УСТРОЙСТВО ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
GAS TURBINE ENGINE FUEL INJECTOR AND GAS TURBINE WITH SAID INJECTOR

Описание
Предлагаемое изобретение относится к устройству впрыскивания топлива в газотурбинном двигателе, например в авиационном турбореактивном двигателе или в турбовинтовом двигателе.
Это устройство в общем случае имеет в своем составе по меньшей мере один насос высокого давления, приводимый в движение при помощи турбины газотурбинного двигателя, входная часть которого связана с топливным резервуаром, а его выходная часть связана с управляемыми средствами регулирования расхода топлива, содержащими клапан-дозатор, которые, в свою очередь, связаны при помощи средства подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива, иногда называемого стопорным клапаном, с устройствами впрыскивания топлива, располагающимися в камере сгорания газотурбинного двигателя.
Упомянутое средство подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива содержит поршень, выполненный с возможностью перемещения в цилиндрическом корпусе между положением открытия и положением закрытия канала питания топливных форсунок, причем указанный поршень под воздействием, с одной стороны, давления топлива на выходе из клапана-дозатора, а с другой стороны, управляющего давления обеспечивает закрытие канала питания топливных форсунок в том случае, когда давление топлива имеет величину, меньшую некоторого предварительно заданного порогового значения.
В процессе нормального функционирования газотурбинного двигателя различие давления топлива между выходом и входом насоса имеет величину, достаточную для того, чтобы управлять вспомогательным оборудованием, содержащим, в частности, лопатки с изменяемым углом установки (это оборудование в дальнейшем будет называться оборудованием с изменяемой геометрией).
В том случае, когда происходит нарушение нормального горения топлива, что влечет за собой остановку двигателя, желательно иметь возможность повторно запустить двигатель в полете, используя только вращение вала двигателя, приводимого в движение в результате прохождения набегающего потока воздуха через этот газотурбинный двигатель.
Скорость повторного запуска газотурбинного двигателя в этих условиях оказывается значительно меньшей, чем скорость вращения в полете или в процессе нормального запуска, осуществляемого на земле при помощи стартера. Насос высокого давления устройства впрыскивания топлива приводится в движение с этой относительно небольшой скоростью вращения и не может вследствие этого подавать топливо под давлением, достаточным для открытия средства подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива и для управления оборудованием с изменяемой геометрией.
В существующем уровне техники были предложены различные средства, предназначенные для решения этой проблемы.
В патентной заявке ЕР-А-1231368, поданной на имя заявителя, было предложено средство подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива с двумя уровнями избыточного давления  топлива в функции скорости вращения вала газотурбинного двигателя, причем нижний из этих уровней соответствует функционированию двигателя в режиме малого газа и в режимах малого потребления топлива, а более высокий уровень может обеспечивать функционирование двигателя при высоких расходах топлива. Это средство подачи топлива под давлением управляется при помощи клапана-дозатора средств регулирования расхода топлива посредством нескольких диафрагм, установленных параллельно между насосом высокого давления, клапаном-дозатором и средством подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива.
Недостаток этого известного технического решения состоит в том, что упомянутый низкий уровень давления топлива оказывается недостаточным для управления оборудованием с изменяемой геометрией. Это техническое решение также требует модификации клапана-дозатора и установки упомянутых диафрагм, вследствие чего имеет достаточно высокую стоимость.
Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы устранить вышеуказанную проблему достаточно простым, эффективным и дешевым способом, в частности, без преобразования клапана-дозатора.
Для решения этой задачи предлагается устройство впрыскивания топлива в газотурбинном двигателе, содержащее по меньшей мере один насос, связывающий топливный резервуар со средствами регулирования расхода, обеспечивающими питание топливных форсунок посредством клапана подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива, причем клапан содержит поршень, выполненный с возможностью перемещения в цилиндрическом корпусе между положением открытия и положением перекрытия питания топливных форсунок, причем поршень под действием избыточного давления топлива обеспечивает прерывание питания топливных форсунок в случае, когда это избыточное давление имеет величину, меньшую некоторого предварительно заданного порогового значения, отличающееся тем, что клапан подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива содержит средства, предназначенные для приложения к упомянутому поршню, начиная с режима малого газа газотурбинного двигателя, противодавления, увеличивающего избыточное давление топлива выше второго предварительно заданного порогового значения, причем указанное второе пороговое значение превышает первое пороговое значение и имеет минимальную величину, требуемую для управления оборудованием данного газотурбинного двигателя с изменяемой геометрией.
Таким образом, в соответствии с предлагаемым изобретением средства, позволяющие задавать второе пороговое значение избыточного давления топлива, образуют часть клапана питания топливом под давлением и прерывания подачи топлива и не являются частью средств регулирования расхода топлива.
Упомянутое второе пороговое значение избыточного давления топлива позволяет, начиная с режима малого газа, обеспечить управление оборудованием с изменяемой геометрией, таким, например, как лопатки с изменяемым углом установки.
Первое пороговое значение избыточного давления топлива позволяет обеспечить легкий запуск двигателя на земле и повторный запуск двигателя в полете под действием только лишь вращения вала двигателя, вызываемого прохождением набегающего потока воздуха через газотурбинный двигатель.
Целесообразно, чтобы средство приложения противодавления содержало отверстие, сформированное в цилиндрическом корпусе клапана и питаемое давлением на выходе из насоса, причем это отверстие перекрывается поршнем в его положении перекрытия питания топливных форсунок и оказывается открытым в результате перемещения поршня, начиная с режима малого газа газотурбинного двигателя.
Переход от первого порогового значения избыточного давления к второму пороговому значению избыточного давления определяется ходом поршня между его положением перекрытия питания топливных форсунок и положением открытия отверстия в цилиндрическом корпусе, то есть по существу положением этого отверстия вдоль оси перемещения поршня.
Целесообразно также, чтобы величина второго порогового значения избыточного давления определялась диаметром упомянутого отверстия.
Скорость перехода между первым и вторым пороговыми значениями может быть определена формой этого отверстия.
Так, например, отверстие, сформированное в корпусе клапана, содержит цилиндрический проход, диаметр которого определяет величину второго порогового значения избыточного давления, причем этот цилиндрический проход открывается в кольцевую канавку, выполненную на внутренней цилиндрической поверхности корпуса клапана, причем эта канавка имеет осевой размер, или размер в направлении оси перемещения поршня, который превышает диаметр упомянутого цилиндрического прохода, предназначенного для сообщения с кольцевой канавкой поршня, в которой сформированы радиальные отверстия, открывающиеся во внутреннюю полость, выполненную в поршне.
Такая конфигурация позволяет существенно увеличить скорость перехода между первым и вторым пороговыми значениями избыточного давления и, следовательно, очень быстро располагать в режиме малого газа давлением топлива, достаточным для управления оборудованием газотурбинного двигателя с изменяемой геометрией.
Предлагается также газотурбинный двигатель, в частности, авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, который имеет в своем составе устройство впрыскивания топлива в соответствии с п.1.
Другие характеристики, подробности и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из описания примеров его осуществления, приводимого со ссылками на фигуры, в числе которых:
Фиг.1 представляет собой схематический вид устройства впрыскивания топлива в соответствии с предлагаемым изобретением;
Фиг.2 представляет собой график, демонстрирующий изменение разности давления топлива в функции впрыскиваемого расхода;
Фиг.3 представляет собой схематический вид в осевом разрезе клапана подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива устройства в соответствии с предлагаемым изобретением.
Устройство впрыскивания топлива, схематически представленное на фиг.1, содержит насос высокого давления 10, входная часть которого связана при помощи насоса низкого давления 12 и при помощи фильтров с топливным резервуаром 14, а его выходная часть связана со средством регулирования расхода 16 (FMV или Fuel Metering Valve) классического типа, позволяющим дозировать количество топлива, направляемого в топливные форсунки 18, в функции условий функционирования газотурбинного двигателя.
Клапан 20 подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива установлен между выходной частью средства 16 регулирования расхода и каналом 22 питания топливных форсунок 18, причем этот клапан 20, называемый также стопорным клапаном, является чувствительным к давлению Р топлива на выходе из средства 16 регулирования расхода топлива и не допускающим питание топливом топливных форсунок 18 до тех пор, пока это давление Р не достигнет некоторой величины, то есть до тех пор, пока избыточное давление топлива остается меньшим, чем упомянутое первое пороговое значение, причем это избыточное давление топлива соответствует разности давлений между выходом и входом насоса 10.
Указанное пороговое значение определяется таким образом, чтобы обеспечить возможность повторного запуска газотурбинного двигателя в полете в том случае, когда вал этого двигателя приводится во вращательное движение только при помощи набегающего потока воздуха, который движется в этом газотурбинном двигателе.
Это пороговое значение избыточного давления топлива, которое является относительно низким (и составляющим, например, приблизительно 19 бар), также облегчает запуск газотурбинного двигателя на земле при помощи стартера, работающего, например, на сжатом воздухе.
В соответствии с предлагаемым изобретением клапан 20 подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива спроектирован таким образом, чтобы определять второе пороговое значение избыточного давления топлива, превышающее первое пороговое значение, которое должно быть достигнуто или превышено после того, как завершается фаза запуска или повторного запуска в полете данного газотурбинного двигателя, причем это второе пороговое значение избыточного давления топлива имеет величину, например, порядка 30 бар и является достаточно высоким для того, чтобы это избыточное давление, то есть разность давлений РН-РВ между выходом и входом насоса 10, было достаточным для управления системой 24 вспомогательного оборудования с изменяемой геометрией, содержащего, в частности, приводные механизмы лопаток с изменяемым углом установки.
Диаграмма, приведенная на фиг.2, представляет изменение разности давлений РН-РВ в функции расхода топлива, подаваемого в топливные форсунки 18, причем кривая 1 представляет это изменение в том случае, когда клапан подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива определяет только одно пороговое значение избыточного давления, а кривая 11 представляет это изменение в случае использования клапана 20 в соответствии с предлагаемым изобретением, который определяет два пороговых значения избыточного давления топлива, как об этом уже было сказано в предшествующем изложении.
На диаграмме можно видеть, что в устройстве в соответствии с предлагаемым изобретением переход между первым и вторым пороговыми значениями избыточного давления топлива осуществляется очень быстро для точного расхода впрыскиваемого топлива, который является относительно очень малым и который достигается после того, как фазы запуска или повторного запуска завершены. Таким образом, в том случае, когда данный газотурбинный двигатель функционирует в режиме малого газа, разность давлений РН-РВ является более высокой, чем 30 бар, и оказывается вполне достаточной для того, чтобы управлять оборудованием с изменяемой геометрией.
Далее со ссылками на фиг.3 будут описаны характеристики клапана 20 подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива, которые позволяют определить два упомянутых выше пороговых значения избыточного давления топлива.
Этот клапан, который изображен на фигурах 1 и 3 в вертикальном положении, содержит цилиндрический корпус 30, нижний открытый конец которого связан с выходной частью средства 16 регулирования расхода топлива, и поршень 32, направляемый в своем герметичном движении скольжения во внутренней полости корпуса 30 между нижним положением, представленным на фиг.3 и соответствующим положению перекрытия канала 22 питания топливных форсунок 18, и верхним положением, в котором этот поршень открывает упомянутый канал питания.
Нижнее положение поршня 32 определяется посадочным местом 34, которое неподвижно зафиксировано в нижнем открытом конце корпуса 30.
Поршень 32 постоянно испытывает усилие возврата в свое нижнее положение, соответствующее его опоре на посадочное место 34, при помощи пружины 36, установленной вокруг поршня и упирающейся на своих концах в наружный кольцевой выступ 38 верхней части поршня 32 и в посадочное место 40, неподвижно установленное на верхнем конце корпуса 30.
Посадочное место 40 несет на себе центральный датчик 42, например, датчик электромагнитного типа, предназначенный для определения осевого положения штока 44, связанного с поршнем 32.
В представленном примере поршень 32 имеет трубчатую цилиндрическую форму, закрытую на его нижнем конце и открытую на его верхнем конце, причем шток 44 проходит внутри поршня 32 и побуждается к упору в донную часть поршня при помощи возвратной пружины 46, которая упирается своим нижним концом в круговой выступ 48, выполненный на нижнем конце штока 44, и которая упирается своим верхним концом в посадочное место 40, установленное фиксированным образом на верхнем конце корпуса 30, причем пружина 46, как и пружина 36, служит для возврата поршня 32 в его нижнее положение упора в посадочное место 34.
Первое пороговое значение избыточного давления определяется путем приложения к внутренней полости корпуса 30 давления топлива из входной части насоса 10, причем это давление прикладывается через по меньшей мере одно отверстие 50, сформированное в той части корпуса 30, которая располагается выше поршня 32, таким образом, чтобы это давление РВ имело возможность воздействовать на поршень 32 при любом положении этого поршня для того, чтобы толкать его в направлении вниз.
Второе пороговое значение избыточного давления определяется путем приложения к поршню 32 давления топлива РН на выходе из насоса 10 посредством отверстия 52, сформированного в корпусе 30 на уровне, более низком, чем уровень расположения отверстия 50, таким образом, чтобы это отверстие 52 могло быть перекрыто поршнем 32 в том случае, когда этот поршень находится в своем нижнем положении, и могло оставаться открытым в том случае, когда этот поршень перемещается в направлении вверх под действием давления Р топлива на выходе из средства 16 регулирования расхода, причем давление РН топлива при этом воздействует на поршень 32 для его перемещения в направлении вниз и это давление Р определяется давлением в канале 22 питания топливных форсунок, давлением в корпусе 30 и расходом топлива, подаваемого в топливные форсунки.
Более конкретно, отверстие 52 содержит цилиндрический проход 54, который открывается снаружи от корпуса 30 и глубина которого меньше толщины корпуса 30 в данном месте, кольцевую канавку 56, сформированную во внутренней цилиндрической поверхности корпуса 30 на высоте расположения прохода 54, и отверстие 58 весьма малого диаметра, сформированное в толще материала, отделяющего проход 54 от кольцевой канавки 56, и обеспечивающее их сообщение друг с другом.
Цилиндрическая стенка поршня 32 может содержать по меньшей мере одно и, предпочтительно, несколько радиальных отверстий 60, сформированных в одной и той же поперечной плоскости и распределенных вокруг оси поршня, которые выполнены в кольцевой канавке наружной периферийной поверхности поршня и которые предназначены для выведения на уровень расположения кольцевой канавки 56 корпуса 30 в том случае, когда поршень перемещается в направлении вверх под действием давления Р топлива, приложенного к нижнему концу корпуса 30.
Как это можно видеть на фиг.3, в том случае, когда поршень 32 находится в своем нижнем положении перекрытия канала 22 питания топливных форсунок 18, кольцевая канавка поршня 32, в которой сформированы радиальные отверстия 60, располагается на небольшом осевом расстоянии от кольцевой канавки 56 внутренней поверхности корпуса 30.
Это осевое расстояние определяет продолжительность первого порогового значения избыточного давления.
Уровень второго порогового значения избыточного давления определяется диаметром отверстия 58 и величина впрыскиваемого расхода топлива, для которого осуществляется переход между двумя этими пороговыми значениями избыточного давления, определяется осевым положением отверстия 58 в корпусе 30.
Из приведенного выше описания можно видеть, что предлагаемое изобретение позволяет определить два пороговых значения избыточного давления топлива, одно из которых предназначено для запуска двигателя на земле и в полете, а другое, начиная с режима малого газа, обеспечивает простую и относительно дешевую модификацию клапана подачи топлива под давлением и прерывания подачи топлива.