, и клапан действует как фиксированная диафрагма (ее характеристики по расходу зависят только от размера кольца). Тем самым устраняются все проблемы разброса величины расхода в известных устройствах.
Таким образом, согласно данному изобретению регулирование расхода впрыска осуществляют не только посредством открытия дозирующего клапана на низких величинах расхода (за порогом S1), но также и посредством полного открытия для значительно более высоких расходов (за порогом S2). Это регулирование посредством полного открытия настраивается индивидуально для каждой топливной форсунки таким образом, чтобы получить идентичное давление топлива в камере сгорания независимо от индивидуальных и вынужденно отличных характеристик каждой топливной форсунки (и, в частности, каждой пружины 58). Эта простая на вид модификация дозирующего устройства путем простого добавления регулировочного кольца, длина D которого будет различной для каждой топливной форсунки в функции ее индивидуальных механических характеристик, дает существенное улучшение контроля неравномерности расхода между форсунками в режиме их работы на полной мощности. Действительно, для получения равномерного расхода больше не требуется изготовления с высокой точностью всех компонентов топливной форсунки. Теперь для этого достаточно упорного кольца 66. Кроме того, добавление этого компонента обеспечивает высокую степень гибкости в регулировании дозируемого расхода, а также экономию времени на настройку, так как эта настройка на полной мощности зависит теперь только от одного параметра - а именно от размера упорного кольца - и не зависит от проходных сечений окон и характеристик упругости пружины.
1. Топливная форсунка для камеры сгорания турбомашины, содержащая корпус (10) со средствами (12) впуска топлива под давлением, первый клапан (16), установленный на выходе указанных средств впуска топлива под давлением и срабатывающий при достижении предварительно заданного значения давления впуска топлива для пропуска топлива в указанный корпус, и второй клапан (40), установленный на выходе указанного первого клапана и срабатывающий при достижении первой определенной величины давления (S1) топлива, превышающей указанное давление впуска, для дозированной подачи части принятого в указанный корпус топлива к средствам (48) использования топлива, причем расход топлива, подаваемого к указанным средствам использования топлива в области давлений ниже второй определенной величины давления (S2), превышающей указанную первую величину давления, является функцией проходных сечений (46), выполненных на уровне указанного второго клапана, в то время как за пределами указанной второй величины давления этот второй клапан функционирует в режиме фиксированной диафрагмы, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средства индивидуальной настройки указанной второй определенной величины давления топлива таким образом, чтобы обеспечивать равномерность подачи топлива в камеру сгорания.
2. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что указанные средства индивидуальной настройки содержат упор для ограничения хода указанного второго клапана до определенной величины, которая соответствует желаемой максимальной величине расхода впрыска топлива.
3. Топливная форсунка по п.2, отличающаяся тем, что указанный упор ограничения хода содержит кольцо (66), укрепленное на указанном втором клапане и предназначенное для взаимодействия с гильзой (50), в которой указанный второй клапан установлен с возможностью смещения.
4. Камера сгорания турбомашины, содержащая несколько топливных форсунок, выполненных в соответствии с любым из пп.1-3.
