СИСТЕМА ВПРЫСКИВАНИЯ СМЕСИ ВОЗДУХА С ТОПЛИВОМ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ
INJECTION SYSTEM OF AIR MIXED WITH FUEL TO COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к системе впрыскивания смеси воздуха с топливом в камеру сгорания газотурбинного двигателя, такого, например, как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета.
Система впрыскивания этого типа обычно имеет в своем составе топливный инжектор, а также первичные и вторичные завихрители, которые располагаются по потоку позади упомянутого топливного инжектора, коаксиально по отношению к нему, и каждый из которых ограничивает радиальный поток воздуха позади по потоку от места впрыскивания топлива для того, чтобы реализовать смесь воздуха с топливом, предназначенную для введения в камеру сгорания с последующим воспламенением этой смеси. Потоки воздуха, исходящие из двух завихрителей, ограничены трубкой Вентури, вставленной между двумя завихрителями и корпусом в форме усеченного конуса, который устанавливается по потоку позади этих завихрителей и которые ускоряют течение потока смеси воздуха с топливом, движущегося в направлении камеры сгорания.
Упомянутая трубка Вентури содержит внутреннюю поверхность, имеющую сжатие или сужение и ограничивающую камеру предварительного смешивания, в которой происходит смешивание части топлива, выдаваемого топливным инжектором, и потока воздуха, выдаваемого первичным завихрителем.
Уже было отмечено осаждение копоти и образование кокса на внутренней поверхности трубки Вентури, что влечет за собой многочисленные недостатки:
- эти места осаждения копоти и кокса могут формировать горячие точки, которые приводят к уменьшению срока службы трубки Вентури;
- эти осаждения также могут возмущать течение потока воздуха внутри трубки Вентури, впрыскивание топлива и смешивание топлива с потоком воздуха, поступающим из первичного завихрителя;
- наличие кокса и копоти также повышает степень образования загрязняющих газов, которые выбрасываются в атмосферу.
Таким образом, техническая задача данного изобретения состоит, в частности, в том, чтобы предложить достаточно простое, эффективное и экономичное техническое решение этих проблем, встречающихся в существующем уровне техники.
Для решения этой технической задачи в данном изобретении предлагается система впрыскивания смеси воздуха с топливом в камеру сгорания газотурбинного двигателя, имеющая в своем составе топливный инжектор и трубку Вентури, располагающуюся по потоку позади упомянутого инжектора и коаксиально по отношению к нему, причем эта трубка Вентури содержит внутреннюю поверхность, ограничивающую камеру предварительного смешивания, в которой смешиваются топливо и поток воздуха, поступающего из наружной камеры и проходящего через первичный завихритель, расположенный по потоку перед трубкой Вентури, отличающаяся тем, что упомянутая трубка Вентури содержит внутреннюю кольцевую полость, предназначенную для циркуляции воздуха, причем эта полость связана при помощи каналов для забора воздуха с упомянутой наружной камерой и при помощи каналов для выхода воздуха с камерой предварительного смешивания, причем эти каналы для выхода воздуха открываются на внутренней поверхности трубки Вентури для того, чтобы воспрепятствовать осаждению копоти и образованию кокса на этой поверхности.
В соответствии с предлагаемым изобретением расход воздуха, поступающего из наружной камеры, движется во внутренней полости трубки Вентури, после чего впрыскивается в камеру предварительного смешивания через каналы для выхода воздуха, открывающиеся на внутренней поверхности трубки Вентури, для того чтобы сформировать воздушную пленку, располагающуюся в непосредственной близости от упомянутой внутренней поверхности и противодействующую осаждению копоти и образованию кокса на этой поверхности. Расход воздуха, впрыскиваемого в камеру предварительного смешивания, является достаточным для того, чтобы не допустить вхождения смеси воздуха с топливом в контакт с внутренней поверхностью трубки Вентури, а также является достаточно малым для того, чтобы не препятствовать течению потока воздуха и впрыскиванию топлива во внутреннюю полость трубки Вентури и чтобы не вызывать отрыва потока на выходе из этой трубки Вентури. Расход воздуха, движущегося во внутренней полости трубки Вентури, составляет примерно от 0,5% до 1% от общего расхода воздуха, питающего данную систему впрыскивания.
В соответствии с другой характеристикой предлагаемого изобретения трубка Вентури содержит на ее переднем по потоку конце кольцевой выступ, проходящий в радиальном направлении наружу и отделяющий первичный завихритель от вторичного завихрителя, предназначенного для прохождения второго потока воздуха, причем упомянутая кольцевая полость проходит в кольцевом выступе трубки Вентури. Эта кольцевая полость в данном случае имеет поперечное сечение по существу L-образной формы.
В соответствии с одним из способов реализации предлагаемого изобретения трубка Вентури сформирована из двух кольцевых деталей, имеющих поперечное сечение по существу L-образной формы, вставленных коаксиально друг в друга, и которые соединены друг с другом при помощи пайки или сварки, причем эти первая и вторая детали ограничивают между собой кольцевую полость, предназначенную для циркуляции воздуха.
При этом упомянутая первая деталь проходит по потоку спереди и внутри второй детали и содержит переднюю по потоку и по существу радиальную стенку, которая связана на своей внутренней периферийной части с задней по потоку и по существу цилиндрической стенкой, в которой сформированы каналы для выхода воздуха. Вторая деталь содержит переднюю по потоку кольцевую и по существу радиальную стенку, которая связана на своей внутренней периферийной части с задней по потоку и по существу цилиндрической стенкой, причем эта радиальная стенка закреплена своей наружной периферийной частью на наружной периферийной части радиальной стенки упомянутой первой детали, и ее цилиндрическая стенка закреплена своим задним по потоку концом на заднем по потоку конце цилиндрической стенки упомянутой первой детали.
По меньшей мере часть каналов для забора воздуха может проходить по существу в радиальном направлении по отношению к оси топливного инжектора и может быть сформирована на наружной периферийной части радиальной стенки одной или каждой из упомянутых деталей. При этом воздух, поступающий из наружной камеры, проходит в радиальном направлении снаружи внутрь непосредственно внутри внутренней полости трубки Вентури.
В качестве варианта реализации или в качестве дополнительной характеристики по меньшей мере часть каналов для забора воздуха проходит по существу параллельно по отношению к оси топливного инжектора, и эти каналы проходят сквозь лопаточные аппараты вторичного завихрителя и сквозь радиальную стенку упомянутой второй детали. В этом случае воздух, поступающий из наружной камеры, движется в осевом противоположном потоку направлении в каналах, сформированных в лопаточных аппаратах вторичного завихрителя и в радиальной стенке упомянутой второй детали вплоть до попадания во внутреннюю полость трубки Вентури.
В соответствии с другой характеристикой предлагаемого изобретения каналы для выхода воздуха наклонены в осевом направлении и в окружном направлении по отношению к оси топливного инжектора, в том же направлении, что и лопатки первичного завихрителя, таким образом, чтобы воздух, выходящий из этих каналов, не возмущал течение потока воздуха, подаваемого упомянутым первичным завихрителем, и не сталкивался с головкой топливного инжектора. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет воспрепятствовать образованию коксовых отложений на стенках трубки Вентури без изменения течения потока воздуха и впрыскивания топлива во внутреннюю полость этой трубки Вентури.
Угол наклона в осевом направлении каждого канала для выхода воздуха, сформированный между осью этого канала и осью топливного инжектора, имеет величину, например, в диапазоне примерно от 10° до 40°, причем этот угол измеряется в плоскости, проходящей через ось топливного инжектора.
Угол наклона в окружном направлении каждого канала для выхода воздуха, сформированный между осью этого канала и плоскостью, проходящей через ось топливного инжектора, имеет величину, например, в диапазоне примерно от 50° до 75°, причем этот угол измеряется в плоскости, перпендикулярной по отношению к оси топливного инжектора.
Предпочтительным образом выходные отверстия каналов для выхода воздуха расположены равномерно вокруг оси топливного инжектора и распределены одним, двумя, тремя или четырьмя кольцевыми рядами, отстоящими друг от друга в осевом направлении. Наклоны этих выходных воздушных каналов в осевом направлении и в окружном направлении могут изменяться от одного ряда к другому.
Предлагаемая система впрыскивания имеет в своем составе, например, от 10 до 30 каналов для забора воздуха и от 10 до 30 каналов для выхода воздуха.
Предлагаемое изобретение относится также к газотурбинному двигателю, такому, например, как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, содержащему систему впрыскивания описанного выше типа.
Предлагаемое изобретение относится также к трубке Вентури, предназначенной для системы впрыскивания описанного выше типа и содержащей внутреннюю поверхность, имеющую сужение, отличающейся тем, что эта трубка сформирована из двух кольцевых деталей, имеющих поперечное сечение по существу L-образной формы, которые закреплены коаксиально друг в друге и которые ограничивают между собой внутреннюю полость, предназначенную для движения воздуха, причем внутренняя кольцевая деталь содержит цилиндрическую стенку, имеющую каналы для выхода воздуха, связанные на одном из своих концов с внутренней полостью и открывающиеся на других своих концах на упомянутой внутренней поверхности, и кольцевую наружную стенку, содержащую радиальную кольцевую стенку, имеющую на своей наружной периферийной части каналы для забора воздуха, связанные на одном из своих концов с упомянутой внутренней полостью.
Другие характеристики, детали и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже описания не являющихся ограничительными примеров его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении фигуры, среди которых:
- фиг.1 представляет собой половинный схематический вид в осевом разрезе диффузора и камеры сгорания газотурбинного двигателя;
- фиг.2 представляет собой частичный увеличенный схематический вид детали устройства, показанного на фиг.1, и демонстрирующий систему впрыскивания смеси воздуха с топливом в соответствии с существующим уровнем техники;
- фиг.3 представляет собой схематический вид, соответствующий виду, показанному на фиг.2, и демонстрирующий один из способов реализации системы впрыскивания в соответствии с предлагаемым изобретением;
4
- фиг.4 представляет собой увеличенный схематический вид детали I, показанной на фиг.3;
- фиг.5 представляет собой схематический вид, соответствующий виду, показанному на фиг.2, и демонстрирующий вариант реализации системы впрыскивания в соответствии с предлагаемым изобретением;
6
- фиг.6 представляет собой увеличенный схематический вид детали I, показанной на фиг.5;
- фиг.7 представляет собой схематический вид в разрезе по линии VII-VII, показанной на фиг.4, в увеличенном масштабе.
На фиг.1 представлена кольцевая камера 10 сгорания газотурбинного двигателя, такого, например, как турбореактивный или турбовинтовой двигатель самолета, причем эта камера сгорания размещена на выходе из диффузора 12, который в свою очередь расположен на выходе из компрессора (на приведенных в приложении фигурах не показан). Камера 10 сгорания содержит внутреннюю стенку 14, представляющую собой тело вращения, и наружную стенку 16, также представляющую собой тело вращения, связанные в своей передней по потоку части с кольцевой стенкой 18 донной части камеры сгорания и зафиксированные в своей задней по потоку части при помощи внутренней обечайки 20 в форме усеченного конуса и наружной обечайки 22 в форме усеченного конуса соответственно на внутренней оболочке 24 диффузора в форме усеченного конуса и на наружном кожухе 26 камеры сгорания, причем передний по потоку конец этого кожуха 26 связан с наружной оболочкой 28 диффузора в форме усеченного конуса.
Кольцевой обтекатель 29 закреплен на передних по потоку концах стенок 14, 16 и 18 камеры сгорания и содержит отверстия, предназначенные для прохождения воздуха и располагающиеся на одной линии с отверстиями 30, выполненными в стенке 18 донной части камеры сгорания, в которых устанавливаются системы 32 впрыскивания смеси воздуха с топливом в камеру сгорания, причем воздух, поступающий из диффузора 12, и топливо подводятся при помощи инжекторов (на приведенных в приложении фигурах не показаны), закрепленных на наружном кожухе 26 и равномерно распределенных вокруг оси камеры сгорания. При этом каждый инжектор содержит головку 36 впрыскивания топлива, расположенную на одной линии, соответствующей оси 38 соответствующего отверстия 30.
Некоторая часть расхода воздуха 38, подаваемого компрессором и выходящего из диффузора 12, питает внутренние кольцевые каналы 40 и наружные кольцевые каналы 42, окружающие камеру 10 сгорания (см. стрелки 44). Другая часть расхода этого воздуха проникает в кольцевую камеру 46, ограниченную обтекателем 29, проходит через систему 32 впрыскивания (см. стрелки 48 и 50) и затем смешивается с топливом, подводимым при помощи топливного инжектора и распыляемым в камере сгорания.
Система впрыскивания 32, которую более подробно можно видеть на фиг.2, содержит два установленных коаксиально и создающих турбулентность завихрителя, а именно передний по потоку завихритель 52 и задний по потоку завихритель 54, которые отделены один от другого при помощи трубки 56 Вентури и которые связаны в передней по потоку части с направляющими и центрирующими средствами 58 головки 36 топливного инжектора и связаны в задней по потоку части с корпусом смесителя 60, который устанавливается в осевом направлении в отверстии 30, выполненном в стенке 18 донной части камеры сгорания.
Каждый из упомянутых завихрителей 52, 54 содержит множество лопаток, проходящих в радиальном направлении вокруг оси данного завихрителя и равномерно распределенных вокруг этой оси для того, чтобы формировать завихренный поток воздуха 48, 50 в зоне, располагающейся по потоку позади головки 36 впрыскивания.
Направляющие средства 58 для головки 36 впрыскивания топливного инжектора содержат кольцо 62, сквозь которое в осевом направлении проходит эта головка 36 впрыскивания и которое установлено с возможностью скольжения в радиальном направлении во втулке 64, закрепленной на лопаточном аппарате первичного завихрителя 52.
Корпус смесителя 60 содержит по существу стенку в форме усеченного конуса, расширяющуюся в направлении по потоку и связанную на своем заднем по потоку конце с цилиндрическим выступом 66, проходящим в направлении против потока и установленным в осевом направлении в отверстие 30, выполненное в стенке 18 донной части камеры сгорания, вместе с кольцевым дефлектором 68. Передний по потоку конец стенки 60 корпуса в форме усеченного конуса связан с некоторой промежуточной кольцевой деталью 70, закрепленной на лопаточном аппарате вторичного завихрителя 54.
Трубка 56 Вентури имеет поперечное сечение по существу L-образной формы и содержит на своем переднем по потоку конце проходящий по существу в радиальном направлении кольцевой выступ 71, который вставлен в осевом направлении между двумя завихрителями 52, 54 и который ограничивает в осевом направлении, вместе с втулкой 64, располагающейся спереди по потоку, кольцевой канал прохождения потока воздуха 48 в первичном завихрителе 52, и ограничивает, вместе с кольцевой деталью 70, располагающейся позади по потоку, кольцевой канал прохождения потока воздуха 50 во вторичном завихрителе 54. Трубка 56 Вентури проходит в осевом направлении по потоку внутри вторичного завихрителя 54 и разделяет течения потоков воздуха, поступающих из переднего по потоку завихрителя 52 и из заднего по потоку завихрителя 54.
Трубка 56 Вентури содержит внутреннюю цилиндрическую поверхность 72, представляющую горловину и ограничивающую камеру 74 предварительного смешивания, в которой некоторая часть впрыскиваемого топлива смешивается с потоком воздуха 48, поступающим из первичного завихрителя 52. Эта предварительно полученная смесь воздуха с топливом затем смешивается, по потоку позади трубки Вентури, с потоком воздуха 50, поступающим из вторичного завихрителя 54, для того чтобы сформировать конус распыленного топлива внутри камеры сгорания.
В процессе функционирования полученная предварительно смесь воздуха с топливом, сформированная в камере 74, может вступать в контакт с внутренней поверхностью 72 трубки Вентури и вызывать осаждение копоти и образование кокса на этой поверхности, что может привести к снижению срока службы этой трубки 56 Вентури.
Предлагаемое изобретение позволяет устранить эту проблему в результате формирования воздушной пленки на внутренней поверхности 72 трубки Вентури, которая противодействует образованию кокса и осаждению копоти на этой поверхности. Этот результат обеспечивается путем использования полой трубки Вентури, содержащей внутреннюю кольцевую полость, предназначенную для движения воздуха, причем эта полость запитывается воздухом, поступающим из наружной камеры 46, и связана с каналами, предназначенными для выхода воздуха и открывающимися на внутренней поверхности 72 этой трубки Вентури.
В примере реализации, представленном на фиг.3 и 4, трубка 56 Вентури сформирована из двух кольцевых деталей 80, 82, имеющих поперечное сечение по существу L-образной формы, которые закреплены коаксиальным образом одна внутри другой и которые ограничивают между собой кольцевую полость 84, предназначенную для движения воздуха.
Эта полость 84 также имеет поперечное сечение по существу L-образной формы и имеет цилиндрический участок, который проходит в осевом направлении внутри трубки Вентури по существу на всем своем осевом протяжении и который связан на своем переднем по потоку конце с радиальным участком, который проходит внутри кругового выступа трубки Вентури по существу на всем своем радиальном протяжении.
Каждая из деталей 80, 82 содержит переднюю по потоку по существу радиальную кольцевую стенку 86, которая связана в своей внутренней периферийной части с задней по потоку и по существу цилиндрической стенкой 88. При этом радиальные стенки 86 деталей 80, 82 формируют кольцевой выступ 71 трубки Вентури.
Деталь 82, располагающаяся позади по потоку и снаружи, дополнительно содержит цилиндрический выступ 90, который проходит в противоположном потоку направлении от наружной периферийной части радиальной стенки 86 и который закрепляется при помощи пайки или сварки на наружной периферийной части радиальной стенки 86 другой детали 80.
Этот цилиндрический выступ 90 содержит проходящие по существу в радиальном направлении отверстия или каналы 92 для забора воздуха, которые обеспечивают сообщение для текучей среды между камерой 46 и внутренней полостью 84 трубки Вентури. Система впрыскивания 32 содержит, например, от 10 до 30 каналов 92, которые равномерно распределены вокруг оси трубки Вентури.
Задний по потоку конец цилиндрической стенки 88 детали 82 закреплен при помощи пайки или сварки на заднем по потоку конце цилиндрической стенки другой детали.
Цилиндрическая стенка 88 детали 80, расположенная спереди по потоку и изнутри, содержит отверстия или каналы 94 для выхода воздуха, которые открываются на одном из своих концов на внутренней поверхности 72 трубки Вентури и открываются на другом своем конце во внутреннюю полость 84 для того, чтобы обеспечить сообщение для текучей среды между этой полостью 84 и камерой 74 предварительного смешивания.
Такая система впрыскивания 32 содержит, например, от 10 до 30 каналов 94, которые распределены несколькими кольцевыми рядами, например, в три кольцевых ряда в представленном здесь примере реализации, которые отстоят друг от друга на некотором расстоянии в осевом направлении. Воздушные каналы 94 каждого ряда располагаются на равномерных расстояниях друг от друга вокруг оси головки впрыскивания топлива.
В качестве примера можно указать, что угол, сформированный между осью каждого выходного воздушного канала 94 и осью головки 36 впрыскивания топлива, имеет величину в диапазоне примерно от 10° до 40°, причем величина этого угла измеряется в плоскости, проходящей через ось упомянутой головки впрыскивания. Угол, сформированный между осью каждого выходного воздушного канала 94 и плоскостью, проходящей через ось головки впрыскивания топлива, имеет величину в диапазоне примерно от 50° до 75°, причем величина этого угла измеряется в плоскости, перпендикулярной по отношению к оси упомянутой головки впрыскивания.
Каналы 94, принадлежащие к одному и тому же ряду кольцевых каналов, имеют идентичные углы наклона в осевом направлении и в окружном направлении, однако эти углы наклона могут отличаться от углов наклона каналов одного или каждого другого ряда этих каналов. Угол наклона в осевом направлении каналов 94 первого ряда, расположенного спереди по потоку, может быть, например, несколько меньшим, чем угол наклона в этом направлении каналов третьего ряда, расположенного позади по потоку (см. фиг.4).
На фиг.5-7 представлен вариант реализации предлагаемого изобретения, который содержит в дополнение к характеристикам, описанным ранее со ссылками на фиг.3 и 4, дополнительные каналы 96 для забора воздуха во внутренней полости 84 трубки Вентури. Эти дополнительные каналы 96 проходят по существу параллельно к оси трубки Вентури и также связывают внутреннюю полость 84 этой трубки Вентури с наружной камерой 46.
В представленном здесь примере реализации эти каналы 96 проходят сквозь радиальную стенку детали 82, расположенную позади по потоку и снаружи, сквозь по меньшей мере некоторую часть лопаточного аппарата вторичного завихрителя 54 и сквозь кольцевой элемент 70. Эти каналы 96 открываются на своих передних по потоку концах во внутреннюю полость 84 и открываются на своих задних по потоку концах в кольцевое пространство, ограниченное кольцевым элементом 70 и корпусом 60, причем это кольцевое пространство сообщается с наружной камерой 46. При этом предлагаемая система впрыскивания содержит, например, от 10 до 30 упомянутых каналов 96.
Как это можно видеть на фиг.7, каналы 96 могут иметь поперечное сечение круглой или удлиненной формы. При этом каналы 92 и 94, описанные ранее, также могут иметь поперечное сечение круглой или удлиненной формы. Размерные параметры этих каналов 92, 94, 96 определяются, в частности, в функции расхода циркуляции воздуха внутри упомянутой камеры. Эти каналы обычно имеют диаметр в диапазоне примерно от 1 мм до 2 мм. При этом расход воздуха, циркулирующего внутри полости 84, представляет примерно от 0,5% до 1% от общего расхода воздуха, питающего систему впрыскивания 32.
В соответствии с еще одним возможным вариантом реализации, не представленным на приведенных в приложении фигурах, внутренняя полость 84 связана с наружной камерой 46 только при помощи осевых каналов 96 для забора воздуха.