УСТРОЙСТВО ВПРЫСКИВАНИЯ СМЕСИ ТОПЛИВА С ВОЗДУХОМ, КАМЕРА СГОРАНИЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СНАБЖЕННЫЙ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ
INJECTION DEVICE OF FUEL-AIR MIXTURE, COMBUSTION CHAMBER AND GAS TURBINE ENGINE EQUIPPED WITH SUCH DEVICE

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и касается устройства впрыскивания смеси топлива с воздухом в камеру сгорания газотурбинного двигателя.
Более конкретно, это изобретение касается нового типа сборки устройства аэродинамического впрыскивания.
В дальнейшем термины "спереди по потоку" или "сзади по потоку" будут использованы для обозначения позиций элементов конструкции друг по отношению к другу в осевом направлении, принимая в качестве ориентира направление течения потока газов. Кроме того, термины "внутренний" или "внутренний в радиальном направлении" и "наружный" или "наружный в радиальном направлении" будут использоваться для обозначения позиций элементов конструкции друг по отношению к другу в радиальном направлении, принимая в качестве ориентира ось вращения газотурбинного двигателя.
Газотурбинный двигатель имеет в своем составе один или несколько компрессоров, подающих воздух под давлением в камеру сгорания, в которой воздух смешивается с топливом, и полученная таким образом смесь воспламеняется и горит с образованием горячих газов сгорания. Поток газов движется к задней по потоку части камеры сгорания в направлении одной или нескольких турбин, которые преобразуют полученную в результате энергию для приведения во вращательное движение одного или нескольких упомянутых компрессоров и совершения работы, необходимой, например, для создания тяги в самолете.
Обычно камеры сгорания, используемые в авиационных двигателях, содержат внутреннюю стенку и наружную стенку, связанные между собой на их передних по потоку концах при помощи донной части этой камеры сгорания. Донная часть камеры сгорания содержит множество отстоящих друг от друга в окружном направлении отверстий, в каждом из которых устанавливается устройство впрыскивания, которое позволяет подать смесь топлива с воздухом в камеру сгорания. Каждое устройство впрыскивания содержит, в частности, инжектор топлива или топливную форсунку, радиальные устройства завихрения, трубку Вентури, воронкообразный корпус и дефлектор, связанные между собой, причем донная часть камеры сгорания закрепляется на дефлекторе.
Существует несколько типов камер сгорания: так называемые камеры сгорания с "одной головкой", которые называют также "обычными", то есть камеры сгорания, имеющие один-единственный окружной ряд устройств впрыскивания, и так называемые камеры сгорания с "несколькими головками", имеющие несколько окружных рядов устройств впрыскивания. Среди камер сгорания с одной головкой различают так называемые камеры сгорания "с уменьшенной высотой первичной зоны" в отличие от классических камер сгорания с одной головкой. Высота первичной зоны соответствует расстоянию между внутренней стенкой и наружной стенкой камеры сгорания, измеренному по потоку непосредственно за располагающимся сзади по потоку концом упомянутого воронкообразного корпуса.
В случае классической камеры сгорания с одной головкой, проиллюстрированной, например, в патенте FR 2753779, поверхность контакта между воронкообразным корпусом и дефлектором образует в целом цилиндр, диаметр которого превышает наружный диаметр устройств завихрения.
В дальнейшем, как это проиллюстрировано на приведенной в приложении фиг.1, позиция D1 будет обозначать диаметр цилиндра, соответствующего поверхности контакта между воронкообразным корпусом и дефлектором, а позиция D2 будет обозначать наружный диаметр устройств завихрения.
В случае камеры сгорания с несколькими головками или камеры сгорания с одной головкой, но с уменьшенной высотой первичной зоны, пространство, располагаемое для встраивания устройств впрыскивания, оказывается несколько меньшим, чем в случае классической камеры сгорания с одной головкой. Таким образом, диаметр D1 оказывается ограниченным. Поэтому для некоторых газотурбинных двигателей может оказаться необходимым использовать воронкообразные корпуса с так называемой "высокой проницаемостью", в отличие от так называемых "обычных" воронкообразных корпусов. Эта проницаемость представляет собой способность устройства впрыскивания подавать некоторый объем воздуха во внутреннюю полость воронкообразного корпуса таким образом, чтобы образовать требуемую смесь воздуха и топлива. Воронкообразные корпуса с высокой проницаемостью снабжены системой устройств завихрения, входное поперечное сечение которой является более значительным, чем для обычных воронкообразных корпусов. Это приводит к более значительным осевым габаритным размерам системы устройств завихрения и сказывается также на радиальных габаритных размерах устройства впрыскивания, которое также оказывается большим, чем в случае обычных воронкообразных корпусов. Использование воронкообразных корпусов с большой проницаемостью заставляет, кроме того, сохранять достаточное питание воздухом под давлением на уровне отверстий введения воздуха, выполненных на этом воронкообразном корпусе позади по потоку от радиальных устройств завихрения. Для камеры сгорания с несколькими головками или для камеры сгорания с одной головкой, но с уменьшенной высотой первичной зоны, где диаметр D1 оказывается ограниченным, наружный диаметр устройств завихрения D2 становится превышающим диаметр D1, что делает невозможным питание отверстий введения воздуха.
Данное изобретение позволяет решить данную задачу, предлагая устройство впрыскивания, содержащее воронкообразный корпус с высокой проницаемостью, выполненный с возможностью установки в камеры сгорания с несколькими головками или в камеры сгорания с одной головкой, но с уменьшенной высотой первичной зоны, причем это устройство впрыскивания всегда обеспечивает ту же функциональность, что и устройство впрыскивания, снабженное обычным воронкообразным корпусом, а именно обеспечивает подачу смеси топлива с воздухом, имеющей те же самые характеристики. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет получить устройство впрыскивания, характеризующееся уменьшенными габаритными размерами по отношению к устройствам классического типа, что приводит к искомому снижению массы.
Таким образом, задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы обеспечить достаточное сечение питания отверстий введения воздуха благодаря новому устройству впрыскивания, позволяющему иметь диаметр устройств завихрения, больший чем диаметр, соответствующий поверхности контакта между дефлектором и воронкообразным корпусом.
Более конкретно, предлагаемое изобретение относится к устройству впрыскивания смеси топлива с воздухом в камеру сгорания газотурбинного двигателя, причем устройство впрыскивания обладает вращательной симметрией относительно некоторой оси и содержит располагающиеся последовательно, спереди назад по потоку в направлении течения газов, радиальные устройства завихрения, имеющие наружный диаметр D2, воронкообразный корпус, отстоящий в осевом направлении от этих радиальных устройств завихрения, опорное кольцо устройства впрыскивания, располагающееся вокруг воронкообразного корпуса, причем этот воронкообразный корпус содержит цилиндрическую стенку, продолженную расширяющейся стенкой, снабженной отверстиями для введения воздуха, причем в этом устройстве впрыскивания упомянутое опорное кольцо содержит располагающиеся последовательно, спереди назад по потоку в направлении течения газов, первую цилиндрическую часть, имеющую наружный диаметр D3 и связанную с второй цилиндрической частью, имеющей диаметр D4 и отстоящей в осевом направлении от упомянутой первой цилиндрической части, причем эта первая цилиндрическая часть связана с цилиндрической стенкой воронкообразного корпуса при помощи множества опорных лапок.
Предпочтительно, чтобы диаметр D3 имел величину, меньшую, чем величина диаметра D2.
Предпочтительно также, чтобы упомянутые опорные лапки были равномерно распределены в окружном направлении вокруг воронкообразного корпуса. Кроме того, поскольку следующие друг за другом отверстия для введения воздуха связаны остаточной стенкой, эти опорные лапки предпочтительно располагать против этой остаточной стенки.
Целесообразно, чтобы вдоль окружного направления указанные опорные лапки имели толщину, меньшую чем толщина остаточной стенки между двумя соседними отверстиями для введения воздуха.
Целесообразно также, чтобы диаметр D3 был больше диаметра D4.
Предпочтительно, чтобы вторая цилиндрическая часть опорного кольца была снабжена кольцевым радиальным выступом, ориентированным в направлении оси этой цилиндрической части. Указанный радиальный выступ может быть снабжен отверстиями охлаждения.
Предлагаемое изобретение также относится к камере сгорания, содержащей внутреннюю стенку, наружную стенку и донную часть камеры сгорания и снабженной по меньшей мере одним предлагаемым устройством впрыскивания.
И наконец, предлагаемое изобретение относится к газотурбинному двигателю, снабженному предлагаемой камерой сгорания.
В дальнейшем, изобретение поясняется описанием предпочтительного и не являющегося ограничительным примера его осуществления, приводимые со ссылками на приведенные в приложении чертежи, в числе которых:
- Фиг.1 представляет собой схематический вид в разрезе устройства впрыскивания в соответствии с существующим уровнем техники в данной области;
- Фиг.2 представляет собой схематический вид в разрезе газотурбинного двигателя и, более конкретно, авиационного турбореактивного двигателя;
- Фиг.3 представляет собой схематический вид в разрезе примера реализации устройства впрыскивания в соответствии с предлагаемым изобретением;
- Фиг.4 представляет собой схематический вид в разрезе другого примера реализации устройства впрыскивания в соответствии с предлагаемым изобретением;
- Фиг.5 представляет собой частичный схематический вид спереди по потоку боковой части устройства впрыскивания в соответствии с предлагаемым изобретением.
Устройство впрыскивания в соответствии с предшествующим уровнем техники, представленное в разрезе на фиг.1, было описано выше.
На фиг.2 представлен схематичный вид в разрезе газотурбинного двигателя 1, например авиационного турбореактивного двигателя, содержащего компрессор низкого давления 2, компрессор высокого давления 3, камеру сгорания 4, турбину низкого давления 5 и турбину высокого давления 6. Камера сгорания 4 может представлять собой камеру сгорания кольцевого типа и может быть ограничена двумя кольцевыми стенками, отстоящими друг от друга в радиальном направлении по отношению к оси Х вращения данного турбореактивного двигателя и связанными своими передними по потоку концами с донной частью 8 этой кольцевой камеры сгорания. Донная часть 8 камеры сгорания содержит множество отверстий (не показанных на приведенных в приложении чертежах), равномерно отстоящих друг от друга в окружном направлении. В каждое из этих отверстий вставляется устройство впрыскивания. Газы сгорания протекают к задней по потоку части камеры сгорания 4 и поступают затем в турбины 5 и 6, которые приводят во вращательное движение соответственно компрессоры 2 и 3, располагающиеся по потоку перед донной частью камеры сгорания 8, соответственно посредством двух валов 9 и 10. Компрессор высокого давления 3 питает воздухом устройства впрыскивания, а также два кольцевых пространства, располагающихся в радиальном направлении соответственно внутри и снаружи камеры сгорания 4. Воздух, введенный в камеру сгорания 4, принимает участие в испарении топлива и в его сгорании. Воздух, движущийся снаружи от стенок камеры сгорания 4, участвует в охлаждении этих стенок и проникает в камеру сгорания через отверстия разжижения (на приведенных в приложении чертежах не показаны) для того, чтобы охлаждать газы сгорания, поступающие в турбину.
На фиг.3 представлен схематичный вид в разрезе примера реализации устройства впрыскивания 20 в соответствии с предлагаемым изобретением. Это устройство впрыскивания 20 содержит, в частности, воронкообразный корпус 30, трубку Вентури 40, два радиальных устройства завихрения 42 и 43, дефлектор 11, а также опорное кольцо 50 устройства впрыскивания 20 в донной части 8 камеры сгорания. Дефлектор 11 располагается в камере сгорания параллельно донной части 8 этой камеры и охлаждается при помощи потока воздуха, проходящего через сквозные отверстия 12, выполненные в донной части 8 камеры сгорания. Воронкообразный корпус 30 установлен внутри дефлектора 11 при помощи опорного кольца 50. Этот воронкообразный корпус 30 содержит стенку 31, расширяющуюся в направлении по потоку в продолжении цилиндрической стенки 32, располагающейся коаксиально по отношению к оси 33. Эта расширяющаяся стенка 31 содержит множество отверстий 34 для введения воздуха, питаемых воздухом, поступающим из компрессора высокого давления 3 через кольцевое поперечное сечение S, а также кольцевую горловину 37. Кольцевая горловина 37, в рассматриваемом примере реализации жестко связанная с расширяющейся стенкой 31, может быть произвольным образом выполнена на опорном кольце 50. Цилиндрическая стенка 32 охватывает трубку Вентури 40, располагающуюся по оси 33, внутренний контур 41 которой имеет сужающуюся, а затем расширяющуюся форму. Трубка Вентури 40 ограничивает потоки воздуха, поступающие из первичного устройства завихрения 42 и из вторичного устройства завихрения 43. Система, образованная первичным и вторичным устройствами завихрения, имеет наружный диаметр D2.
Упомянутое опорное кольцо 50 образовано первой передней по потоку цилиндрической частью 51, имеющей ось 33 и наружный диаметр D3 и второй задней по потоку цилиндрической частью 52, коаксиальной по отношению к первой передней по потоку цилиндрической части 51 и имеющей наружный диаметр D4, причем диаметр D4 превышает диаметр D3. Передняя по потоку 51 и задняя по потоку 52 цилиндрические части связаны между собой при помощи промежуточной конической стенки таким образом, чтобы восполнить расхождение между диаметрами цилиндрических частей 51 и 52.
Задняя по потоку цилиндрическая часть 52 снабжена на своем заднем по потоку конце кольцевым радиальным выступом 53, ориентированным в направлении оси 33. Радиальный выступ 53 входит в контакт с расширяющейся стенкой 31 воронкообразного корпуса таким образом, чтобы поверхность контакта была расположена по потоку позади от отверстий введения воздуха 34. Радиальный выступ 53 снабжен отверстиями охлаждения 54, функция которых состоит в том, чтобы подать воздух, поступающий из компрессора высокого давления 3, для охлаждения кольцевой горловины 37. Дефлектор 11 установлен на опорное кольцо 50 на уровне его задней по потоку цилиндрической части 52, причем поверхность контакта между дефлектором 11 и опорным кольцом 50 в целом представляет собой цилиндр с осью 33, имеющий диаметр D4. В рассматриваемом примере реализации дефлектор 11 и опорное кольцо 50 представляют собой две различные детали, но они также могут быть выполнены в виде одной единственной детали, как это показано на фиг.4.
е
m,
Передняя по потоку цилиндрическая часть 51 опорного кольца 50 связана с цилиндрической стенкой 32 воронкообразного корпуса 30 при помощи множества опорных лапок 55, распределенных равномерным образом в окружном направлении. Эти опорные лапки 55 могут быть использованы, например, в количестве от 5 до 8 штук. Как это можно видеть на фиг.5, каждая опорная лапка располагается в пространстве между осями двух смежных отверстий введения воздуха 34, против остаточного конструкционного материала, заключенных между двумя этими отверстиями, таким образом, чтобы не перекрывать отверстие 34 даже частично. Толщина этих опорных лапок вдоль окружного направления  меньше, чем толщина остаточного конструкционного материала существующего между двумя смежными отверстиями 34. Средство углового индексирования опорного кольца 50 по отношению к отверстиям введения воздуха 34 может быть предусмотрено, например, благодаря канавкам, выполненным при помощи механической обработки на наружной поверхности цилиндрической стенки 32 воронкообразного корпуса 30. Опорные лапки 55 в процессе монтажа будут размещаться при этом в упомянутых канавках, не допуская, таким образом, установки опорного кольца 50 с одной или несколькими из этих опорных лапок 55, оказывающимися против одного или нескольких отверстий введения воздуха 34.
Опорные лапки 55 позволяют выполнить кольцевое проходное сечение S между опорным кольцом 50 и цилиндрической стенкой 32 воронкообразного корпуса 30. Опорные лапки могут быть припаяны к воронкообразному корпусу 30.
Донная часть камеры сгорания 8 устанавливается на переднюю по потоку цилиндрическую часть 51 опорного кольца 50. Поверхность контакта между двумя этими деталями в целом представляет собой цилиндр с осью 33, имеющий диаметр D3. Диаметр D3 соответствует упомянутому выше диаметру D1. Очевидно, что благодаря предлагаемому изобретению сечение S, предназначенное для прохода воздуха между опорным кольцом 50 и воронкообразным корпусом 30, может быть выполнено с диаметром D3, меньшим, чем наружный диаметр D2 устройств завихрения 42 и 43. Таким образом, питание воздухом отверстий введения 34 и отверстий охлаждения 54 обеспечивается. Кроме того, радиальный габаритный размер устройства впрыскивания 20 оказывается уменьшенным, поскольку установка устройства впрыскивания 20 на донную часть камеры сгорания 8 осуществляется на уменьшенный диаметр D3. Например, для устройства впрыскивания в соответствии с предшествующим уровнем техники, в котором величина диаметра D1 находится в диапазоне примерно от 55 мм до 60 мм, устройство впрыскивания в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет получить величину диаметра D3 в диапазоне примерно от 40 мм до 50 мм, то есть обеспечить выигрыш в диапазоне от 10 мм до 15 мм в этом примере реализации.