ИНЖЕКТОРНАЯ СИСТЕМА, КАМЕРА СГОРАНИЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ИНЖЕКТОРНУЮ СИСТЕМУ, И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
INJECTION SYSTEM, COMBUSTION CHAMBER CONTAINING INJECTION SYSTEM, AND GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области инжекторно-топливных систем.
Изобретение, в частности, относится к круглому расширительному кольцу, центрованному по главной оси и предназначенному для установки на топливный инжектор, коаксиальный с этим кольцом, указанное кольцо снабжено отверстиями, распределенными вокруг этой главной оси, открывающимися к входной поверхности и обеспечивающими проход воздуха к выходной зоне этого кольца.
Как изображено на фиг.5, представляющей известный уровень техники, топливо впрыскивается в камеру 100 сгорания (например, в камеру сгорания газотурбинного двигателя) инжектором 10, который размещен на конце топливопровода. Этот инжектор 10 имеет по существу цилиндрическую форму и содержит расширительное кольцо 220, круглое относительно главной оси А, которое окружает часть инжектора 10, при этом инжектор коаксиален расширительному кольцу. Расширительное кольцо 220 содержит аксиальную цилиндрическую часть 222, внутренняя радиальная поверхность которой находится в контакте или близка к внешней поверхности инжектора 10. Роль этого кольца 220 заключается в возможности выборки зазора между инжектором 10 и элементами днища камеры сгорания, этот зазор обусловлен термическими напряжениями, которым подвергаются эти детали. В процессе горения на выходной части 12 инжектора 10 может образоваться отложение нагара, вызванное неправильным сгоранием топлива. Отложения нагара являются нежелательными, так как они ухудшают распыление топлива инжекторами 10.
В описании использованы термины «входной» и «выходной» в отношении направления нормальной циркуляции топлива на выход из инжектора (если не указано иное), то есть слева направо на фиг.5. Прилагательные «внутренний» и «внешний» относятся к указанию близости относительно главной оси А.
Для предотвращения отложения нагара, расширительное кольцо 220 снабжают отверстиями 226, ориентированными по существу аксиально (то есть в направлении главной оси А), которые позволяют воздуху аксиально проникать в зону, размещенную на выходе инжектора 10. Таким образом, этот воздух проникает далее параллельно боковой кольцевой стенке инжектора во входную зону инжектора и формирует слой или пленку воздуха вокруг инжектора, что позволяет помешать отложению нагара на выходном конце инжектора. На фиг.5 эти отверстия 226 выполнены в радиальной стенке 224 расширительного кольца 220, радиально продолжающейся к наружному выходному концу цилиндрической части 222 этого кольца.
Тесты и эксплуатация, осуществленные заявителем, показывают, однако, что такая воздушная пленка является источником неудобств. Действительно, детали днища камеры сгорания размещены непосредственно на выходе инжектора. В частности речь идет о завихрителе 40 первичного воздуха и трубке Вентури 50. Таким образом, завихритель 40 первичного воздуха является кольцевой деталью, коаксиальной с инжектором 10, размещенной непосредственно на выходе расширительного кольца 220, внутренний диаметр которого превышает диаметр инжектора. Завихритель 40 первичного воздуха по всей своей окружности имеет первичные отверстия 42, через которые воздух проникает в зону, расположенную на выходе инжектора 10. Первичные отверстия 42 ориентированы таким образом, что их оси размещены в плоскости, радиальной по отношению к главной оси, с наклоном по окружности. Таким образом, воздух, выходящий из первичных отверстий 42, проникает в выходную зону инжектора 10, вращаясь вокруг главной оси А и образуя завихрение или турбулентный поток. Непосредственно за завихрителем 40 первичного воздуха размещена трубка Вентури 50, которая является кольцевым элементом, коаксиальным инжектору 10. Трубка Вентури 50 имеет радиальную стенку, которая простирается к выходу (своей внутренней частью) конфузором 52, то есть конической стенкой, которая приближается к главной оси А в сторону выхода. Конфузор 52 переходит в горловину 54, затем в диффузор 56, выходная часть которого расширяется наружу. Конфузор 52, таким образом, размещается на выходе инжектора 10 и расположен по существу в аксиальном продолжении отверстий 226 расширительного кольца 220.
При исследованиях, проведенных заявителем, было обнаружено, что воздух, выходящий из отверстий 226, проникает в зону на выходе инжектора 10 (и кольца 220), создавая турбулентность. Настоящее изобретение направлено на устранение указанных недостатков либо, по меньшей мере, их уменьшение.
В изобретении предлагается такое расширительное кольцо, в котором воздух, выходящий из выполненных в нем отверстий, проникает в зону на выходе инжектора гомогенно без влияния на выходную часть инжектора.
Эта цель достигается тем, что расширительное кольцо содержит коническую сужающуюся к выходу кольцевую прорезь, открытую к выходу, при этом отверстия открываются во входной части этой прорези, а ось каждого из этих отверстий образует с главной осью угол, по существу превышающий угол, который образует с этой главной осью образующая конуса, определяющая кольцевую прорезь, при этом воздух, выходящий из отверстий, сталкивается с внутренней стенкой кольцевой прорезью, наиболее близкой к главной оси.
Благодаря такому расположению, воздух, выходящий из отверстий, не проникает непосредственно в выходную зону инжектора, а сталкивается вначале с внутренней стенкой кольцевой прорези и затем перенаправляется вдоль кольцевой прорези. Таким образом, воздух выходит из кольцевой прорези гомогенно (то есть скорость воздуха при выходе из кольцевой прорези практически такая же, как в отверстии кольцевой прорези, таким образом, поток воздуха не является турбулентным). Кроме того, угол кольцевой прорези с главной осью таков, что воздух, выходящий из прорези, не воздействует на поверхность инжектора. Таким образом, не происходит осаждение нагара на поверхности инжектора.
Предпочтительно, расширительное кольцо содержит цилиндрическую часть вокруг главной оси, а также радиальную стенку, которая радиально продолжается по направлению к внешнему выходу этой части цилиндра, причем кольцевая прорезь открывается в направлении выхода области, где цилиндрическая часть встречается с радиальной стенкой.
Предпочтительно, отверстия расширительного кольца имеют наклон по окружности относительно главной оси, этот наклон придает проходящему через них воздуху вращательное движение вокруг главной оси.
Например, этот наклон вызывает циркуляцию воздуха по часовой стрелке вокруг главной оси в направлении истечения топлива. Попеременно этот наклон порождает циркуляцию воздуха в направлении против часовой стрелки вокруг главной оси в направлении истечения топлива.
Изобретение предлагает также инжекторную систему, содержащую расширительное кольцо, при прохождении через отверстия которого воздух не вызывает отложений нагара на выходном конце инжектора и не вызывает отложений нагара на конфузоре трубки Вентури, такие отложения нежелательны, так как они вызывают ухудшение впрыска топлива инжекторами.
Эта цель достигается тем, что воздух, выходящий из кольцевой прорези, не оказывает влияния на выходную часть инжектора и выходит из кольцевой прорези в направлении, по существу параллельном направлению истечения воздуха, выходящего из завихрителя первичного воздуха, так что эти два потока воздуха не смешиваются (или, по меньшей мере, больше на выходе).
Благодаря такому расположению, кроме того что воздух выходит из кольцевой щели гомогенно, этот воздух не вызывает отложения нагара на конце инжектора и этот воздух не волнует поток воздуха, выходящий из завихрителя первичного воздуха. Таким образом, отложение нагара на конфузоре трубки Вентури не происходит.
Предпочтительно, образующая конуса, определяющая кольцевую прорезь расширительного кольца, образует с главной осью угол, равный или превышающий угол, который образует конфузор трубки Вентури с этой главной осью, для того чтобы воздух, выходящий из кольцевой прорези, не оказывал влияния на конфузор трубки Вентури.
Таким образом, вероятность образования нагара на конфузоре трубки Вентури еще больше сокращается.
Следовательно, камера сгорания может работать с малым количеством впрыскиваемого топлива (более низкий порог затухания горения). В случае когда самолет снабжен двигателями (газотурбинными двигателями) с такими камерами сгорания, камеры сгорания лучше работают при малых скоростях самолета.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 изображает в разрезе инжекторную систему камеры сгорания, содержащую расширительное кольцо по изобретению,
- фиг.2 изображает аксонометрию расширительного кольца по изобретению,
- фиг.3 изображает вид в продольном разрезе расширительного кольца по изобретению,
- фиг.4 изображает поперечный разрез другого варианта осуществления расширительного кольца по изобретению,
- фиг.5 изображает инжекторную систему камеры сгорания, содержащую расширительное кольцо из известного уровня техники.
Фиг.1 изображает инжекторную систему камеры 100 сгорания газотурбинного двигателя. Эта инжекторная система идентична инжекторной системе, изображенной на фиг.5, за исключением расширительного кольца. Топливо впрыскивается в камеру 100 сгорания (например, в камеру сгорания газотурбинного двигателя) инжектором 10. Этот инжектор 10 выполнен по существу цилиндрическим и содержит расширительное кольцо 20, кольцевое относительно главной оси А, которое окружает часть инжектора 10, при этом инжектор коаксиален с расширительным кольцом. Расширительное кольцо 20 содержит аксиальную цилиндрическую часть 22, радиальная внутренняя поверхность которой находится в контакте или почти в контакте с внешней поверхностью инжектора 10. Расширительное кольцо 20 на входе цилиндрической части 22 содержит конический ободок 21, который продолжает эту цилиндрическую часть, радиально раскрываясь к входу. Цилиндрическая часть 22 и ободок 21 имеют по существу постоянную толщину. Внутренняя поверхность цилиндрической части 22 охватывает инжектор 10 до выходной части 12 этого инжектора, то есть до конца инжектора 10, откуда топливо впрыскивается в камеру 100 сгорания, размещенную на выходе инжектора. Конечная часть цилиндрической части 22 расширительного кольца 20 либо слегка выступает, либо находится на одной линии с выходной частью инжектора 10.
Конечная часть цилиндрической части 22 радиально продолжается к выходу радиальной стенкой 24 таким образом, что внутренняя поверхность цилиндрической части 22 и выходная поверхность радиальной части 24 образуют по существу прямой угол. Радиальная стенка 24 имеет по существу постоянную величину. С входной стороны радиальной стенки 24 там, где эта стенка сходится с цилиндрической стенкой 22, расширительное кольцо 20 содержит кольцевой прилив 30, по существу имеющий форму тора. Таким образом, входная часть радиальной стенки 24 продолжается к входу поверхностью кольцевого прилива 30, причем эта поверхность соединяется с внешней поверхностью цилиндрической части 22. Таким образом, как видно на продольном разрезе, изображенном на фиг.1, линия входной поверхности радиальной стенки 24 перпендикулярна главной оси А и продолжается под прямым углом к входной части линией кольцевого прилива 30, причем эта линия по существу соответствует четверти кольца до линии внешней поверхности цилиндрической части 22. Линия поверхности кольцевого прилива 30 соединяется с линией внешней поверхности цилиндрической части 22 с образованием прямого угла. В соответствии с вариантами осуществления переходы между поверхностью кольцевого прилива 30 и кольцевой поверхностью радиальной стенки 24 или внешней поверхностью цилиндрической части 22 могут быть выполнены также с закруглением.
Фиг.2 и 3 детализируют структуру расширительного кольца 20. Кольцевой прилив 30 выполнен полым с кольцевой прорезью 32, конически сходящейся к выходу, и открыт на выходном конце 34. Кольцевая прорезь 32 образует, таким образом, непрерывную полость. Эта кольцевая прорезь 32 ограничена внутренней стенкой 38, внешней стенкой относительно внутренней стенки 38 и по существу тороидальной стенкой (имеющей форму половины тора с осью вращения по главной оси А, разрезанного по плоскости, по существу перпендикулярной оси вращения). Внутренняя стенка 38 и внешняя стенка кольцевой прорези 32 стенки по существу параллельны и соединены этой по существу тороидальной стенкой.
Во входной части кольцевой прорези 32 выполнены прямолинейные отверстия 26, распределенные вокруг главной оси А и открывающиеся, с одной стороны, на по существу тороидальную стенку, и с другой стороны, на поверхность прилива 30. Отверстия 26 могут быть сквозными.
Ось каждого из отверстий 26 пересекает главную ось А. Отверстия 26 не размещены в продолжение кольцевой прорези 32, то есть ось каждого из этих отверстий не параллельна образующей конуса, определяющей кольцевую прорезь 32. Более того, ось каждого из отверстий 26 образует с главной осью А угол, по существу превышающий угол, который образует образующая конуса, определяющая кольцевую прорезь 32, с этой главной осью таким образом, что воздух (поступающий из камеры сгорания), выходящий из отверстий 26, сталкивается с внутренней поверхностью 38 кольцевой прорези 32. Место столкновения с внутренней стенкой 38 воздуха, выходящего из отверстий 36, обычно находится в первой трети входной части кольцевой прорези 32. Таким образом, после своего столкновения с внутренней стенкой 38 воздух перенаправляется вдоль кольцевой прорези 32 и выходит из нее гомогенно.
Обычно отверстия 26 имеют диаметр от 0,8 и до 1,5 мм для того, чтобы воздух, проходящий из этих отверстий в кольцевую прорезь 32, имел расход и скорость истечения, которые обеспечивали бы наилучшую однородность потока воздуха на выходе из кольцевой прорези 32.
Обычно количество отверстий 26 составляет от 10 до 20.
Обычно высота прорези (расстояние между внутренней стенкой 38 и внешней стенкой) составляет от 1,5 до 3 мм. Длина прорези составляет от 2 до 3 ее высоты.
При расположении на одной линии или небольшом сдвиге расширительного кольца 20 относительно конца 12 инжектора 10 воздух не сталкивается с этим концом 12, что исключает отложения нагара на последнем.
Фиг.4 изображает поперечный разрез на уровне отверстий 26 расширительного кольца 20 в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения. Отверстия 26 выполнены с наклоном по окружности, то есть ось каждого из отверстий 26 не пересекает главную ось А. Обычно угол наклона по окружности отверстий 26 составляет от 20° до 45° (в абсолютных значениях), то есть выполненные с наклоном под таким углом отверстия 26 обеспечивают циркуляцию воздуха по часовой стрелке или против часовой стрелки, вокруг главной оси А в направлении истечения топлива. На фиг.4 эта циркуляция воздуха показана в направлении часовой стрелки.
На фиг.1-4 выходной конец внутренней стенки 38 кольцевой прорези 32 и выходной конец внутренней поверхности цилиндрической стенки 22 встречаются по существу в одной точке. Альтернативно кольцевая прорезь 32 может иметь больший радиус (то есть быть более удаленной от главной оси А), кольцевой прилив 30 при этом смещен наружу. В этом случае выходной конец внутренней стенки 38 кольцевой прорези 32 и выходной конец внутренней поверхности цилиндрической стенки 22 не встречаются на уровне выходной поверхности радиальной стенки 24, а соединяются частью этой выходной поверхности.
Как показано на фиг.1, детали днища камеры сгорания размещены непосредственно на выходе инжектора 10 и расширительного кольца 20. Речь, в частности, идет о завихрителе 40 первичного воздуха и трубке Вентури 50. Таким образом, завихритель 40 первичного воздуха является кольцевой деталью, коаксиальной с инжектором 10, размещенной непосредственно на выходе из расширительного кольца 20, внутренний диаметр которого превышает диаметр инжектора 10. Этот завихритель 40 первичного воздуха снабжен по окружности первичными отверстиями 42, через которые воздух поступает в зону, расположенную на выходе инжектора 10. Первичные отверстия 42 ориентированы таким образом, что их оси размещаются в плоскости, аксиальной относительно главной оси с наклоном по окружности. Таким образом, воздух, выходящий из первичных отверстий 42, проникает в зону выхода инжектора 10, вращаясь вокруг главной оси А и формируя завихрение или турбулентный поток. В соответствии с наклоном по окружности этих отверстий 26 кольцевой прорези 32 воздух выходит через эти отверстия 26 кольцевой прорези 32, вращая в прямом или обратном направлениях воздух, выходящий из первичных отверстий 42. Для того чтобы не создавать турбулентности, предпочтительно, чтобы воздух, выходящий из кольцевой прорези 32, вращался в том же направлении, что и воздух, выходящий из первичных отверстий 42.
Во всех случаях (независимо от наличия или отсутствия наклона по окружности отверстий 26 кольцевой прорези), угол образующей конуса, определяющей кольцевую прорезь 32, с главной осью А таков, что воздух, проходящий через отверстия 26, и воздух, проходящий через первичные отверстия 42, не смешиваются или, во всяком случае, не сразу.
Непосредственно на выходе завихрителя 40 расположена трубка Вентури 50, которая является деталью, коаксиальной с инжектором 10. Трубка Вентури 50 имеет радиальную стенку, которая продолжается к выходу своего внутреннего конца конфузором 52, который является конической стенкой, приближающейся к главной оси А в сторону выхода. Конфузор 52 продолжен горловиной 54, затем диффузором 56, расширяющимся к выходу. Таким образом, конфузор 52 размещен на выходе инжектора 10. Угол, который образует образующая конуса, определяющая кольцевую прорезь 32, с главной осью А, равен или превышает угол, который образует конфузор трубки Вентури с этой главной осью А, таким образом, что воздух, проходящий через отверстия 26 кольцевой прорези 32, не сталкивается с конфузором 52. Таким образом, не происходит отложения нагара на конфузоре трубки Вентури. Действительно, так как нет столкновения воздуха (обычно смешивающегося с топливом) непосредственно на конфузоре 52, турбулентность вблизи поверхности конфузора не образуется, таким образом, отсутствует мертвая зона, где воздух имеет нулевую скорость, и, соответственно, нагар на поверхности конфузора 52 не образуется.
Наклон кольцевой прорези 32 зависит от наклона конфузора 52 трубки Вентури. Угол, который составляет образующая конуса, определяющего кольцевую прорезь, с главной осью А, обычно составляет от 30° до 60°.
Изобретение было описано для инжектроной системы камеры сгорания газотурбинного двигателя. Однако расширительное кольцо по изобретению может быть использовано с любым инжектором, на который оно может быть установлено.