СПОСОБ ВПРЫСКА ТОПЛИВА В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ И СИСТЕМА ВПРЫСКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FUEL INJECTION INTO COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE ENGINE AND INJECTION SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя - турбинного двигателя, турбореактивного двигателя или вспомогательной силовой установки (GAP) - для устранения или, по меньшей мере, ограничения явлений неустойчивости процесса сгорания. Изобретение также относится к системе впрыска для его осуществления.
В камере сгорания газотурбинного двигателя, такого как турбинный двигатель, установленные на корпусе форсунки обеспечивают подачу топлива, которое смешивается с воздухом внутри воздушно-топливных смесителей, обычно называемых завихрителями, распределенными на дне камеры сгорания. Воздух поступает с последней ступени компрессора газотурбинного двигателя, часть которого подается в камеру сгорания посредством этого завихрителя. Топливо поступает в форсунку через отверстие, выполненное на конце патрубка. Воздух и топливо смешиваются в завихрителях, затем сгорают в камере для образования газов. Тепловая энергия этих газов преобразуется в механическую работу турбин и (или) в реактивную тягу посредством реактивного сопла, позволяя, таким образом, обеспечивать тягу летательного аппарата или обеспечивать механическую мощность для наземной или морской установок.
Во время разработки турбинного двигателя, в частности его камеры сгорания, значительной опасностью, которая не может быть устранена перед первым вращением двигателя, является наличие неустойчивости процесса сгорания внутри камеры в рабочем диапазоне двигателя. Данные явления неустойчивости образуются, когда колебания горения в камере начинают резонировать с обнаруживаемыми в ней физическими явлениями (собственная мода акустической вибрации, механической вибрации, неустойчивости снабжения топливом и т.д.). Данные явления неустойчивости создают, таким образом, так называемые асинхронные вибрации, поскольку они не связаны непосредственно со скоростью вращения двигателя. Когда существует резонанс между собственной акустической модой и колебаниями выделения тепла, связанного с горением, обычно говорят о термоакустическом взаимодействии, приводящем к явлениям неустойчивостям процесса сгорания.
В более широком смысле явления неустойчивости процесса сгорания могут повлечь за собой вибрации, потенциально разрушительные для конструкции камеры и даже двигателя, препятствующие сертификации двигателя.
Описание известного уровня техники
Когда подтверждено присутствие неустойчивости процесса сгорания, классическое решение заключается в повторном моделировании камеры сгорания и (или) систем впрыска в зависимости от влияния. Такое решение является дорогостоящим и приводит к существенным задержкам практического осуществления и, таким образом, сертификации.
Из патента US 4831700 известны средства борьбы с неустойчивостью сгорания в турбине, содержащей кольцевой клапан, установленный на заплечике форсунки. Таким образом, образована внутренняя воздушная камера. Клапан содержит выступающую головку для контроля потока топлива от отверстия, выполненного в заплечике форсунки, рядом с местом выхода топлива. Такая конструкция является сложной и основывается на изменении открытия данного клапана, что позволяет устранить прерывания или толчкообразные движения потока топлива. Однако, если такие средства снижают неустойчивость сгорания, связанную с неравномерностью потока топлива, то они не позволяют решить данную проблему неустойчивости процесса сгорания.
Кроме того, из патента EP 1413830 известна конструкция, основанная на делителе воздуха с коническим концом, который размещен между топливной форсункой и завихрителем воздуха. Делитель делит поток воздуха на два концентрических потока для создания в камере зоны двунаправленной рециркуляции. По причинам, аналогичным указанным выше, данное решение не устраняет неустойчивости процесса сгорания.
Сущность изобретения
Изобретение направлено на уменьшение и даже устранение явлений неустойчивости процесса сгорания путем впрыска топлива по отдельной оси, вводя поток топлива в завихритель, который более не обладает идеальной циклической симметрией.
Если быть более точным, то задачей настоящего изобретения является способ впрыска топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя посредством системы воздушно-топливного смешения, имеющей геометрическую ось циклической симметрии. Согласно данному способу, впрыск топлива осуществляют в системе смешения по оси, строго параллельной центральной оси этой системы, т.е. отличной от этой оси. В таком случае говорят, что ось впрыска децентрирована относительно оси смесителя. В этих условиях, при отсутствии осесимметричного разбрызгивания топлива, пламя горения более не начинает резонировать, устраняя или уменьшая явления неустойчивости процесса сгорания до допустимого уровня.
Согласно частным вариантам реализации:
камера сгорания, размещенная в корпусе, имеет угловое смещение относительно корпуса, впрыск топлива осуществляют посредством форсунки, жестко соединенной с корпусом, и системы смешения, жестко соединенной с камерой сгорания, и (или)
впрыск децентрирован в системе смешения: данный вариант применяется, в частности, когда система смешения обладает одним или несколькими степенями свободы относительно камеры сгорания.
Изобретение также относится к системе воздушно-топливного смешения камеры сгорания газотурбинного двигателя, оборудованного защитным корпусом камеры, причем данная система выполнена с возможностью осуществления вышеупомянутого способа. Данная система содержит, по меньшей мере, один входной завихритель сжатого воздуха; причем завихритель имеет ось центральной симметрии, и топливную форсунку, оборудованную головкой впрыска, имеющей собственную ось симметрии. Каждая форсунка установлена в соответствующем завихрителе при помощи направляющих средств, в частности обечайки с буртиком, установленной в стопорном кольце, которое жестко соединено с завихрителем, таким образом, что ось симметрии головки впрыска децентрирована относительно оси центральной симметрии завихрителя.
Согласно частным вариантам реализации:
средства обеспечивают жесткое соединение завихрителей с камерой и жесткое соединение форсунок с корпусом, а средства крепления с эксцентриситетом камеры на корпусе выполнены с возможностью углового смещения камеры относительно корпуса таким образом, что форсунки имеют осевое смещение относительно соответствующих завихрителей;
каждая форсунка содержит основную ось симметрии и головку впрыска с центральным каналом циркуляции топлива с осью, децентрированной относительно основной оси завихрителя;
головка впрыска, имеющая, предпочтительно, форму усеченного конуса, может быть установлена децентрированной относительно основного корпуса форсунки; причем ось канала головки является осью симметрии головки впрыска.
Краткое описание фигур чертежа
Другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения станут видны в процессе чтения нижеследующего детального примера реализации со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежа, на которых, соответственно:
- фиг.1 представляет собой вид в разрезе первого примера системы смешения, согласно изобретению, содержащей форсунку с осью, параллельной и смещенной относительно оси соответствующего завихрителя;
- фиг.2 представляет собой схематический вид камеры сгорания, защищенной корпусом и содержащей эксцентриковые средства крепления на корпусе, выполненные с возможностью углового смещения камеры корпуса для получения осевого смещения, согласно фиг.1, и
фиг.3a и 3b представляют собой виды в разрезе и в перспективе другого примера топливной форсунки, выполненной с эксцентриситетом, соответственно, в завихрителе и вне данной системы.
Подробное описание изобретения
Термины ″выше по потоку″ и ″ниже по потоку″ или эквивалентные им обозначают части элементов согласно течению топлива в форсунке по оси C'C.
Как это представлено на виде в разрезе (фиг.1), пример смесителя 2, согласно изобретению, обычно называемого завихрителем, снабжен углублениями подвода воздуха 21 и стопорным кольцом 22. Данное кольцо позволяет размещать направляющую обечайку 23 с буртиком 23a для топливной форсунки 3. Завихритель 2 выполнен жестко соединенным с камерой сгорания 4 посредством жаровой трубы 5. Форсунка 3 закреплена на корпусе 6, который окружает камеру сгорания 4.
Углубления подвода воздуха 21 выполнены в кольцевой детали 2a, которая вставляется коаксиально, по оси X'X завихрителя 2 и системы смешения 1, во вторую кольцевую деталь 2b. Первая деталь 2a образует внутри завихрителя 2 стенку трубки Вентури 20a, а вторая деталь 2b - другую стенку трубки Вентури 20b. Первая стенка трубки Вентури 20a охватывает вторую 20b таким образом, чтобы создать пространство Е1 между трубками Вентури, в котором циркулирует поток воздуха F1, поступающий из углублений 21. Данный поток на выходе формирует воздушный конус С1, окружающий конус воздушно-топливной смеси C2, образуемый посредством внутреннего пространства E2 трубки Вентури, которое ограничено первой стенкой трубки Вентури 20a.
В данном пространстве E2 внутренний поток воздуха F2, поступающий из углублений 21, смешивается с топливом, подаваемым через форсунку 3. Если быть более точным, то турбулентные потоки воздуха образуют во внутренней трубке Вентури E2 воздушные струи, которые накладываются друг на друга на входе в камеру сгорания 4. В каждой струе частицы воздуха плавно и равномерно смешиваются с частицами топлива, впрыскиваемого форсункой 3, что образует эффективную воздушно-топливную смесь.
Потоки внутреннего воздуха F1 и F2 могут, предпочтительно, представлять собой, независимо друг от друга, турбулентное течение или нет, в одном и том же или в противоположных направлениях для достижения наиболее эффективного распыления горючей смеси или воздушно-топливной смеси в соответствии с требованиями, предъявляемыми к производительности камеры сгорания.
В изображенном примере топливная форсунка 3 содержит основной цилиндрический корпус 30, содержащий головку впрыска 31, имеющую форму усеченного конуса. Канал 32 подвода топлива с осью C'C, совпадающей с осью симметрии форсунки, проходит сквозь цилиндрический корпус 30 и головку впрыска 31. В данном примере осуществления, головка впрыска 31 содержит канал впрыска 36, являющийся продолжением канала 32 корпуса форсунки 30.
Установка форсунки в завихрителе 2 осуществляется посредством направляющей обечайки 23, буртик 23a которой вставляется в радиальный паз 24, образованный между стопорным кольцом 22 и расположенной ниже по потоку стенкой P2 первой кольцевой детали 2a. Кольцо 22 жестко соединено, например путем припаивания, со стенкой Р2 для образования дна 4а паза 24.
Буртик 23a размещен не осесимметричным образом в пазу 24 таким образом, что при способе применения в горячем состоянии незанятые части паза 24a и 24b не имеют одинаковой глубины, вследствие чего форсунка 3 размещена не осесимметричным образом относительно завихрителя 2. Течение топлива более не является идеально осесимметричным, поскольку, если оси C'C и X'X, соответственно форсунки 3 и завихрителя 2, остаются параллельными, то они не совпадают. Таким образом, они имеют отклонение ΔС, составляющее около 1 мм в изображенном примере. Данное отклонение зависит от размеров двигателя.
В этих условиях, при отсутствии осесимметричного разбрызгивания топлива, пламя горения более не начинает резонировать: явления неустойчивости процесса сгорания устранены или уменьшены до допустимого уровня.
В том случае, когда завихритель жестко соединен с дном камеры, не осесимметричная установка может быть осуществлена путем смещения, выполненного с эксцентриситетом, креплений камеры 4 на корпусе 6 относительно базового положения при номинальном выравнивании. В примере установки, схематически представленной видом в перспективе, изображенным на фиг.2, для крепления камеры 4 на корпусе 6 использованы эксцентриковые фланцы 10. Данные эксцентриковые фланцы 10 позволяют угловое смещение камеры на величину смещения ΔА, составляющее приблизительно несколько десятых градуса, причем точная величина зависит от размеров двигателя относительно номинального базового положения.
Такое смещение приводит к эквивалентному смещению завихрителей 2, жестко соединенных с камерой 4, и форсунок 3, жестко соединенных с корпусом 6. Из этого следует, что ось течения топлива C'C из форсунок 3 имеет отклонение AC относительно оси X'X завихрителей 2, как это показано на фиг.1.
Согласно другим примерам, изображенным на фиг.3a и 3b, не осесимметричная установка форсунки 3 в завихрителе 2 (фиг.1) также может быть осуществлена путем децентрированного положения головки впрыска 31 относительно основного корпуса 30 форсунки 3.
Данное решение особенно хорошо применимо, когда завихритель не имеет жесткого соединения непосредственно с камерой сгорания. В частности, в случае, когда направляющая обечайка 23, обеспечивающая степени свободы между завихрителем и форсункой, смещена к поверхности сопряжения между завихрителем 2 и камерой 4, относительное положение оси C'C топливной форсунки 3 и X'X завихрителя 2 определено положением оси направляющей обечайки 23, жестко соединенной с завихрителем 2.
На фиг.3a изображен другой пример реализации с децентрированным положением головки впрыска 31 относительно корпуса 30 и монтажной гайка 35. Таким образом, видно, что ось C'C канала 36 течения топлива, который проходит сквозь головку 31, параллельна и смещена относительно оси канала 32 корпуса форсунки 30, совпадающей с осью X'X завихрителя 2.
Таким образом, смещение оси достигается за счет положения головки впрыска 31 относительно корпуса форсунки 30, в то время как направляющий буртик 23a центрирован в радиальном пазу 24.
Вид в перспективе, представленный на фиг.3b, демонстрирует осуществление асимметричного жесткого соединения головки впрыска 31 на монтажной гайке 35 головки на корпусе 30. Корпус 30 заканчивается круглым фланцем 37, на котором путем внутреннего винтового соединения установлена гайка 35. На фиг.3b также видно смещение ΔС оси Т'Т канала 36 головки впрыска 31 и оси C'C канала 32.
Изобретение не ограничивается примерами, описание и изображение которых было приведено. Представляется возможным, например, использовать различные типы завихрителей, например, завихрители с множеством венчиков углублений с противоположным вращением или форсунки с пирамидальной головкой или головкой, имеющей вогнутый профиль. Изобретение, безусловно, применимо к завихрителям с одной трубкой Вентури, т.е. они не содержат вторую трубку Вентури 20b, связанную с потоком воздуха F1.
Можно также совмещать неосесимметричное расположение направляющей обечайки и децентрированную головку впрыска, например, комбинируя практические осуществления, представленные на фиг.2 и 3a, 3b. Кроме того, согласно другому примеру практической реализации, представляется возможным закреплять с эксцентриситетом путем пайки кольцо 22 для того, чтобы в процессе использования обечайка 23 центрировалась в кольце, причем, таким образом, неосесимметричным образом относительно оси завихрителя. Кроме того, завихритель может крепиться не на стенке камеры сгорания, а, например, на корпусе. Кроме того, средства направления форсунки в завихрителе могут быть представлены любыми известными специалистам средствами, например, регулируемыми площадками, втулками, распорными болтами и т.д.