Топливная форсунка для турбомашины
FUEL INJECTOR FOR TURBOMACHINE

Предложенное изобретение относится к топливной форсунке для кольцевой камеры сгорания турбинного двигателя, такого как турбореактивный или турбовинтовой двигатель.
Обычно турбинный двигатель включает кольцевую камеру сгорания, расположенную на выходе компрессора высокого давления и выполненную со множеством топливных форсунок, равномерно распределенных окружным образом на входе указанной камеры. Каждая топливная форсунка содержит рукав, отходящий от наружного кольцевого кожуха, окружающего камеру сгорания, причем головка форсунки выполнена на выпускном конце рукава.
В форсунке данного типа центральный канал для выпуска топлива в камеру сгорания окружен снаружи кольцевым каналом. Центральный канал обеспечивает постоянную циркуляцию топлива, а кольцевой канал обеспечивает периодическую циркуляцию топлива во время особых стадий полета воздушного судна, требующих потребления добавочного топлива.
Выражение «выше по потоку» и «ниже по потоку» относится к взаимным положениям элементов относительно друг друга применительно к циркуляции топлива в направлении его протекания в топливной форсунке.
Таким образом, центральный канал образует, так называемый, первичный топливный контур, а кольцевой канал образует вторичный топливный контур.
При этом, основной недостаток периодического использования вторичного контура заключается в том, что вследствие высокой температуры, обусловленной излучением пламени в камере сгорания, возникает спекание топлива, застаивающегося внутри указанного контура при его размыкании. В результате спекания топлива, застаивающегося внутри вторичного контура, циркуляция топлива в данном контуре может быть нарушена. Данная проблема особенно существенна в области рукава форсунки.
Для уменьшения указанной опасности спекания, вокруг рукава форсунки может быть выполнен теплозащитный экран. Однако данное решение приводит к увеличению массы каждой форсунки и, следовательно, турбинного двигателя, вызывая повышенное потребление топлива.
Целью предложенного изобретения, в частности, является обеспечение простого, эффективного и недорогого решения данной проблемы.
С указанной целью в соответствии с изобретением предложена топливная форсунка, такая как форсунка для кольцевой камеры сгорания турбинного двигателя, содержащая головку, расположенную внизу по потоку и имеющую центральное выпускное отверстие и окружающее его периферийное кольцевое выпускное отверстие, а также рукав форсунки, расположенный выше по потоку от головки и содержащий коаксиальные центральный и кольцевой каналы, отличающаяся тем, что центральный канал проточно соединен с периферийным выпускным отверстием, а кольцевой канал проточно соединен с центральным выпускным отверстием.
Согласно изобретению, в периферийное выпускное отверстие, окружающее центральное выпускное отверстие и предназначенное только для работы в периодическом режиме, поступает топливо из центрального канала рукава форсунки, при этом указанный канал окружен кольцевым каналом, внутри которого топливо протекает в непрерывном режиме для подачи в центральное выпускное отверстие головки форсунки. Таким образом, центральный канал рукава защищен кольцевым каналом, что препятствует спеканию топлива внутри данного канала.
Изобретение не требует использования дополнительного средства термической защиты рукава, которое является тяжелым и громоздким, что упрощает процесс изготовления форсунки и уменьшает ее производственную стоимость.
В итоге, сборка и разборка форсунки тоже упрощаются, поскольку средство термической защиты использовать уже не требуется.
Согласно другой особенности изобретения, нижние по потоку концы центрального и кольцевого каналов рукава соединены, соответственно, по меньшей мере с первым проходом, соединенным ниже по потоку с периферийным выпускным отверстием, и по меньшей мере со вторым проходом, соединенным ниже по потоку с центральным выпускным отверстием, при этом первый и второй проходы выполнены в кольцевом корпусе, расположенном в месте соединения головки и рукава.
Первый и второй каналы обеспечивают измененный поток топлива в головку форсунки, так что топливо, циркулирующее в кольцевом канале рукава, проходит в центральное выпускное отверстие, а топливо, протекающее в центральном канале рукава, выходит из головки форсунки через периферийное выпускное отверстие, окружающее центральное выпускное отверстие.
Кольцевой корпус, предпочтительно, образован как единое целое, что облегчает его встраивание по месту соединения головки форсунки и ее рукава.
В одном варианте выполнения изобретения нижний по потоку конец первого прохода выходит в кольцевой канал головки форсунки, внутри и снаружи ограниченной двумя, соответственно, внутренним и внешним кольцевыми коаксиальными наконечниками, при этом нижний по потоку конец второго прохода открыт во внутренний наконечник.
Согласно еще одной особенности изобретения, кольцевой корпус имеет верхнее по потоку центральное отверстие, соединяющее верхний по потоку конец первого прохода с нижним по потоку концом кольцевого канала рукава, и заднее центральное отверстие, соединяющее нижний по потоку конец второго прохода с кольцевым каналом головки форсунки.
Согласно особой конфигурации встраивания кольцевого корпуса в форсунку, верхний по потоку конец внутреннего наконечника вставлен с обеспечением уплотнения в трубчатый проход, образующий нижнее по потоку центральное отверстие корпуса, а верхний по потоку конец наружного наконечника окружает с обеспечением уплотнения нижний по потоку конец наружного периферийного кольцевого корпуса.
Верхнее по потоку центральное отверстие корпуса, предпочтительно, образовано трубчатой частью, проходящей в направлении вверх по потоку относительно расположенной ниже по потоку кольцевой части корпуса, при этом трубчатая часть расположена с уплотнением вокруг или внутри заднего конца трубы, образующей центральный канал рукава.
Форсунка, преимущественно, имеет множество первых и вторых проходов, расположенных чередующимся образом вокруг оси, проходящей через центральные отверстия, образованные вверху и внизу по потоку кольцевого корпуса.
Кроме того, изобретение относится к камере сгорания, содержащей по меньшей мере одну форсунку вышеописанного типа.
Изобретение также относится к турбинному двигателю, такому как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, содержащему камеру сгорания согласно вышеописанному абзацу.
И наконец, изобретение относится к кольцевому корпусу, содержащему первое и второе центральное отверстие, расположенное на каждом одном из первого и второго концов корпуса, и множество первых и вторых проходов, расположенных чередующимся образом вокруг оси X, проходящей через два центральных отверстия кольцевого корпуса, так что первые проходы выходят на концах корпуса в первое центральное отверстие корпуса и вокруг второго центрального отверстия, а вторые проходы выходят на концах корпуса во второе центральное отверстие корпуса и вокруг первого центрального отверстия.
Согласно другой особенности, первое центральное отверстие образовано выступающей трубчатой частью, а второе центральное отверстие образовано трубчатым переходом кольцевого корпуса.
Изобретение, а также его детали, отличительные особенности и преимущества будут лучше поняты и оценены после прочтения приведенного ниже описания, представленного в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- на Фиг. 1 представлено схематическое изображение форсунки согласно изобретению, в осевом разрезе;
- на Фиг. 2 представлено схематическое увеличенное изображение фрагмента, ограниченного пунктирными линиями на Фиг. 1, в частности показаны проходы для измененной циркуляции топлива, согласно изобретению;
- на Фиг. 3 представлено схематическое изображение, подобное Фиг. 2, при этом плоскость разреза смещена в угловом направлении относительно Фиг. 2 для демонстрации проходов для измененной циркуляции топлива;
- на Фиг. 4 представлен схематический вид в перспективе и спереди корпуса, в котором расположены проходы для измененной циркуляции топлива;
- на Фиг. 5 представлен схематический вид в перспективе снизу по потоку корпуса, в котором расположены проходы для измененной циркуляции топлива.
На Фиг. 1 изображена топливная форсунка 10 согласно изобретению, образованная рукавом 12, который наружным концом установлен на кожухе 14, окружающем камеру сгорания. На нижнем по потоку конце рукава 12 расположена головка 16 форсунки, выходящая в камеру сгорания. Данный тип выполнения форсунки 10, находящейся внутри кожуха 14, и камера сгорания хорошо известны специалистам в данной области техники, и их подробное описание, а также особенности изобретения, относящиеся к форсунке 10 как таковой, не приводится. Тем не менее, изобретение также относится к камере сгорания, содержащей указанную форсунку 10.
Рукав 12 форсунки имеет L-образную форму и содержит центральный канал 18 и окружающий его снаружи кольцевой канал 20. Расположенная ниже по потоку головка 16 форсунки 10 включает центральное выпускное отверстие 22 для топлива и окружающее его периферийное выпускное отверстие 24.
Согласно известному уровню техники (не показано), центральный канал 18 рукава 12 форсунки 10 проточно соединен с центральным выпускным отверстием 22 и образует первичный контур циркуляции топлива, обеспечивающий непрерывную подачу топлива в камеру сгорания. Кольцевой канал 20 проточно соединен с периферийным выпускным отверстием 24 и образует вторичный контур циркуляции топлива, работающий периодическим образом.
Как указано выше, застаивание топлива в кольцевом канале 20 рукава 12 форсунки 10 может приводить к спеканию под влиянием высокой температуры, обусловленной тепловым излучением пламени горения, что приводит к недостаточной циркуляции топлива во вторичном контуре.
Предложенное изобретение решает указанную проблему с помощью циркуляции топлива из первичного контура в кольцевой канал 20 рукава 12 форсунки 10 и топлива из вторичного контура в центральный канал 18 указанной форсунки. Таким образом, в рукаве 12 форсунки 10 топливо из первичного контура не дает застаиваться топливу во вторичном контуре и предотвращает образование нагара, тем самым, обеспечивая оптимальную работу форсунки 10 согласно изобретению.
Для этой цели форсунка 10 согласно изобретению содержит кольцевой корпус 26, который изготовлен как единое целое. Данный корпус 26 имеет два центральных отверстия, верхнее по потоку отверстие 28 и нижнее по потоку отверстие 30. Верхнее по потоку отверстие 28 выполнено из трубчатой части, проходящей вверх по потоку от радиальной кольцевой поверхности 32 нижней по потоку кольцевой части 34 корпуса 26. Нижнее по потоку отверстие 30 части 34 корпуса 26 состоит из трубчатого прохода или выемки. Трубчатая часть 28 и трубчатый проход 30 выполнены коаксиальным образом и проходят вдоль оси X кольцевого корпуса 26.
Нижняя по потоку кольцевая часть 34 кольцевого корпуса 26 включает первые проходы 36 и вторые проходы 38 (Фиг. 2 и Фиг. 3). Первые проходы 36, предпочтительно, сходящиеся книзу по потоку в направлении оси X, своими верхними по потоку концами открыты в трубчатую часть 28, а нижними по потоку концами в нижнюю по потоку радиальную кольцевую поверхность 40 указанной части 34 кольцевого корпуса, которая окружает нижнее по потоку выпускное отверстие трубчатого перехода 30. Указанные первые проходы 36 содержат верхние по потоку части 42, которые расходятся относительно друг друга книзу по потоку, и нижние по потоку части 44, которые проходят, по существу, вдоль оси X. Вторые проходы 38 своими верхними по потоку концами выходят в верхнюю по потоку радиальную кольцевую поверхность 32 кольцевой нижней по потоку части 34 корпуса 26, а нижними по потоку концами в трубчатый проход 30 указанной части 34.
Как изображено на Фиг. 4 и Фиг. 5, первые проходы 36 и вторые проходы 38 расположены в чередующемся порядке вокруг оси X. В представленном примере кольцевой корпус 26 содержит четыре первых прохода 36 и четыре вторых прохода 38.
Кольцевой корпус 26 установлен в месте соединения нижнего по потоку конца рукава 12 и верхнего по потоку конца головки 16 форсунки 10, так что верхняя по потоку трубчатая часть 28 корпуса 26 установлена вокруг нижнего по потоку конца трубки 46, образующей центральный канал 18. Нижний по потоку конец 48 трубки, ограничивающей кольцевой канал 20 рукава 12, расширяется и расположен с обеспечением выравнивания с наружной периферической поверхностью нижней по потоку части 34 корпуса 26.
Головка 16 форсунки 10 содержит два кольцевых наконечника, внутренний наконечник 50 и наружный наконечник 52, между которыми образован кольцевой канал 54, в который выходят нижние по потоку концы первых проходов 36. Верхняя по потоку концевая часть внутреннего кольцевого наконечника 50 вставлена с обеспечением уплотнения в трубчатый проход 30, в который выходят нижние по потоку концы вторых проходов 38. Верхняя по потоку концевая часть наружного кольцевого наконечника 52 окружает нижнюю по потоку периферическую поверхность нижней по потоку части 34 кольцевого корпуса 26. На верхнем по потоку конце наружного кольцевого наконечника 52 выполнен кольцевой обод 56, окружающий втулку 58, нижний по потоку конец которой установлен вокруг нижней по потоку части 34 трубчатого корпуса 26.
Внутренний трубчатый наконечник 50 имеет сквозные отверстия 60, выходящие в радиальном наружном направлении в кольцевое пространство 62, которое снаружи ограничено промежуточным наконечником 64, вставляемым между внутренним наконечником 50 и наружным наконечником 52. Нижний по потоку конец промежуточного наконечника 64 содержит первичный кольцевой завихритель 66, который обеспечивает вращение топлива первичного контура способом, хорошо известным специалистам в данной области техники.
На наружной периферической поверхности промежуточного наконечника 64 выполнен вторичный завихритель 68, обеспечивающий вращение топливу вторичного контура.
Как изображено на Фиг. 4 и Фиг. 5, каждая из трубчатой части 28 и нижней по потоку части 34 кольцевого корпуса 26 имеет по четыре отверстия 70, 72, равномерно распределенные вокруг оси X кольцевого корпуса 26. Каждое из отверстий 72 нижней по потоку части 34 кольцевого корпуса 26 проходит между двумя последовательными вторыми нижними по потоку частями 44 первых проходов 36 и выходит внутрь трубчатого прохода 30. Отверстия 70 трубчатой части 28 выходят во внутреннее пространство указанной части. При сборке форсунки указанные отверстия обеспечивают возможность припаивания трубчатой части 28 на нижнем по потоку конце трубки 46 центрального канала 18 рукава 12. Подобным образом, отверстия 72 нижней по потоку части 34 цилиндрического корпуса 26 обеспечивают возможность припаивания наружной периферической поверхности трубчатого перехода 30 на верхней по потоку конце внутреннего наконечника 50.
Как изображено на Фиг. 2, промежуточный наконечник 64 тоже имеет сквозные отверстия 74, обеспечивающие возможность его припаивания к внутреннему наконечнику 50.