МНОГОРЕЖИМНОЕ УСТРОЙСТВО ВПРЫСКА ТОПЛИВА, КАМЕРА СГОРАНИЯ И ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
MULTIMODE FUEL SPRAY DEVICE, COMBUSTION CHAMBER AND JET TURBINE ENGINE

Настоящее изобретение касается многорежимного устройства впрыска для камеры сгорания, в частности камеры сгорания турбореактивного двигателя. В частности, оно касается охлаждения кольцевой распределительной камеры, которую питает вторичный контур и которая сообщается с множеством выпускных топливных отверстий, обеспечивающих периферическое распыливание топлива, поступающего через вторичный контур.
В авиационном турбореактивном двигателе камера сгорания содержит множество устройств впрыска, равномерно распределенных по окружности ее дна. Каждое устройство впрыска содержит стойку, в которой выполнены коаксиальные каналы, принадлежащие соответственно так называемому первичному топливному контуру и так называемому вторичному топливному контуру. Каждый из коаксиальных каналов, выполненных внутри стойки, питает две коаксиальные системы распыливания топлива, выполненные в одной распылительной головке.
Первичный контур или контур малого газа предназначен для тонкого распыливания топлива. Его расход является ограниченным, но постоянным.
Вторичный контур или контур полного газа предназначен дополнять расход топлива до точки полного газа, позволяющей, в частности, получить полную мощность, необходимую для взлета. Вместе с тем вторичный контур не используется постоянно и в некоторых режимах иногда имеет очень слабый расход.
Многорежимное устройство впрыска такого типа описано, например, в патенте ЕР 1369644.
Сжатый воздух, поступающий от компрессора высокого давления, циркулирует в картере, где находится камера сгорания. Часть воздуха проходит через устройства впрыска, смешивается с топливом, поступающим из первичного и вторичного контуров на дно камеры сгорания, где затем происходит воспламенение.
На устройство впрыска могут действовать высокие температуры (от 300К до 950К при режиме полного газа), так как оно находится в потоке горячего воздуха, поступающего из последней ступени компрессора высокого давления. Кроме того, в некоторых фазах работы, когда температура поступающего из компрессора воздуха является относительно высокой (от 430К до 630К), вторичный контур может не использоваться или иметь очень слабый расход.
В результате этого может произойти смолообразование или коксование топлива, находящегося внутри распылительной головки и, в частности, внутри кольцевой распределительной камеры, питающей различные выпускные топливные отверстия, обеспечивающие периферическое распыливание топлива. Эти явления могут отрицательно сказаться на качестве распыливания топлива, поступающего из вторичного контура, и привести к неоднородному образованию топливной смеси в камере сгорания, а также к нарушению температурного режима внутри камеры. В результате может произойти ухудшение характеристик камеры сгорания и турбины высокого давления. Эти проблемы могут привести к обгоранию направляющего соплового аппарата высокого давления, турбины высокого давления и даже некоторых составных элементов турбины низкого давления.
Настоящим изобретением предлагается новая конструкция распылительной головки, позволяющая уменьшить возможность коксования путем охлаждения топлива, поступающего из вторичного контура, за счет постоянной циркуляции топлива, поступающего из первичного контура.
Согласно первому объекту настоящего изобретения создано многорежимное устройство впрыска топлива для камеры сгорания, содержащее две коаксиальные системы распыления топлива, питаемые соответственно двумя контурами, первичным контуром с постоянным расходом и вторичным контуром с переменным расходом. Многорежимное устройство впрыска топлива содержит распылительную головку, причем вторичный контур сообщается с кольцевой распределительной камерой, содержащей множество выпускных топливных отверстий, равномерно распределенных в окружном направлении, а первичный контур содержит, по меньшей мере, часть канала, проходящую рядом с распределительной камерой и предназначенную для ее охлаждения, при этом упомянутая часть канала содержит наружный кольцевой участок, выполненный радиально снаружи по отношению к распределительной камере, и внутренний кольцевой участок, выполненный радиально изнутри по отношению к распределительной камере.
Предпочтительно, оба кольцевых участка соединены последовательно.
Предпочтительно, распределительная камера содержит две симметричные части, питаемые раздельно, причем каждый из двух кольцевых участков, соответственно внутренний и наружный, содержит две ветви, соответственно проходящие рядом с двумя симметричными частями.
Предпочтительно обе ветви внутреннего кольцевого участка и обе ветви наружного кольцевого участка сообщаются через радиальный проход, выполненный между двумя симметричными частями распределительной камеры.
Предпочтительно, распылительная головка содержит кольцевой корпус, в котором выполнены канавки, определяющие распределительную камеру и часть канала первичного контура, и кольцевой фланец, перекрывающий канавки, при этом выпускные топливные отверстия выполнены во фланце.
Предпочтительно, канавки выполнены путем электроискровой обработки в один заход на массивной заготовке кольцевого корпуса.
Предпочтительно, кольцевой корпус установлен на конце форсуночной стойки, в которой выполнены два коаксиальных канала, принадлежащие соответственно первичному контуру и вторичному контуру.
Предпочтительно, распылительная головка содержит осевую топливную форсунку, соединенную для питания через первичный контур.
Предпочтительно, распылительная головка содержит осевую топливную форсунку, соединенную для питания через первичный контур, причем форсунка установлена в центральной детали, которая выполнена внутри кольцевого корпуса и в которой выполнены лопатки лопаточного воздушного диффузора.
Согласно второму объекту изобретения создана камера сгорания, содержащая множество вышеописанных многорежимных устройств впрыска.
Согласно третьему объекту изобретения создан турбореактивный двигатель, содержащий вышеописанную камеру сгорания.
Настоящее изобретение и его другие преимущества будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного исключительно в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид спереди и в разрезе устройства впрыска в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.2 - вид в разрезе по II-II с фиг.1;
Фиг.3 - вид задней стороны кольцевого корпуса устройства впрыска, выполненной путем электроискровой обработки;
Фиг.4 - вид в изометрии и в разборе части устройства;
Фиг.5 - вид в изометрии другой части устройства;
Фиг.6 - вид, аналогичный фиг.3, иллюстрирующий вариант выполнения; и
Фиг.7 - вид в частичном разрезе, аналогичный фиг.1, иллюстрирующий другой вариант выполнения.
На фиг.1 схематично в разрезе показано одно из многорежимных устройств 11 впрыска, установленное на стенке 13 дна кольцевой камеры 15 сгорания турбореактивного двигателя. В данном примере представлена комбинация двух режимов впрыска, и описанное устройство содержит две коаксиальные системы распыливания топлива, питаемые соответственно двумя контурами подачи топлива, первичным контуром 17, имеющим в данном случае постоянный расход, и вторичным контуром 19, имеющим в данном случае переменный расход.
Оба контура имеют общую стойку 21, в которой выполнены два коаксиальных канала 17а, 19а, соответственно принадлежащие первичному и вторичному каналам и сообщающиеся с распылительной головкой 18. Первичный контур постоянного расхода имеет относительно слабый расход. В частности, он предназначен для работы двигателя в режиме малого газа.
Вторичный контур 19 переменного расхода предназначен для дополнения расхода топлива до точки полного газа, позволяющей, в частности, достичь полной мощности, необходимой для взлета. Его расход, в основном являющийся переменным, на некоторых режимах может быть ничтожным или очень слабым.
Сжатый воздух, поступающий от компрессора высокого давления (на чертеже не показан), циркулирует в картере 23, окружающем камеру 15 сгорания. Воздух циркулирует от передней части к задней, как показано стрелкой F.
Далее в описании термины «передний» и «задний» применяются для обозначения положения одного элемента по отношению к другому, если рассматривать направление потока газов.
Часть воздуха попадает в камеру 15 сгорания, проходя через устройства 11 впрыска. На дне камеры топливо смешивается с воздухом и затем воспламеняется в этой камере сгорания.
В распылительной головке 18 первичный контур 17 доходит до осевой топливной форсунки 27 (в данном случае имеется в виду ось Х самой головки форсунок), тогда как вторичный контур сообщается с распределителем 29, содержащим кольцевую распределительную камеру 30, сообщающуюся с множеством выпускных топливных отверстий 31, равномерно распределенных в окружном направлении на заднем конце распределителя.
Распылительная головка содержит кольцевой корпус 39, соединенный со стойкой 21, в котором выполнены отверстия, принадлежащие упомянутым первичному и вторичному контурам и соединяющие каналы 17а, 19а с форсункой 27 и с распределительной камерой 30 соответственно. На фиг.1, в частности, показано отверстие 19b, соединяющее канал 19а с распределительной камерой 30.
Распылительная головка 18 содержит также кольцевой лопаточный воздушный диффузор 33, называемый в обиходе «штопором», установленный радиально снаружи по отношению к упомянутому множеству выпускных отверстий. Этот диффузор содержит лопатки 35, ограничивающие между собой выпускные воздушные каналы 36, равномерно распределенные в окружном направлении и направляющие воздух в сторону струй топлива.
Распределитель 29 состоит из двух кольцевых деталей, вставленных одна в другую (и сваренных между собой) и ограничивающих между собой упомянутую распределительную камеру 30. Одной из деталей является вышеупомянутый корпус 39. Другой деталью является кольцевой фланец 41, образующий подобие крышки; он заходит на задний конец корпуса. В этом фланце 41 выполнены отверстия 31.
Корпус 39 и фланец 41 содержат цилиндрические опорные поверхности соответствующих диаметров, обеспечивающие их правильную центровку относительно друг друга. Обе детали соединяют между собой сваркой.
Как показано на фиг.3, на задней стороне корпуса 39 выполнены канавки. Канавка 45, в основном являющаяся кольцевой, формирует основную часть распределительной камеры 30, причем эта канавка закрывается фланцем 41, образуя упомянутую камеру 30. Другие канавки 47, 48 определяют часть канала первичного контура 17 (они также закрыты фланцем 41) и будут подробнее описаны ниже.
Предпочтительно канавки 46, 47, 48 могут быть выполнены путем электроискровой обработки в один заход на массивной заготовке кольцевого корпуса 39. Инструмент для электроискровой обработки имеет форму, соответствующую конфигурации полостей, показанных на фиг.3 и определяющих эти канавки 46, 47, 48.
Кольцевой лопаточный диффузор 33 образован двумя кольцевыми деталями 51, 53, соединенными между собой при помощи сварки. Его вид в изометрии показан на фиг.4. Эти две детали образуют подобие беличьего колеса с лопатками 35, толщина которых уменьшается в направлении внутреннего пространства, как показано на фиг.2. Передняя кольцевая деталь 51 заходит в заднюю кольцевую деталь 53, содержащую лопатки 35. Деталь 51, то есть передняя стенка диффузора, содержит внутреннюю цилиндрическую опорную поверхность 55 диаметром, равным наружному диаметру сферической опорной поверхности 57 фланца 41. Эта сферическая опорная поверхность 57 распределителя заходит в цилиндрическую опорную поверхность 55 диффузора. Задняя кольцевая деталь 53 продолжена назад расходящимся коническим элементом 61, обычно называемым котелком, содержащим два ряда отверстий 63, 65, равномерно распределенных в окружном направлении. Отверстия 63 выполнены в конической части элемента 61. Отверстия 65 меньшего размера выполнены в наружном радиальном фланце 67. Они выходят напротив радиального отражателя 69 (фиг.1).
Воздух, поступающий от компрессора, поступает на дно камеры и проходит через каналы 36 и, в частности, через отверстия 63, 65.
Как показано на чертеже, кольцевой диффузор 33, состоящий из двух деталей 51, 53, содержит две коаксиальные стенки 51а, 53а, соответственно переднюю и заднюю, выполненные в виде направленного внутрь усеченного конуса. Стенка 51а выполнена в детали 51. Стенка 53а выполнена в детали 53. Конусность этих стенок имеет заднее направление, то есть их диаметр уменьшается от входа к выходу. Распределительная камера 30 также содержит заднюю стенку в виде усеченного конуса. Отверстия 31 выполнены в стенке фланца 41. Наружная сторона этой стенки имеет образующую, параллельную или совпадающую (как в представленном примере) с внутренней стороной передней стенки 51а кольцевого диффузора.
Предпочтительно угол конусности этих сторон находится в пределах от 45° до 80°.
Согласно другому отличительному признаку ось каждого отверстия 31 перпендикулярна к образующей поверхности 51а в этой точке.
а
b
с
а
а
с
а
с
b
с
Как показано на фиг.2, для каждого выпускного воздушного канала 36 определяют центральную линию М, являющуюся линией, равноудаленной от параллельных поверхностей, по меньшей мере, от его радиально наиболее внутренней части. В описанном примере, действительно, поверхность  одной из лопаток 35 является плоской, тогда как поверхность  другой, смежной с ней лопатки содержит, по меньшей мере, один короткий внутренний участок , параллельный поверхности . Таким образом, центральная линия М является равноудаленной от поверхностей  и . Участок, находящийся между  и , образует калибровочную зону рассматриваемого выпускного воздушного канала. Поверхность  может совпадать с участком .
Согласно существенному отличительному признаку для каждой оси впрыска топлива, определенной выпускным отверстием 31, существует выпускной воздушный канал 36 (между двумя лопатками 35), по меньшей мере, радиально наиболее внутренняя часть которого (то есть калибровочная зона) содержит центральную линию, по существу пересекающую эту ось впрыска топлива.
В представленном примере число выпускных топливных отверстий равно числу выпускных воздушных каналов. Согласно варианту выполнения число выпускных воздушных каналов может быть кратным числу выпускных топливных отверстий.
Очевидно, что для получения при сборке конфигурации, показанной на фиг.2, необходимо предусмотреть средства фиксации (пазы и шипы). Распределитель 29 является составной частью устройства 11 впрыска, при этом диффузор 33 установлен на дне 13 камеры (при этом направление устройства 11 впрыска и дна 13 камеры определено картером 23). Распределитель 29 перемещается скольжением в диффузоре 33 на уровне поверхностей 55 и 57.
Такая специальная конфигурация, определяющая положение воздушных каналов «штопора» относительно выпускных топливных отверстий, позволяет оптимизировать распыливание топлива. Однородность смеси воздух-топливо улучшает горение и снижает загрязнение атмосферы отработавшими газами.
Кроме того, за счет наклона стенок 51а, 53а уменьшается возмущение воздушного потока, проходящего через лопаточный диффузор. При этом также существенно уменьшаются осевые габариты устройства.
Распылительная головка 18 содержит также центральную деталь 75 (образующую лопаточный воздушный диффузор), установленную в осевом направлении внутри кольцевого корпуса 39. Эта деталь показана в изометрии на фиг.5. Она содержит лопатки 77, равномерно распределенные в окружном направлении. Между этими лопатками находятся выемки 78. Форму лопаток выполняют таким образом, чтобы выемки имели наклон относительно оси X. Когда центральную деталь вставляют в кольцевой корпус 39, выемки 78 оказываются закрытыми радиально снаружи и образуют выпускные воздушные каналы другого лопаточного диффузора или «штопора», расположенные вокруг форсунки 27.
Деталь 75 содержит заднюю коническую часть с конусностью, направленной к выходу, которая заходит в соответствующую коническую часть корпуса 39 на его переднем конце. В этой конической части выполнены лопатки 77, что еще больше уменьшает осевой габарит (по оси X) распылительной головки 18. Кроме того, спереди деталь 75 содержит цилиндрическую опорную поверхность 85, которая заходит в соответствующую цилиндрическую опорную поверхность, выполненную в передней части корпуса 39, для правильной центровки детали 75 в упомянутом корпусе 39. Средства фиксации обеспечивают позиционирование в окружном направлении между деталью 75 и корпусом 39.
В центре детали 75 выполнена закрытая полость 79, и в эту полость устанавливают форсунку 27. В лопатке 77 выполнен канал 80, который сообщается с упомянутой полостью 79. Он образует конечную часть первичного контура. Этот канал 80 сообщается с другим отверстием 81 корпуса 39, которое выходит на конце канавки 48 (фиг.3). Отверстие 82, выполненное в корпусе 39, соединяет конец канавки 47 с концом канала 17а, принадлежащего описанному выше первичному контуру.
Согласно существенному отличительному признаку упомянутый первичный канал содержит, по меньшей мере, часть канала 86, находящуюся рядом с упомянутой распределительной камерой 30 и предназначенную для ее охлаждения. Действительно, эта часть канала 86 образована каналами, ограниченными канавками 47, 48, закрытыми фланцем 41. В описанных примерах упомянутая часть канала содержит наружный кольцевой участок (соответствующий канавке 47), выполненный радиально снаружи по отношению к упомянутой распределительной камере, и внутренний кольцевой участок (соответствующий канавке 48), выполненный радиально изнутри по отношению к упомянутой распределительной камере.
В варианте выполнения, показанном на фиг.3, конфигурация, полученная путем электроискровой обработки, определяет радиальный проход 84, пересекающий канавку 47 и обеспечивающий сообщение между канавками 47 и 48. Таким образом, вблизи отверстия 81 образуется радиальная стенка 87, заставляющая топливо протекать с отклонением практически на 360° во внутреннем кольцевом участке. Следовательно, в примере, показанном на фиг.3, оба упомянутых кольцевых участка, образующих упомянутую часть канала 86 первичного контура, соединены последовательно. Топливо первичного контура попадает в этот лабиринт через отверстие 82, циркулирует в окружном направлении вокруг распределительной камеры 30 радиально снаружи, затем радиально внутри по отношению к этой камере, после чего попадает в полость 79 через отверстие 81 и канал 80.
Поскольку поток топлива в первичном контуре является постоянным, при любых обстоятельствах происходит охлаждение распределительной камеры 30, что позволяет избежать явлений коксования в упомянутой распределительной камере, которые могли бы возникнуть, если бы расход вторичного потока был ничтожным или очень слабым.
На фиг.6 показан вариант конфигурации распределительной камеры 30 и упомянутой части канала 86а, обеспечивающей ее охлаждение.
Распределительная камера содержит две симметричные части (определенные двумя симметричными канавками 45а, 45b), питаемые раздельно через два отверстия 19b1, 19b2, при этом оба отверстия соединены с каналом 19а.
Оба кольцевых участка, внутренний и наружный, определенные канавками, которые окружают канавки 45а, 45b, содержат, каждый, две ветви, находящиеся соответственно рядом с двумя симметричными частями распределительной камеры (канавки 45а, 45b).
Таким образом, наружный кольцевой участок содержит две симметричные ветви (канавки 47а, 47b), которые раздельно питают два отверстия 82а, 82b, сообщающиеся с полостью 79 через каналы 80а и 80b. Они соединяются между собой на уровне радиального прохода 87, выполненного между двумя симметричными частями распределительной камеры, и соединяются с внутренним кольцевым участком, который тоже содержит две симметричные ветви (канавки 48a, 48b), которые соединяются между собой в точке, диаметрально противоположной проходу 87, и соединяются с отверстием 81, питаемым каналом 17а.
Симметричный поток топлива, получаемый благодаря такой конфигурации упомянутой части канала 86а, находящейся рядом с распределительной камерой, обеспечивает исключительно равномерное охлаждение этой камеры.
В варианте, показанном на фиг.7, где аналогичные конструктивные элементы обозначены теми же позициями, внесены изменения в лопаточный воздушный диффузор, выполненный вокруг форсунки 27. Он состоит из двух кольцевых направляющих деталей 90, 91, соединенных в осевом направлении и определяющих два «штопора» противоположного вращения. Иначе говоря, различают внутренний лопаточный воздушный диффузор 90а и наружный лопаточный воздушный диффузор 91а, разделенные кольцевой направляющей деталью 90, профиль которой образует трубку Вентури. Другая кольцевая направляющая деталь 91 продолжена назад до котелка, чтобы избежать взаимодействия с «штопором», относящимся к распределительной камере 30. Такая конструкция способствует увеличению «сдвигов» в воздушных потоках, которые участвуют в распыливании топлива, выходящего из форсунки. Тот факт, что оба штопора, выполненные вокруг форсунки, являются штопорами противоположного вращения, способствует концентрации распыливания топлива вблизи оси X. Наличие трубки Вентури позволяет ускорить, а затем замедлить капельки топлива, выходящие из форсунки, что в значительной степени улучшает распыливание топлива. Выходящий из наружного штопора воздух заходит в котелок с составляющей, направленной в сторону оси X. Зона схождения двух воздушных потоков, выходящих из двух штопоров, создает потоки с высоким уровнем завихрения, улучшающие распыливание топлива. В целом, такая конструкция обеспечивает устойчивую работу и хорошие характеристики камеры сгорания в режиме малого газа.