УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВПРЫСКА ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ, КАМЕРА СГОРАНИЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СНАБЖЕННЫЙ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ
AIR-FUEL MIXTURE SPRAY DEVICE, COMBUSTION CHAMBER AND GAS TURBINE ENGINE

Изобретение относится к области газотурбинных двигателей и касается устройства для впрыска топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинного двигателя.
Более конкретно оно касается устройства для впрыска, снабженного новой скользящей траверсой и новой кольцевой манжетой для удержания скользящей траверсы, позволяющих улучшить снабжение воздухом устройства для впрыска.
Далее в описании термины “на входе” или “на выходе” будут использованы для описания расположения структурных элементов одних относительно других в осевом положении по ходу газов. Кроме того, термины “внутренний” или “радиально внутренний” и “внешний” и “радиально внешний” будут использованы для описания расположения структурных элементов одних относительно других в радиальном направлении, принимая за ориентир ось вращения газотурбинного двигателя или ось симметрии рассматриваемой структуры.
Газотурбинный двигатель содержит один или несколько компрессоров, подающих воздух под давлением в камеру сгорания, где воздух смешивается с топливом и воспламеняется для получения горячих выхлопных газов. Эти газы на выходе из камеры сгорания поступают к одной или нескольким турбинам, которые преобразуют полученную таким образом энергию во вращение одного или нескольких компрессоров и совершают необходимую работу, например, по механизации самолета.
Обычно камера сгорания, используемая в аэронавтике, содержит внутреннюю и наружную стенки, связанные между собой на входе дном камеры. Дно камеры снабжено размещенным по окружности множеством отверстий, в каждом из которых установлено устройство для впрыска, в центре которого помещен инжектор, причем эта система служит для смешивания воздуха и топлива в камере.
Камера сгорания питается жидким топливом, которое с помощью компрессора смешивается с воздухом. Жидкое топливо вводится в камеру с помощью инжекторов, которыми оно превращается в туман из мелких капелек. Это испарение осуществляется на уровне инжекторов жиклерами и продолжается на уровне трубки Вентури и смесительной камеры благодаря давлению воздуха из компрессора. Этот воздух под давлением проходит, с одной стороны, по радиальным спиралям устройства для впрыска для обеспечения вращения распыленного инжектором топлива и, с другой стороны, через отверстия, выполненные в различных элементах устройства для впрыска, таких, как смесительная камера.
Как показано, в частности, в патенте FR 2753779, устройство для впрыска имеет симметрию вращения и содержит размещенную от входа до выхода скользящую траверсу, связанную кольцевой манжетой с радиальными спиралями. Радиальные спирали содержат трубку Вентури и связаны своими выходными концами со смесительной камерой с расходящейся конической стенкой. Смесительная камера связана с дном камеры через дефлектор. В известном уровне техники скользящая траверса, размещенная от входа к выходу, содержит входную стенку сходящейся конической формы, переходящая в цилиндрическую стенку, которая заканчивается на выходе кольцевым фланцем, вытянутым радиально наружу.
Из-за конической сходящейся формы входной части скользящая траверса образует препятствие, которое должен обтекать воздух из компрессора. Более того, внешний диаметр кольцевой манжеты, которая служит радиальной направляющей для скользящей траверсы, также является препятствием, которое необходимо огибать. Это вызывает рециркуляцию воздуха и значительные потери давления, затруднения в подаче воздуха в устройство для впрыска. Качество распыления ухудшается, что вызывает образование более крупных капель, и на стенках трубки Вентури и смесительной камеры может образоваться кокс. Смесеобразование и, следовательно, эксплуатационные качества ухудшаются.
Задачей изобретения является создание устройства для впрыска, позволяющего оптимизировать питание воздухом при минимизации потерь давления между выходом компрессора и камерой сгорания. Эта задача решается улучшением профиля и формы скользящей траверсы и кольцевой манжеты.
Изобретение позволяет решить эту задачу с помощью устройства для впрыска, содержащего скользящую траверсу и кольцевую манжету, геометрия которых такова, что воздух, выходящий из компрессора, не встречает больше препятствий на входной части устройства для впрыска.
Изобретение, в особенности, касается устройства для впрыска топливовоздушной смеси в камеру сгорания газотурбинного двигателя, которое имеет симметрию вращения вокруг оси и содержит размещенную от входа до выхода по ходу движения газов скользящую траверсу, в центре которой установлен инжектор, кольцевую манжету, аксиально удерживающую скользящую траверсу, по меньшей мере, одну радиальную спираль, содержащую трубку Вентури и соединенную своим выходным концом со смесительной камерой, отличающегося тем, что скользящая траверса содержит расположенные от входа к выходу входную цилиндрическую часть, переходящую в промежуточную коническую сходящуюся часть и заканчивающуюся кольцевым фланцем, вытянутым радиально наружу.
Предпочтительно, чтобы кольцевая манжета содержала расположенный от входа к выходу профилированный входной обтекатель, переходящий в кольцевой фланец, вытянутый радиально внутрь.
Предпочтительно, чтобы профилированный входной обтекатель кольцевой манжеты имел расходящуюся коническую форму и выпуклую внешнюю стенку.
Входная цилиндрическая часть скользящей траверсы может содержать входную скошенную грань, при этом входной скос радиально наклонен внутрь.
Предпочтительно, чтобы входная грань скользящей траверсы была наклонена на угол 45° относительно оси симметрии устройства для впрыска.
Входная цилиндрическая часть скользящей траверсы может быть снабжена аксиальной спиралью.
Предпочтительно, чтобы кольцевой фланец скользящей траверсы на радиальной внутренней части содержал ряд отверстий. Отверстия ряда могут быть распределены равномерно по всей окружности кольцевого фланца, и их ось в целом может быть параллельна промежуточной конической сходящейся части скользящей траверсы.
Предпочтительно, чтобы внешний радиус смесительной камеры составлял от 1,1 до 1,2 значения внешнего радиуса кольцевой манжеты. В данном случае предпочтительно, чтобы смесительная камера имела сходящуюся коническую стенку, которая образует угол с осью симметрии устройства для впрыска, составляющий от 70 до 130 градусов.
Изобретение касается также камеры сгорания, содержащей внутреннюю стенку, наружную стенку, дно камеры и снабженной, по меньшей мере, одним устройством для впрыска.
Изобретение касается также газотурбинного двигателя, снабженного такой камерой сгорания.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта его осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, в числе которых:
Фиг.1 изображает схематичный вид в разрезе газотурбинного двигателя, а точнее - турбореактивного двигателя;
Фиг.2а - схематичный вид в разрезе входной внутренней части камеры сгорания, снабженной устройством для впрыска из известного уровня техники;
Фиг.2b - схематичный вид в разрезе входной верхней части камеры сгорания, снабженной устройством для впрыска согласно изобретению;
Фиг.3 - схематичный вид в разрезе камеры сгорания, снабженной вариантом реализации устройства для впрыска согласно изобретению.
Фиг.1 изображает вид в разрезе узла газотурбинного двигателя 1, например, турбореактивного двигателя самолета, который содержит компрессор 2 низкого давления, компрессор 3 высокого давления, камеру 4 сгорания, турбину 5 низкого давления и турбину 6 высокого давления. Камера 4 сгорания может быть кольцевой и ограниченной двумя кольцевыми стенками 7, размещенными радиально относительно оси Х вращения турбины, и соединенными во входной части с дном 8 кольцевой камеры. Дно 8 камеры содержит множество отверстий (не показанных на чертеже), равномерно распределенных по окружности. В каждом из этих отверстий установлено устройство для впрыска. Горючие газы поступают далее в сторону выходной части в камеру 4 сгорания, а затем подаются на турбины 5 и 6, которые приводят во вращение компрессоры 2 и 3 соответственно, расположенные перед дном 8 камеры, посредством соответственно приводных валов 9 и 10. Компрессор 3 высокого давления питает воздухом устройства для впрыска, а также два кольцевых пространства, расположенных радиально внутри и снаружи камеры 4 сгорания. Воздух, поступающий в камеру 4 сгорания, участвует в испарении топлива и его сжигании. Воздух 2, циркулирующий снаружи стенок камеры сгорания, участвует в их охлаждении и проникает в камеру через не представленные на чертеже отверстия для разбавления и охлаждения выхлопных газов, поступающих на турбину.
Фиг.2а представляет схематичный вид в разрезе входной части камеры 4 сгорания, снабженной устройством 20а для впрыска в соответствии с известным уровнем техники, симметрия вращения которого обозначена осью Y.
В соответствии с известным уровнем техники устройство 20а для впрыска содержит скользящую кулису 30а, в центре которой размещен инжектор 40. Скользящая кулиса 30а состоит из входной конической сходящейся части 31а, переходящей в цилиндрическую часть 32а по оси Y, причем цилиндрическая часть на выходном конце снабжена кольцевым фланцем 33а, направленным наружу. Коническая сходящаяся часть 31а размещена под углом примерно в 45° к оси Y и имеет целью направлять инжектор 40 при его установке в устройство для впрыска. На уровне кольцевого фланца 33а скользящая кулиса 30а удерживается на оси кольцевой манжетой 50а. Кольцевая манжета 50а содержит кольцевую шайбу 51а, направленную наружу. Ее внешняя цилиндрическая часть оканчивается кольцевым выступом 52а по оси Y, направленным к входной части. Кольцевая манжета 50а связана с двумя радиальными спиралями 60а посредством кольцевого выступа 52а, с выступом 61а, форма которого соответствует входной внешней части спирали 60а. Между кольцевой шайбой 51а и радиальными спиралями 60а образовано аксиальное пространство для обеспечения радиальных отклонений скользящей траверсы 30а. Это пространство позволяет компенсировать относительные перемещения между инжектором 40 и устройством для впрыска 20а. Спирали 60а снабжены трубкой 62а Вентури и связаны своими внутренними выходными частями со смесительной камерой 70. Смесительная камера 70 закреплена посредством дефлектора 80 с дном 8 камеры.
Форма входной части 31а скользящей траверсы образует препятствие потоку воздуха F, выходящему из компрессора и создающему рециркуляцию (100) воздуха, вызывающему потери давления. Кроме того, из-за формы и, в частности, из-за наличия кольцевого выступа 52а, кольцевая манжета также является препятствием, вызывающим рециркуляцию 101 воздуха и потери давления. Это является причиной недостаточного снабжения воздухом устройства для впрыска 20а и вызывает, в частности, коксование на трубке 62а Вентури и смесительной камере 70.
Как показано на фиг.2b, согласно изобретению устройство 20b для впрыска содержит скользящую траверсу 30b, аксиально удерживаемую кольцевой манжетой 50b, но их формы выполнены такими, чтобы улучшить подачу воздуха к устройству 20b для впрыска.
Для этого скользящая траверса 30b содержит расположенную от входа к выходу входную цилиндрическую часть 31b, переходящую в промежуточную коническую сходящуюся часть 32b и заканчивающуюся кольцевой шайбой 33b, направленной радиально наружу. Входная цилиндрическая часть 31b имеет скошенную грань 34, эта грань на входе имеет наклон радиально внутрь примерно под углом 45°. Этот наклон позволяет скользящей траверсе согласно изобретению обеспечить ее функцию направляющей во время монтажа инжектора 40. Входная цилиндрическая часть 31b может быть снабжена осевой спиралью 35b, позволяющей улучшить поступление воздуха в устройство для впрыска воздуха, идущего от компрессора на уровне выходного конца инжектора 40. Промежуточная коническая часть 32b имеет осевой размер и наклон такие, что связывают входную часть 31b и кольцевую шайбу 33b, направляя воздух на выход осевой спирали 35b.
Скользящая траверса 30b удерживается в осевом направлении на уровне кольцевой шайбы 33b посредством кольцевой манжеты 50b. Кольцевая манжета 50b содержит профилированный входной обтекатель 51b. Этот входной обтекатель 51b имеет, в целом, коническую расходящуюся форму со слегка выпуклой стенкой. Входной обтекатель 51b переходит в кольцевую шайбу 52b, радиально направленную внутрь. Кольцевая манжета 50b связана, на уровне соединения между входным обтекателем 51b и кольцевой шайбой 52b, с одной или несколькими радиальными спиралями 60b. В иллюстрируемом примере устройство для впрыска 20b снабжено одной радиальной спиралью 60b, соединенной с трубкой 62b Вентури. Между кольцевой шайбой 52b и радиальной спиралью 60b предусмотрен осевой зазор для обеспечения радиального перемещения скользящей кулисы 30b. Радиальная спираль 60b связана своим внутренним выходным концом со смесительной камерой 70, которая в свою очередь связана с дном 8 камеры с помощью дефлектора 80.
Благодаря замене на скользящей траверсе 30b входной сходящейся части на цилиндрическую входящую часть и благодаря расходящейся и выпуклой форме входного обтекателя 51b кольцевой манжеты 50b препятствия потоку воздуха F исключены и воздух из компрессора направляется к радиальным спиралям 60b и смесительной камере 70 без всяких осложнений из-за формы и с малыми потерями давления. Более того, когда скользящая кулиса 30 снабжена аксиальной спиралью 35b, аксиальная спираль 35b производит тот же эффект на горючую смесь, что и радиальная спираль, размещенная перед трубкой 62b Вентури устройства для впрыска из известного уровня техники. Она позволяет создать пленку воздуха вдоль внутренней стенки трубки 62b Вентури, которая мешает коксованию трубки Вентури. Комплекс усовершенствований устройства 20b для впрыска позволяет улучшить ее снабжение воздухом и, кроме того, избежать коксования.
Пленка защитного от коксования воздуха из аксиальной спирали 35b может быть заменена или ее эффект усилен путем использования, как показано на фиг.3, рядом отверстий 36b, выполненных по краю внутренней кольцевой шайбы 33b скользящей траверсы 30b. Эти отверстия 36b распределены равномерно или неравномерно по всей окружности кольцевой шайбы 33b. Их ось предпочтительно параллельна промежуточной конической сходящейся части 32b, причем обе детали размещены таким образом, что воздух от аксиальной спирали 35b и из отверстий 36b накрывает внутреннюю поверхность трубки 26b Вентури.
Предпочтительно, но не исключительно, изобретение используется в устройствах для впрыска, в которых внешний радиус 71 смесительной камеры 70 достаточно велик для его оптимальной установки. Точнее говоря, применение изобретения особенно перспективно в устройствах для впрыска, имеющих внешний радиус 71 смесительной камеры 70, составляющий от 0,5 до 0,7 внутреннего радиуса камеры, измеренный точно на выходе устройства для впрыска.
Для того чтобы подача воздуха в устройство для впрыска была оптимальной, внешний радиус 71 смесительной камеры должен составлять от 1,1 до 1,2 внешнего радиуса кольцевой манжеты 50b. Когда этот критерий будет соблюден, если желают ограничить осевые размеры устройства для впрыска, угол 74 между расходящейся частью смесительной камеры 70 и осью симметрии Y устройства 20b для впрыска должен составлять от 70° до 130°.