Дозатор жидкости, способ дозирования жидкости, топливная форсунка, камера сгорания и турбомашина

Изобретение относится к области регулирования расхода текучей среды, более конкретно к способам и устройствам дозирования и питания топливных форсунок камер сгорания турбомашин. Дозатор (12) для текучей среды содержит дозирующий клапан (14), имеющий возможность скольжения во втулке (26) под действием давления подачи текучей среды для того, чтобы допускать впуск текучей среды и затем ее нагнетание к средствам (24) использования этой текучей среды. Клапан содержит на своем входном конце отверстие (16), выходящее в продольный канал (18) для текучей среды, и на своем выходном конце головку (20) клапана, снабженную дозирующими прорезями (22) для текучей среды, открытыми в продольный канал и определяющими переменные проходные сечения к указанным средствам использования текучей среды. Головка клапана дополнительно содержит, по меньшей мере, одно по существу поперечное отверстие (38), расположенное за дозирующими прорезями по направлению потока текучей среды. При этом указанное отверстие сообщается с продольным каналом и определяет, по меньшей мере, одно постоянное проходное сечение к указанным средствам использования текучей среды. Использование изобретение обеспечит исключение неоднородности подачи топлива между форсунками при одном и том же давлении подачи. 5 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области регулирования расхода текучей среды, и в более конкретном плане к способам и устройствам дозирования питания топливных форсунок, используемых в камерах сгорания турбомашин.

Уровень техники

Как известно, двигатель или иная турбомашина содержит несколько форсунок, позволяющих подавать топливо и воздух в камеру сгорания в процессе запуска и нормального режима работы турбомашины, в частности газотурбинного двигателя. Существуют в основном два типа форсунок. Так называемые «аэромеханические» форсунки (см., например, патент США №6082113) рассчитаны на два расхода топлива (первичный и вторичный) в соответствии с фазами функционирования двигателя (зажигание, от малой до полной мощности). Так называемые «аэродинамические» форсунки содержат только один топливоподающий контур для всех фаз функционирования (см., например, патент США №5417054). Данное изобретение относится преимущественно к форсункам этого второго типа.

Известна, в частности, топливная форсунка турбомашины по патенту США №5605287, содержащая дозирующий клапан, функционирующий следующим образом. Клапан открывается под действием определенного давления подачи топлива и остается открытым при повышении этого давления подачи для того, чтобы допускать впуск топлива и затем его нагнетание к соплу форсунки, на уровне которой топливо распыляется в камеру сгорания. Регулирование расхода подачи топлива осуществляется с помощью одной или нескольких дозирующих прорезей, предусмотренных на уровне головки клапана. При этом проходные сечения прорезей изменяются в функции действующего давления подачи: чем больше это давление, тем больше становятся проходные сечения прорезей и тем больше расход текучей среды, т.е. топлива, проходящего через них к средствам его использования.

На практике установлено, что в камере сгорания с подачей в нее топлива и воздуха через несколько топливных форсунок описанного типа существуют отклонения расхода при открытии и/или закрытии их соответствующих клапанов при одном и том же давлении подачи. Эти отклонения, или разброс расхода между отдельными форсунками, создаются за счет явления гистерезиса от трения между клапаном форсунки и втулкой, внутри которой он скользит. Таким образом, в двух одинаковых топливных форсунках при одинаковом давлении подачи на уровне дозирующих прорезей могут создаваться различные проходные сечения. В результате этого неоднородность подачи топлива в камеру сгорания между различными топливными форсунками может достигать 45%, что может вызывать затруднения запуска турбомашины и даже помешать зажиганию.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании дозатора текучей среды для топливной форсунки турбомашины, позволяющего устранить вызванные гистерезисом вредные явления за счет использования мертвого хода головки клапана, то есть хода от начала открытия до момента включения в действие дозирующих прорезей.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания дозатора текучей среды, содержащего дозирующий клапан, имеющий возможность скольжения во втулке под действием давления подачи текучей среды для того, чтобы допускать впуск текучей среды и затем ее нагнетание к средствам использования этой текучей среды. Клапан содержит на первом, входном, конце отверстие, выходящее в продольный канал впуска текучей среды, и на втором, выходном, конце головку клапана, снабженную дозирующими прорезями для текучей среды, открытыми в продольный канал и определяющими переменные проходные сечения к указанным средствам использования текучей среды. Дозатор по изобретению характеризуется тем, что указанная головка клапана дополнительно содержит, по меньшей мере, одно, по существу, поперечное отверстие, расположенное за дозирующими прорезями по направлению потока текучей среды. Это отверстие сообщается с продольным каналом и определяет, по меньшей мере, одно постоянное проходное сечение к указанным средствам использования текучей среды.

Таким образом, дозатор позволяет получать постоянный поток текучей среды к средствам использования, зависящий только от проходного сечения поперечного отверстия. Последнее сообщается со средствами использования, начиная с предварительно заданного значения давления подачи текучей среды, причем это значение ниже давления, при котором подача текучей среды к средствам использования осуществляется через дозирующие прорези. За счет этого устраняется любое запаздывание, вызываемое эффектом гистерезиса и приводящее к неоднородности (разнобою) подачи. Таким образом, гистерезис больше не оказывает влияния на низкие расходы подачи.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения дозатор по изобретению выполнен в виде дозатора топлива топливной форсунки турбомашины и содержит первую диафрагму, расположенную перед поперечным отверстием по направлению потока текучей среды. Эта первая диафрагма, через которую поперечное отверстие сообщается с продольным каналом, позволяет фиксировать на определенном уровне расход текучей среды, проходящей через поперечное отверстие. В предпочтительном варианте данная диафрагма выполнена в виде снабженного отверстием стакана, установленного по плотной посадке в головке клапана.

Дозатор текучей среды по изобретению дает особенные преимущества при использовании в качестве дозатора топлива топливной форсунки турбомашины, в частности газотурбинного двигателя. В данном случае гистерезис больше не оказывает влияния на низкие расходы и позволяет достигнуть лучшей однородности (или повторяемости) подачи топлива в камеру сгорания двигателя, а именно в процессе фазы зажигания двигателя.

Кроме того, изобретением предусмотрено создание способа дозирования текучей среды с использованием описанного выше дозатора. Согласно способу по изобретению текучую среду подают (впрыскивают) к средствам использования этой текучей среды (в конкретном случае топлива) через дозирующий клапан, имеющий возможность скольжения во втулке под действием давления подачи текучей среды. При этом расход текучей среды, движущейся к указанным средствам ее использования, соответствует прохождению текучей среды через дозирующие прорези, которые определяют переменные проходные сечения, выполненные на уровне указанной головки клапана, начиная с предварительно заданного давления подачи, определяющего пороговое давление. Способ дозирования по изобретению характеризуется тем, что задают также расход текучей среды, проходящей через, по существу, поперечное отверстие постоянного сечения, расположенное на уровне головки клапана за указанными дозирующими прорезями по направлению потока текучей среды, движущейся к указанным средствам использования, начиная с давления подачи, соответствующего предварительно заданному пороговому давлению, которое ниже указанного порогового давления.

Согласно предпочтительному варианту осуществления описанного способа расход текучей среды, проходящей через поперечное отверстие, фиксируют на заданном уровне посредством первой диафрагмы.

Изобретение относится также к топливной форсунке турбомашины. Топливная форсунка согласно изобретению содержит корпус, оснащенный средствами подачи топлива под давлением, и дозирующий клапан, имеющий возможность скольжения во втулке под действием давления подачи топлива для дозированной подачи части топлива, принятого в корпус топливной форсунки, к средствам использования топлива. При этом клапан содержит на своем первом, входном, конце входное отверстие, выходящее в продольный канал для текучей среды, и на своем втором, выходном, конце головку клапана, снабженную дозирующими прорезями для топлива, открытыми в продольный канал и определяющими переменные проходные сечения к указанным средствам использования топлива. Топливная форсунка характеризуется тем, что головка клапана дополнительно содержит, по меньшей мере, одно по существу поперечное отверстие, расположенное за дозирующими прорезями по направлению потока топлива, причем указанное отверстие сообщается с продольным каналом и определяет, по меньшей мере, одно постоянное проходное сечение к указанным средствам использования топлива.

В предпочтительном варианте выполнения топливной форсунки отверстие в головке клапана сообщается с продольным каналом через первую диафрагму, позволяющую фиксировать определенный расход топлива, проходящего через указанное отверстие. При этом первая диафрагма выполнена в виде снабженного отверстием стакана, установленного по плотной посадке в головке клапана. Кроме того, средства использования топлива выполнены в виде приемной полости, образованной внутри корпуса топливной форсунки, причем топливная форсунка дополнительно содержит вторую диафрагму, расположенную на дне приемной топливной полости и позволяющую фиксировать второй определенный расход топлива, проходящего через вторую диафрагму.

Изобретение относится также к камере сгорания турбомашины и к турбомашине, содержащим описанную выше топливную форсунку, выполненную в соответствии с изобретением.

Краткое описание чертежей

Пример осуществления настоящего изобретения, его дополнительные особенности и преимущества будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает на виде в продольном разрезе топливную форсунку турбомашины, содержащую дозатор в соответствии с изобретением,

фиг.2-4 изображают на виде в продольном разрезе топливную форсунку по фиг.1 в трех различных режимах функционирования и

фиг.5 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую развитие гистерезиса для топливной форсунки по фиг.1 и для форсунки, известной из уровня техники.

Осуществление изобретения

На фиг.1 представлена на виде в продольном разрезе топливная форсунка турбомашины, содержащая дозатор в соответствии с изобретением.

Топливная форсунка 2 содержит корпус 4 с фланцем 6, предназначенным для жесткого крепления на корпусе турбомашины (не показан). Изображенная топливная форсунка 2 относится к типу «аэродинамических» форсунок, то есть она содержит только один контур подачи топлива.

Корпус 4 форсунки содержит средства 8 подачи топлива под давлением, которые представляют собой впускной патрубок, подключенный к соответствующему насосу (не показан). Перед тем как проходить через дозатор 12 по изобретению, топливо поступает во впускную полость 10.

Дозатор 12 топлива установлен непосредственно во впускной полости 10 для топлива. Он содержит дозирующий клапан 14, который позволяет управлять потоком топлива, проходящего через дозатор. Этот дозирующий клапан снабжен на своем первом, входном, конце входным отверстием 16, которое сообщается с продольным каналом 18 для приема топлива. На втором, выходном, конце клапана имеется по существу круглый буртик, образующий головку 20 клапана. Эта головка клапана содержит на своей окружной поверхности дозирующие топливные прорези 22, которые сообщаются с продольным каналом 18 и определяют переменные проходные сечения для прохода текучей среды (топлива) к средствам 24 ее использования. Указанные прорези 22 рассчитаны и выполнены с высокой точностью для дозирования количества топлива, текущего от впускной полости 10 к средствам 24 использования текучей среды (т.е. топлива). В представленном варианте данные средства выполнены в виде приемной полости, образованной внутри корпуса 4 топливной форсунки.

Дозирующий клапан 14 может скользить в цилиндрической втулке 26, один конец которой содержит окружную выемку, образующую седло 28 клапана. Эта втулка плотно установлена в корпусе 4 форсунки с обеспечением уплотнения с помощью уплотнительного средства 30 по типу уплотнительного кольца. Втулка 26 образует также опорную поверхность для конца винтовой пружины 32, противоположный конец которой установлен в удерживающем кольцевом элементе 34, укрепленном на конце клапана со стороны продольного канала 18. Пружина 32 отрегулирована таким образом, чтобы дозирующий клапан 14 открывался при определенном давлении топлива и оставался открытым при повышении давления.

Согласно изобретению дозатор 12 содержит также, по меньшей мере, одно по существу поперечное отверстие 38, расположенное на уровне головки 20 клапана за дозирующими прорезями 22 по направлению потока топлива. Это поперечное отверстие 38 выходит в продольный канал 18 приема топлива и сообщается со средствами 24 использования текучей среды (топлива), имеющими вид приемной полости. Таким образом, это отверстие позволяет определить постоянное проходное сечение для топлива к средствам его использования и эффективным образом обеспечивать расход в фазе зажигания двигателя, соответствующий низким расходам топлива (меньше примерно 30 л/ч).

В соответствии с изобретением заданное значение расхода топлива, проходящего через поперечное отверстие 38, может быть оптимальным образом установлено путем помещения первой диафрагмы 40 на пути потока топлива между продольным каналом и этим поперечным отверстием. Таким образом, проход топлива регулируется отверстием, выполненным в первой диафрагме 40. Это отверстие рассчитано на пропуск топлива с расходом существенно ниже возможного расхода через поперечное отверстие 38. За счет этого расход топлива, проходящего через первую диафрагму 40 и затем через поперечное отверстие 38, зависит только от отверстия в этой первой диафрагме 40. Такая характеристика является особенно полезной для очень низких расходов топлива. Действительно, выполнение в головке 20 клапана поперечного отверстия 38 для очень низких расходов путем механической обработки было бы весьма тонкой операцией, а первая диафрагма 40 позволяет избежать такой операции. Первая диафрагма 40 может быть выполнена, например, в виде снабженного отверстием стакана, установленного по плотной посадке в головке 20 клапана.

Представленная на фиг.1 топливная форсунка содержит вторую диафрагму 42 для высоких расходов (выше примерно 100 л/ч), встроенную в средства использования топлива. Более конкретно, эта вторая диафрагма 42, также в виде стакана с отверстием, расположена на дне приемной полости, соответствующей средствам 24 использования текучей среды (топлива). Вторая диафрагма плотно укреплена в корпусе 4 с обеспечением уплотнения с помощью уплотнительного средства 44 по типу уплотнительного кольца и позволяет установить второе заданное значение расхода проходящего через нее топлива. Отверстие, выполненное во второй диафрагме, выходит в сопловой канал 46, который направляет топливо к соплу форсунки (не показано). С помощью средств, которые сами по себе известны, это сопло форсунки обеспечивает либо распыление топлива механическим или аэродинамическим путем, либо его испарение.

Далее будет со ссылками на фиг.2-4, описано действие дозатора по изобретению,

На фиг.2 дозатор топлива представлен в исходном положении покоя. Дозирующий клапан 14 закрыт, т.е. опирается на свое седло 28. Топливо, которое проникает во впускную полость 10 и далее через входное отверстие 16 в продольный канал 18, создает давление, недостаточное для открытия дозирующего клапана.

На фиг.3 дозатор топлива представлен в той фазе, когда давление достигло предварительно заданного первого порогового давления S1. В этом случае дозирующий клапан 14 смещается под действием давления подачи и скользит во втулке 26, вызывая открытие головки 20 клапана. Топливо, присутствующее во впускной полости 10 и внутри дозирующего клапана 14, выходит в приемную полость через поперечное отверстие 38 после прохода через первую диафрагму 40. Эта фаза может, например, соответствовать фазе зажигания двигателя, оснащенного таким дозатором. Расход топлива выдерживается постоянным и является функцией проходного сечения либо поперечного отверстия 38, либо отверстия диафрагмы 40, если оно меньше.

На фиг.4 дозатор топлива представлен в наполовину открытом положении, когда давление подачи превышает второе пороговое давление S2, которое выше первого порогового давления S1. Это второе пороговое давление S2 соответствует предварительно заданному давлению подачи, начиная с которого дозирующие прорези 22 головки 20 клапана сообщаются с приемной полостью. Пружина 32 сжимается под действием давления подачи, и топливо продолжает проходить через поперечное отверстие 38 дозирующего клапана 14. Кроме того, присутствующее в продольном канале 18 клапана топливо проходит также через дозирующие прорези 22. Переменные проходные сечения этих прорезей позволяют обеспечивать регулирование расхода топлива, например, при нормальном режиме работы турбомашины, и в частности газотурбинного двигателя.

Таким образом, функционирование дозатора по изобретению, соответствующее осуществлению предлагаемого способа, заключается в том, что определяют первый расход D1 топлива, которое проходит через отверстие постоянного сечения, расположенное на уровне дозирующего клапана за дозирующими прорезями по направлению потока и поступает к средствам использования, начиная с предварительно заданного первого порогового давления S1, которое ниже второго порогового давления S2. Далее топливо подают к средствам его использования (на уровне сопла форсунки) через дозирующий клапан, который имеет возможность скольжения во втулке под действием давления подачи топлива. При этом поток, соответствующий второму значению D2 расхода, проходит через дозирующие прорези, которые определяют переменные проходные сечения для прохода топлива на уровне дозирующего клапана. Далее этот поток топлива проходит к средствам его использования, начиная с предварительно заданного второго порогового давления S2. Первый расход D1 может быть, например, ниже второго расхода D2.

Фиг.5 иллюстрирует влияние поперечного отверстия 38 и первой диафрагмы на функционирование дозатора. На этом чертеже изображена диаграмма, показывающая развитие гистерезиса для топливной форсунки по изобретению (кривая 100) и для форсунки, известной из уровня техники (кривая 102). На кривой 100 наблюдается отсутствие неоднородности расходов в интервале между примерными величинами Х и Y л/ч расхода. За пределами этих расходов неоднородность расхода Q остается приемлемой примерно до величины Z л/ч расхода. Таким образом, дополнительное использование поперечного отверстия 38 и первой диафрагмы 40 позволяет получить удовлетворительный разброс во всем диапазоне зажигания двигателя, в котором используется дозатор топлива по изобретению.

Данное изобретение было описано на примере его использования в топливной форсунке для подачи топлива в камеру сгорания турбомашины. Разумеется, предложенное устройство может использоваться более широко в любом дозаторе текучей среды, который содержит дозирующий клапан, имеющий возможность скольжения во втулке под действием давления подачи текучей среды для того, чтобы допускать впуск текучей среды и затем ее нагнетание к средствам использования этой текучей среды. При этом клапан содержит на первом, входном, конце входное отверстие, выходящее в продольный канал для текучей среды, и на втором, выходном, конце головку клапана, снабженную дозирующими прорезями для текучей среды, открытыми в продольный канал и определяющими переменные проходные сечения к указанным средствам использования текучей среды. Согласно изобретению в этом устройстве на уровне головки клапана предусмотрено, по меньшей мере, одно по существу поперечное отверстие, расположенное за дозирующими прорезями по направлению потока текучей среды. Это отверстие сообщается с продольным каналом и определяет, по меньшей мере, одно постоянное проходное сечение к указанным средствам использования текучей среды.

1. Дозатор (12) для текучей среды, содержащий дозирующий клапан (14), имеющий возможность скольжения во втулке (26) под действием давления подачи текучей среды для того, чтобы допускать впуск текучей среды и затем ее нагнетание к средствам (24) использования текучей среды, причем клапан содержит на своем входном конце входное отверстие (16), выходящее в продольный канал (18) для текучей среды, и на своем выходном конце головку (20) клапана, снабженную дозирующими прорезями (22) для текучей среды, открытыми в продольный канал и определяющими переменные проходные сечения к указанным средствам использования текучей среды, отличающийся тем, что указанная головка клапана дополнительно содержит, по меньшей мере, одно по существу поперечное отверстие (38), расположенное за дозирующими прорезями по направлению потока текучей среды, причем указанное отверстие сообщается с продольным каналом и определяет, по меньшей мере, одно постоянное проходное сечение для потока текучей среды к указанным средствам ее использования.

2. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что указанное поперечное отверстие (38) в головке (20) клапана сообщается с продольным каналом (18) через первую диафрагму (40), позволяющую фиксировать определенный расход текучей среды, проходящей через указанное поперечное отверстие.

3. Дозатор по п.2, отличающийся тем, что первая диафрагма (40) выполнена в виде снабженного отверстием стакана, установленного по плотной посадке в головке клапана.

4. Дозатор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что выполнен в виде дозатора топлива топливной форсунки турбомашины.

5. Топливная форсунка (2) турбомашины, содержащая корпус (4), оснащенный средствами (8) подачи топлива под давлением, дозирующий клапан (14), имеющий возможность скольжения во втулке (26) под действием давления подачи топлива для дозированной подачи части топлива, принятого в корпус топливной форсунки, к средствам использования топлива, причем клапан содержит на своем первом, входном конце, входное отверстие (16), выходящее в продольный канал (18) для текучей среды, и на своем втором, выходном конце, головку (20) клапана, снабженную дозирующими прорезями (22) для топлива, открытыми в продольный канал и определяющими переменные проходные сечения к указанным средствам использования топлива, отличающаяся тем, что головка клапана дополнительно содержит, по меньшей мере, одно по существу поперечное отверстие (38), расположенное за дозирующими прорезями по направлению потока топлива, причем указанное отверстие сообщается с продольным каналом и определяет, по меньшей мере, одно постоянное проходное сечение к указанным средствам использования топлива.

6. Топливная форсунка по п.5, отличающаяся тем, что отверстие (38) в головке (20) клапана сообщается с продольным каналом (18) через первую диафрагму (40), позволяющую фиксировать определенный расход топлива, проходящего через указанное отверстие.

7. Топливная форсунка по п.6, отличающаяся тем, что первая диафрагма (40) выполнена в виде снабженного отверстием стакана, установленного по плотной посадке в головке клапана.

8. Топливная форсунка по п.6 или 7, отличающаяся тем, что средства использования топлива выполнены в виде приемной полости, образованной внутри корпуса (4) топливной форсунки, причем топливная форсунка дополнительно содержит вторую диафрагму (42), расположенную на дне приемной топливной полости и позволяющую фиксировать второй определенный расход топлива, проходящего через вторую диафрагму.

9. Способ дозирования текучей среды, в котором текучую среду впрыскивают к средствам использования текучей среды через дозирующий клапан (14), имеющий возможность скольжения во втулке (26) под действием давления подачи текучей среды, при этом второй расход (D2) текучей среды, движущейся к указанным средствам ее использования, соответствует прохождению текучей среды через дозирующие прорези (22), которые определяют переменные проходные сечения, выполненные на уровне указанной головки клапана, начиная с предварительно заданного давления подачи, определяющего пороговое давление (S2), отличающийся тем, что задают также расход (D1) текучей среды, проходящей через по существу поперечное отверстие (38) постоянного сечения, расположенное на уровне головки клапана за указанными дозирующими прорезями по направлению потока текучей среды, движущейся к указанным средствам использования, начиная с давления подачи, соответствующего предварительно заданному пороговому давлению (S1), которое ниже указанного порогового давления (S2).

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что расход текучей среды, проходящей через поперечное отверстие (38), фиксируют на заданном уровне посредством первой диафрагмы (40).

11. Камера сгорания турбомашины, содержащая топливную форсунку, выполненную в соответствии с п.5 или 6.

12. Турбомашина, содержащая топливную форсунку, выполненную в соответствии с п.5 или 6.