Многорежимный топливный инжектор, камера сгорания, а также реактивный двигатель
Многорежимный топливный инжектор для камер сгорания содержит, по меньшей мере, две соосные системы для распыления топлива. Периферийная система распыления содержит распределитель с кольцевой распределительной камерой, сообщающейся с множеством инжекционных отверстий для топлива, распределенных через равные интервалы по окружности, и кольцевой дефлектор для завихрения воздуха. Кольцевой дефлектор для завихрения воздуха установлен по радиусу с наружной стороны относительно множества инжекционных отверстий и содержит лопатки, образующие инжекционные каналы для воздуха, отстоящие через равные интервалы по окружности и направляющие воздух к струям топлива, выходящим из инжекционных отверстий. Для каждой оси инжекции топлива, определяемой инжекционным отверстием, имеется соответствующий инжекционный канал для воздуха, по меньшей мере, самая внутренняя по радиусу часть которого имеет медиану, по существу пересекающую ось инжекции топлива. Кольцевой дефлектор содержит две соосные стенки с внутренним усечением соответственно выше по потоку и ниже по потоку, а их конусность направлена вниз по потоку. Кольцевая распределительная камера содержит усеченную стенку, в которой выполнены отверстия. Наружная поверхность усеченной стенки параллельна внутренней поверхности верхней по потоку стенки кольцевого дефлектора или сливается с ней. Изобретение направлено на уменьшение загрязняющих выбросов при высокой скорости двигателя, в частности при взлете. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к многорежимному топливному инжектору для камер сгорания, в частности для камеры сгорания реактивного двигателя. Точнее, оно касается усовершенствования, позволяющего обеспечить лучшее периферийное распыление.
В обычную камеру сгорания газотурбинного двигателя топливо вводят посредством нескольких топливных инжекторов. В каждом топливном инжекторе топливо перед его введением перемешивают с воздухом, а затем сжигают в камере сгорания.
Известен многорежимный топливный инжектор, в котором впрыск топлива дифференцируют в соответствии с рабочей скоростью двигателя. Например, в европейском патенте 1369644 описан топливный инжектор, в котором два режима впрыска сочетают благодаря двум соосным системам для распыления топлива, питаемым соответственно посредством двух контуров распределения топлива - основного контура с относительно низким постоянным расходом, который обеспечивает введение топлива в зону сгорания, оптимизированную для низких скоростей двигателя, и вспомогательного контура с прерывистым расходом, вводящего топливо в зону сгорания, оптимизированную для высоких скоростей двигателя. Для этой цели система распыления включает в себя распылительную головку, содержащую центральное сопло, питаемое посредством основного контура, и периферийную распределительную камеру, питаемую посредством вспомогательного контура.
В первой описанной системе качество периферийного распыления позволяет управлять количеством загрязняющих выбросов при высокой скорости двигателя. Согласно изобретению предложен многорежимный топливный инжектор, обеспечивающий ограничение загрязняющих выбросов при высокой скорости двигателя, в частности при взлете.
В частности, согласно изобретению создан многорежимный топливный инжектор для камер сгорания, содержащий, по меньшей мере, две соосные системы для распыления топлива, характеризующийся тем, что периферийная система распыления содержит распределитель с кольцевой распределительной камерой, сообщающейся с множеством инжекционных отверстий для топлива, распределенных через равные интервалы по окружности, и кольцевой дефлектор для завихрения воздуха, установленный по радиусу с наружной стороны относительно множества инжекционных отверстий, при этом дефлектор содержит лопатки, образующие инжекционные каналы для воздуха, отстоящие через равные интервалы по окружности и направляющие воздух к струям топлива, выходящим из инжекционных отверстий, причем для каждой оси инжекции топлива, определяемой инжекционным отверстием, имеется соответствующий инжекционный канал для воздуха, по меньшей мере, самая внутренняя по радиусу, часть которого имеет медиану, по существу, пересекающую ось инжекции топлива.
Кроме того, для ограничения осевой зоны охвата топливного инжектора кольцевой дефлектор содержит две соосные стенки с внутренним усечением соответственно выше по потоку и ниже по потоку, с их конусностью, направленной вниз по потоку. Кольцевая распределительная камера содержит усеченную стенку, в которой созданы инжекционные отверстия, а наружная поверхность усеченной стенки имеет образующую, параллельную внутренней поверхности верхней по потоку стенки кольцевого дефлектора или сливающуюся с ней.
При этом кольцевая распределительная камера с обеспечением соосности входит в зацепление с внутренней стороной кольцевого дефлектора, что уменьшает осевую зону охвата системы распыления.
Изобретение также относится к любой камере сгорания, содержащей множество описанных выше многорежимных топливных инжекторов.
Кроме того, изобретение охватывает любой реактивный двигатель, содержащий вышеуказанную камеру сгорания.
Изобретение будет лучше понятно, а его другие преимущества станут более очевидными после прочтения приведенного далее описания многорежимного топливного инжектора на примере его действия, которое приведено лишь в качестве примера и предназначено для его прочтения с обращением к прилагаемым чертежам, на которых:
фиг. 1 - вертикальная проекция в сечении топливного инжектора согласно изобретению;
фиг. 2 - сечение по линии II-II с фиг. 1;
фиг. 3 - нижняя по потоку поверхность кольцевого корпуса топливного инжектора, полученная посредством электроэрозии;
фиг. 4 - вид в перспективе с разнесением деталей части топливного инжектора;
фиг. 5 - вид в перспективе другой части топливного инжектора;
фиг. 6 - вид, подобный виду с фиг. 3, иллюстрирующий альтернативный вариант; и
фиг. 7 - частичный вид половинчатого сечения, подобный виду с фиг.1, иллюстрирующий другой альтернативный вариант.
На фиг. 1 схематически представлен в сечении один из многорежимных топливных инжекторов 11, установленный на задней стенке 13 кольцевой камеры 15 сгорания газотурбинного двигателя. Согласно этому примеру скомбинированы два режима впрыска, при этом описанный топливный инжектор содержит две соосные системы распыления топлива, питаемых соответственно посредством двух контуров распределения топлива, а именно основного контура 17, в данном случае с постоянным расходом, и вспомогательного контура 19, в данном случае с прерывистым расходом.
Два контура, в общем, имеют плечо 21, в котором расположены два соосных канала 17а, 19а, относящиеся соответственно к основному и вспомогательному контурам и подсоединенные к распылительной головке 18. Основной контур с постоянным расходом имеет относительно низкий расход. Он в большей степени предназначен для малой скорости двигателя.
Вспомогательный контур 19 с прерывистым расходом предназначен для добавления расхода топлива до точки полного газа, в частности, обеспечивая получение всей мощности, необходимой при взлете. При определенных скоростях двигателя ее первоначальный переменный расход может быть равен нулю, или же он является весьма малым.
Сжатый воздух, поступающий из компрессора высокого давления (не показан), циркулирует в корпусе 23, окружающем камеру 15 сгорания. Воздух циркулирует от верхней по потоку стороны к нижней по потоку стороне согласно направлению стрелки F.
В остальной части описания термины «верхний по потоку» или «нижний по потоку» использованы для указания положения одного элемента по отношению к другому элементу, принимая во внимание направление потока газов.
Часть воздуха проникает в камеру 15 сгорания, проходя через топливные инжекторы 11. Перед воспламенением в камере сгорания топливо будет перемешано с воздухом в задней части этой камеры.
В распылительной головке 18 основной контур 17 заканчивается соплом 27 для осевой инжекции топлива (в данном случае следует принять во внимание ось Х самой распылительной головки), в то время как вспомогательный контур соединен с распределителем 29, содержащим кольцевую распределительную камеру 30, сообщающуюся с множеством инжекционных отверстий 31 для топлива, распределенных через равные интервалы по окружности у нижнего по потоку конца распределителя.
Распылительная головка содержит кольцевой корпус 39, прикрепленный к плечу 21, в котором выполнены расточки, относящиеся к основному и вспомогательному контурам и соединяющие каналы 17а, 19а соответственно с соплом 27 и распределительной камерой 30. На фиг. 1, в частности, показана расточка 19b, соединяющая канал 19а с распределительной камерой 30.
Распылительная головка 18 также содержит кольцевой дефлектор 33 для завихрения воздуха, в общем называемый «завихрителем», который установлен по радиусу с наружной стороны относительно множества инжекционных отверстий. Этот дефлектор содержит лопатки 35, расположенные по окружности и образующие между собой инжекционные каналы 36 для воздуха, отстоящие по окружности через одинаковые интервалы и направляющие воздух к струям топлива.
Распределитель 29 состоит из двух кольцевых частей, одна из которых входит в зацепление с другой частью (с их припаиванием друг к другу), при этом они образуют между собой распределительную камеру 30. Одна из частей представляет собой корпус 39, который упомянут выше. Другая часть представляет собой кольцевой фланец 41, образующий определенный вид крышки, при этом он находится в зацеплении у нижнего по потоку конца корпуса. Во фланце 41 расточены отверстия 31.
Корпус 39 и фланец 41 содержат цилиндрические зоны с соответствующими диаметрами, обеспечивающие их оптимальное центрирование по отношению друг к другу. Две части монтируют посредством пайки.
Как показано на фиг. 3, на нижней по потоку поверхности корпуса 39 вырезаны канавки. Канавка 45, которая в целом имеет кольцеобразную форму, по существу образует распределительную камеру 30, причем для образования камеры 30 эту канавку закрывают фланцем 41. Другие канавки 47, 48 образуют проходной участок основного контура 17 (они также закрыты фланцем 41) и далее будут описаны более подробно.
Предпочтительно, чтобы канавки 45, 47, 48 могли быть выполнены посредством электроэрозии, осуществляемой посредством одной операции на необработанном литье кольцеобразного корпуса 39. Форма электроэрозионного инструмента соответствует конфигурации видимых отпечатков на фиг. 3, которые образуют канавки 45, 47, 48.
Кольцевой дефлектор 33 для завихрения воздуха составлен из двух кольцевых частей 51, 53, монтируемых посредством пайки. Он показан на виде в перспективе с фиг. 4. Две части образуют определенный вид «беличьего колеса» с лопатками 35, толщина которых уменьшается вовнутрь, как показано на фиг. 2. Кольцевая часть 51, находящаяся выше по потоку, входит в зацепление с кольцевой частью 53, находящейся ниже по потоку и содержащей лопатки 35. Часть 51, то есть находящаяся выше по потоку стенка дефлектора, содержит внутреннюю цилиндрическую зону 55 с диаметром, равным наружному диаметру сферической зоны 57 фланца 41. Эта сферическая зона 57 распределителя входит в зацепление с цилиндрической зоной 55 дефлектора. Кольцевая часть 53, находящаяся ниже по потоку, проходит в направлении вниз по потоку посредством отходящего конического элемента 61, обычно называемого чашкой, в котором просверлены две группы отверстий 63, 65, распределенных через равные интервалы по окружности. Отверстия 63 выполнены на конической части элемента 61. Меньшие отверстия 65 выполнены на наружном радиальном фланце 67. Они выходят так, что обращены к радиальному дефлектору 69 (фиг.1).
Воздух, выходящий из компрессора, ударяет о заднюю часть камеры и, в частности, проходит через каналы 36 и отверстия 63, 65.
Как показано, кольцевой дефлектор 33, состоящий из двух частей 51, 53, содержит две соосные стенки 51а, 53а с внутренним усечением, то есть верхнюю по потоку и нижнюю по потоку, соответственно. Стенка 51а образована в части 51. Стенка 53а образована в части 53. Конусность этих стенок направлена вниз по потоку, то есть их диаметр уменьшается с верхней по потоку стороны к нижней по потоку стороне. Распределительная камера 30 также содержит усеченную стенку в направлении вниз по потоку. Это стенка фланца 41, в которой образованы отверстия 31. Наружная часть этой стенки имеет образующую, параллельную внутренней поверхности верхней по потоку стенки 51а кольцевого дефлектора или (как в данном случае) сливающуюся с этой поверхностью.
Предпочтительно, угол конусности этих поверхностей находится в диапазоне от 45° до 80°.
Согласно другому предпочтительному отличительному признаку ось каждого отверстия 31 перпендикулярна образующей поверхности 51а в этой точке.
Как показано на фиг. 2, медиану М для каждого канала 36, предназначенного для инжекции воздуха, образует линия, которая отстоит на одинаковом расстоянии от параллельных поверхностей, по меньшей мере, его части, самой внутренней по радиусу. В описанном примере поверхность а одной из лопаток 35 является по существу ровной, в то время как поверхность b другой, смежной лопатки содержит, по меньшей мере, короткую внутреннюю часть с, параллельную поверхности а. При этом медиана М находится на одинаковом расстоянии от поверхностей а и с. Часть, расположенная между а и с, образует калибровочную зону рассматриваемого канала для инжекции воздуха. Поверхность b может быть объединена с частью с.
Согласно существенному отличительному признаку для каждой оси инжекции топлива, определяемой инжекционным отверстием 31, имеется инжекционный канал 36 для воздуха (между двумя лопатками 35), по меньшей мере, самая внутренняя по радиусу часть которого (то есть калибровочная зона) имеет медиану М, по существу пересекающую ось инжекции топлива.
В представленном примере число инжекционных отверстий для топлива равно числу инжекционных каналов для воздуха. Как вариант, число инжекционных каналов для воздуха может быть кратно числу инжекционных отверстий для топлива.
Безусловно, средства индексации (прорези или выступы) создают таким образом, чтобы для выполнения сборки получить конфигурацию согласно фиг. 2. Распределитель 29 составляет часть топливного инжектора 11, при этом дефлектор 33 монтируют у задней части камеры 13 (топливный инжектор 11 и заднюю часть камеры 13 ориентируют посредством корпуса 23). Распределитель 29 скользит в дефлекторе 33 вокруг поверхностей 55 и 57.
Эта конкретная конфигурация, которая обеспечивает расположение воздушных каналов завихрителя относительно инжекционных отверстий для топлива, позволяет оптимизировать распыление топлива. Однородность воздушно-топливной смеси улучшает сгорание и снижает загрязнение.
Кроме того, в результате наклона стенок 51а, 53а в меньшей степени будет происходить прерывание воздушного потока, который пересекает дефлектор для завихрения воздуха. Помимо этого, осевая зона охвата устройства, в общем, будет уменьшена.
Распылительная головка 18 также содержит центральную часть 75 (образующую дефлектор для завихрения воздуха), установленную по оси внутри кольцевого корпуса 39. Эта часть показана на виде в перспективе с фиг. 5. Она содержит лопатки 77, отстоящие друг от друга по окружности через равные интервалы. Между этими лопатками образованы узкие проходы 78. Форма узких проходов такова, что они наклонены относительно оси Х. Когда центральная часть находится в зацеплении в кольцевом корпусе 39, узкие проходы 78 закрыты в радиальном направлении с наружной стороны и образуют инжекционные каналы для воздуха другого дефлектора для завихрения воздуха или «завихрителя», расположенного вокруг сопла 27.
Часть 75 содержит находящуюся ниже по потоку коническую часть с направлением ее конусности вниз по потоку, при этом она входит в зацепление с соответствующей конической частью, образованной в корпусе 39, у ее верхнего по потоку конца. В этой конической части образованы лопатки 77, что также уменьшает осевую зону охвата (согласно Х) распылительной головки 18. Кроме того, выше по потоку часть 75 содержит цилиндрическую зону 85, которая выровнена в соответствующей цилиндрической зоне, образуемой выше по потоку от корпуса 39, для оптимального центрирования части 75 в корпусе 39. Средства индексации обеспечивают расположение в окружном направлении между частью 75 и корпусом 39.
В центре части 75 образована закрытая полость 79. В этой полости установлено сопло 27. В лопатке 77 выполнен канал 80, который выходит в полость 79. Он образует конечную часть основного контура. Этот канал 80 сообщен с другой расточкой 81 корпуса 39, которая выходит у одного конца канавки 48 (фиг. 3). Расточка 82, выполненная в корпусе 39, соединяет один конец канавки 47 с концом канала 17а, который входит в состав указанного выше основного контура.
Согласно важному отличительному признаку основной контур содержит, по меньшей мере, один проходной участок 86, смежный с распределительной камерой 30 для ее охлаждения. По существу этот проходной участок 86 образован посредством каналов, образуемых канавками 47, 48, покрытыми фланцем 41. В описанных примерах этот проходной участок содержит внешний кольцевой участок (соответствующий канавке 47), расположенный по радиусу с наружной стороны относительно распределительной камеры, и внутренний кольцевой участок (соответствующий канавке 48), расположенный по радиусу с внутренней стороны относительно распределительной камеры.
В варианте осуществления изобретения согласно фиг. 3 конфигурация, полученная посредством электроэрозии, определяет радиальный проход 84, пересекающий канавку 45 и обеспечивающий сообщение между канавками 47 и 48. Вблизи от отверстия расточки 81 также образована радиальная стенка 87, вынуждающая топливо растекаться практически на 360° во внутреннем кольцевом участке. Поэтому в примере согласно фиг. 3 два вышеупомянутых кольцевых участка, образующих проходной участок 86 основного контура, соединены последовательно. Топливо основного контура проникает в этот лабиринт через расточку 82, циркулирует вокруг распределительной камеры 30 по радиусу с наружной стороны, а затем по радиусу с внутренней стороны относительно последней перед подведением к полости 79 через расточку 81 и затем проход 80.
Поскольку поток топлива в основном контуре является постоянным, охлаждение распределительной камеры 30 будет обеспечено при любых обстоятельствах, что позволяет избежать явления коксования топлива в распределительной камере, которое может произойти, если расход во вспомогательном контуре равен нулю или является весьма малым.
На фиг. 6 показан альтернативный вариант распределительной камеры 30 и проходного участка 86а, обеспечивающего ее охлаждение.
Распределительная камера содержит две симметричных части (образуемых двумя симметричными канавками 45а, 45b), питаемых по отдельности посредством двух расточек 19b1, 19b2, обе из которых соединены с проходом 19а.
Каждый из двух кольцевых участков, внутреннего и наружного, образованных канавками, которые окружают канавки 45а, 45b, содержит два ответвления, смежные соответственно с двумя симметричными частями распределительной камеры (канавками 45а, 45b), соответственно.
Таким образом, наружный кольцевой участок содержит два таких симметричных ответвления (канавки 47а, 47b), которые по отдельности питают две расточки 82а, 82b, сообщающиеся с полостью 79 через проходы 80а и 80b. Они сходятся у радиального прохода 87, расположенного между двумя симметричными частями распределительной камеры и соединяются с внутренним кольцевым участком, который также содержит два симметричных ответвления (канавки 48а, 48b), которые сходятся в месте, диаметрально противоположном проходу 87, для соединения с расточкой 81, питаемой посредством прохода 17а.
Симметричный поток топлива, который является следствием этой конфигурации проходного участка 86а, смежного с распределительной камерой, обеспечивает особенно однородное охлаждение последней.
В альтернативном варианте согласно фиг. 7, на которой идентичные конструктивные элементы обозначены теми же самыми ссылочными позициями, дефлектор для завихрения воздуха, расположенный вокруг сопла 27, модифицирован. Он состоит из двух собранных в осевом направлении кольцевых направляющих 90, 91, образующих два «завихрителя» с противоположным вращением. Другими словами, обеспечено различие между внутренним дефлектором 90а для завихрения воздуха и наружным дефлектором 91а для завихрения воздуха, отделенных кольцевой направляющей 90, которой придана конфигурация для образования сопла Вентури. Другая кольцевая направляющая 91 проходит ниже по потоку до чашки, чтобы избежать взаимодействий с «завихрителем», связанным с распределительной камерой 30. Такая компоновка обеспечивает увеличение «сдвига» в воздушных потоках, которые участвуют в распылении топлива, выходящего из сопла. Тот факт, что два завихрителя, образуемых вокруг сопла, обеспечивают противоположное вращение, способствует концентрации распыления топлива вблизи от оси Х. Наличие сопла Вентури обеспечивает ускорение с последующим замедлением капель топлива, инжектируемых соплом, что в значительной степени способствует распылению топлива. Воздух, выходящий из наружного завихрителя, будет введен в чашку с компонентом, направленным к оси Х. Зона слияния обоих воздушных потоков, выходящих из двух завихрителей, создает потоки с высокой степенью турбулентности, повышая распыление топлива. В общем, такое построение обеспечивает оптимальную устойчивость и оптимальные рабочие характеристики камеры сгорания при низких скоростях двигателя.
1. Многорежимный топливный инжектор для камер сгорания, содержащий, по меньшей мере, две соосные системы для распыления топлива, при этом периферийная система распыления содержит распределитель с кольцевой распределительной камерой, сообщающейся с множеством инжекционных отверстий для топлива, распределенных через равные интервалы по окружности, и кольцевой дефлектор для завихрения воздуха, отличающийся тем, что кольцевой дефлектор для завихрения воздуха установлен по радиусу с наружной стороны относительно множества инжекционных отверстий и содержит лопатки, образующие инжекционные каналы для воздуха, отстоящие через равные интервалы по окружности и направляющие воздух к струям топлива, выходящим из инжекционных отверстий, причем для каждой оси инжекции топлива, определяемой инжекционным отверстием, имеется соответствующий инжекционный канал для воздуха, по меньшей мере, самая внутренняя по радиусу часть которого имеет медиану, по существу, пересекающую ось инжекции топлива, при этом кольцевой дефлектор содержит две соосные стенки с внутренним усечением соответственно выше по потоку и ниже по потоку, причем их конусность направлена вниз по потоку, при этом кольцевая распределительная камера содержит усеченную стенку, в которой выполнены отверстия, причем наружная поверхность усеченной стенки параллельна внутренней поверхности верхней по потоку стенки кольцевого дефлектора или сливается с ней.
2. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что число инжекционных отверстий для топлива равно числу инжекционных каналов для воздуха.
3. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что число инжекционных каналов для воздуха кратно числу инжекционных отверстий для топлива.
4. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что угол конусности упомянутых поверхностей находится в диапазоне от 45 до 80°.
5. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что верхняя по потоку стенка дефлектора содержит внутреннюю цилиндрическую зону, в которой в состоянии зацепления находится сферическая зона с диаметром, соответствующим распределителю.
6. Инжектор по п.1, отличающийся тем, что распределитель состоит из двух кольцевых частей с цилиндрическими зонами, одна из которых зацеплена с другой и между ними образована кольцевая камера.
7. Инжектор по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что другая система распыления, содержащая осевое сопло для инжекции топлива, обеспечена другим дефлектором для завихрения воздуха, расположенным вокруг сопла, и двумя смонтированными в осевом направлении кольцевыми направляющими, образующими два завихрителя с противоположным вращением.
8. Камера сгорания, отличающаяся тем, что она содержит множество многорежимных топливных инжекторов по п.1.
9. Реактивный двигатель, отличающийся тем, что он содержит камеру сгорания по п.8.
