КАМЕРА СГОРАНИЯ ПОСТОЯННОГО ОБЪЕМА ДЛЯ АВИАЦИОННОГО ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, СОДЕРЖАЩАЯ ВПУСКНОЙ/ВЫПУСКНОЙ КЛАПАН, ИМЕЮЩИЙ СФЕРИЧЕСКУЮ ЗАГЛУШКУ
CONSTANT VOLUME COMBUSTION CHAMBER FOR AVIATION TURBINE ENGINE, CONTAINING INTAKE/EXHAUST VALVES WITH SPHERICAL END CAP

Изобретение относится к области камер сгорания постоянного объема для авиационных турбинных двигателей.
Изобретение применимо для турбинных двигателей любого типа, в особенности, турбореактивных двигателей, турбовинтовых двигателей и турбинных двигателей с незакапотированным винтовентилятором.
Обычно камера сгорания авиационного турбинного двигателя работает в соответствии с циклом Брайтона, при котором, как утверждается, имеет место сгорание при постоянном давлении. Тем не менее, для достижения определенного выигрыша при потреблении было предложено заменить камеру сгорания, работающую по циклу Брайтона, камерой сгорания, работающей по циклу Хамфри, при котором, как утверждается, имеет место сгорание при постоянном объеме или "CVC".
В документе FR 2945316 описан пример одного варианта осуществления подобной камеры сгорания, обеспечивающей сгорание при постоянном объеме. Камера содержит на входе клапан впуска сжатого газа, выполненный с возможностью переключения между открытым положением и закрытым положением, и содержит на выходе клапан выпуска газообразных продуктов сгорания, также выполненный с возможностью переключения между открытым положением и закрытым положением. Регулирование положений клапана осуществляется синхронно для выполнения трех последовательных фаз цикла Хамфри, то есть впуска - сжигания - выпуска.
Тем не менее, оказалось, что в решениях согласно предшествующему уровню техники конструкция впускного и выпускного клапанов может быть усовершенствована, в частности, в отношении надежности и герметичности, при этом последняя характеристика потенциально является проблематичной, особенно при создании высокого давления, наблюдаемого во время фазы сжигания.
Таким образом, задача изобретения состоит в по меньшей мере частичном устранении недостатков, упомянутых выше и связанных с вариантами осуществления по предшествующему уровню техники.
В этой связи изобретение относится к камере сгорания постоянного объема для авиационного турбинного двигателя, содержащей клапан впуска сжатого газа, выполненный с возможностью принятия открытого положения и закрытого положения, в котором он блокирует впуск сжатого газа в камеру, при этом камера дополнительно содержит клапан выпуска газообразных продуктов сгорания, выполненный с возможностью принятия закрытого положения, в котором он блокирует выпуск газообразных продуктов сгорания наружу из камеры.
В соответствии с изобретением, по меньшей мере, один из впускного и выпускного клапанов содержит, по меньшей мере, одну сферическую заглушку.
Изобретение характеризуется тем, что оно предусматривает использование технического решения, связанного с клапанами со сферической заглушкой, отходящего от традиционных решений, применяемых для камер сгорания турбинных двигателей, и обеспечивающего высокие эксплуатационные характеристики жесткости и герметичности. В результате этого предпочтительно обеспечивается выигрыш с точки зрения эксплуатационного срока службы и эксплуатационных характеристик в целом, поскольку в результате наблюдений было установлено, что достигается определенный выигрыш в потреблении порядка 10-15% по сравнению с решениями согласно предшествующему уровню техники.
Кроме того, работа устройства по изобретению предпочтительно базируется на надежном принципе, в основе которого лежит простой поворот сферической заглушки, предпочтительно всегда в одном и том же направлении и предпочтительно с постоянной скоростью. Данный простой поворот обеспечивает возможность попеременного обеспечения возможности и блокирования прохода потока газа через клапан согласованно с процессом выполнения фаз цикла Хамфри, таких как впуск, сжигание и выпуск. Очень предпочтительно, если как впускной, так и выпускной клапаны выполнены с конструкцией в соответствии с определенным принципом изобретения.
Камера сгорания предпочтительно содержит цилиндрическую боковую стенку с круглым поперечным сечением. Такая форма боковой стенки, которая образует огражденное пространство, в котором происходит сгорание, способствует симметрии потока сгорания и теплопередаче в огражденном пространстве. Кроме того, взаимодействие подобной формы с клапанами со сферической заглушкой, закрывающими камеру на ее обоих концах, обеспечивает возможность получения удовлетворительных уровней герметичности, например, при базовых уплотнительных элементах.
Сферическая заглушка выпускного клапана предпочтительно имеет канал для прохода газа, и указанная камера выполнена с возможностью - после фазы выпуска газа, в результате которой выпускной клапан закрывается, - обеспечения рециркуляции газообразных продуктов сгорания, захваченных в указанном канале для прохода газа. Рециркуляция выходящего газа (EGR) выполняется либо внутри камеры во время последующей фазы сжигания, либо в соседней камере, возможно имеющей фазовый сдвиг при выполнении цикла сгорания.
В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения указанный клапан, содержащий указанную, по меньшей мере, одну сферическую заглушку, содержит:
- внутренний сферический элемент, через который проходит канал для прохода газа; и
- наружный сферический элемент, в котором размещен указанный внутренний сферический элемент и который выполнен с двумя отверстиями, удаленными друг от друга,
при этом указанные внутренний и наружный сферические элементы, из которых, по меньшей мере, один служит в качестве указанной, по меньшей мере, одной сферической заглушки, установлены с возможностью поворота относительно друг друга, и указанные два отверстия наружного сферического элемента расположены так, чтобы совместно с указанным каналом для прохода газа образовать отверстие переменного сечения (или диафрагму) соответственно на каждом из двух концов указанного канала для прохода газа.
Таким образом, этот предпочтительный вариант осуществления обеспечивает возможность открытия и закрытия клапана просто за счет поворота двух перфорированных взаимосвязанных сферических элементов относительно друг друга. Как правило, клапан открывается, когда каналы/отверстия по меньшей мере частично обращены друг к другу попарно, и закрытие обеспечивается посредством углового смещения указанных каналов, образованных указанными отверстиями и каналом для прохода газа.
Внутренний и наружный сферические элементы предпочтительно установлены с возможностью поворота в противоположных направлениях. В этом случае каждый из них функционирует в качестве сферической заглушки в соответствии с изобретением. В альтернативном варианте только один из двух сферических элементов, то есть внутренний или наружный, может представлять собой заглушку, при этом другой остается неподвижным относительно боковой стенки камеры. Способность этих двух элементов поворачиваться в противоположных направлениях особенно предпочтительна вследствие того, что это обеспечивает возможность удерживания центра каждого из двух отверстий переменного сечения в фиксированной зоне относительно боковой стенки камеры в течение всего времени открытия отверстия переменного сечения. Таким образом, поток газа может сохранять одно и то же направление, что считается наиболее эффективным, в течение всей фазы открытия клапана, то есть от наименьшего пропускного поперечного сечения клапана до его максимального пропускного поперечного сечения и от максимального пропускного сечения до закрытия клапана. В этой связи предпочтительно обеспечивается то, что каждое отверстие переменного сечения удерживается сцентрированным относительно огражденного пространства горения для всего открытого состояния клапана. Это приводит к очень хорошим характеристикам горения и лучшей способности к восстановлению процесса горения в турбине.
Каждое из указанных двух отверстий наружного сферического элемента и каждый из двух концов канала для прохода газа в указанном внутреннем сферическом элементе имеет, если смотреть спереди, овальную общую форму, в которой длина проходит перпендикулярно оси поворота внутреннего сферического элемента относительно наружного сферического элемента, и центры данных отверстий/концов канала для прохода газа расположены в одной и той же плоскости, ортогональной к указанной оси поворота, предпочтительно в диаметральной плоскости. Это обеспечивает возможность ослабления эффектов, вызываемых миндалевидной или щелевидной формой отверстия переменного сечения, в начале и в конце открытия, то есть в те моменты времени, когда поперечные сечения являются минимальными. За счет поддержания до некоторой степени круглого внешнего вида в данные моменты времени сохраняются хорошие характеристики потока газа, проходящего через отверстие переменного сечения. Отверстия/концы предпочтительно имеют одинаковую форму или аналогичные формы. Тем не менее, формы каналов могут быть разными, например, круглой, квадратной и т.д. в пределах объема изобретения.
Несмотря на то, что данный вариант осуществления имеет два взаимосвязанных сферических элемента, тем не менее, может быть предусмотрено выполнение некоторого количества верхних элементов, которые все участвуют в образовании отверстий переменного сечения, при этом отверстия переменного сечения предпочтительно являются диаметрально противоположными.
По меньшей мере, один уплотнительный элемент предпочтительно предусмотрен между сферической заглушкой и неподвижным корпусом клапана. Он может состоять из уплотнений и/или колец, образованных из истираемого материала, и/или аналогичных уплотнительных элементов.
Множество уплотнительных сегментов предпочтительно предусмотрены между двумя элементами, при этом данные сегменты предпочтительно ориентированы в плоскостях, параллельных к оси поворота сферической заглушки, и ортогонально к основному направлению потока в камере сгорания.
Эквивалентные уплотнительные элементы могут быть предусмотрены между двумя, а именно внутренним и наружным, сферическими элементами, или в соответствии с приемлемыми давлениями разгерметизации и скоростями потоков данные сферические элементы могут находиться в непосредственном контакте без вставки уплотнений между ними.
В соответствии с дополнительным предусмотренным вариантом осуществления клапан просто содержит одну сферическую заглушку, образующую отверстие переменного сечения или два противоположных отверстия переменного сечения вместе с неподвижным корпусом клапана.
Изобретение также относится к модулю с камерами сгорания, содержащему, по меньшей мере, одну камеру сгорания, подобную описанной выше, и содержащему средства для приведения указанной, по меньшей мере, одной сферической заглушки во вращательное движение, при этом приводные средства предпочтительно выполнены с возможностью приведения каждой сферической заглушки в движение с постоянной скоростью поворота. Даже если скорость является регулируемой, направление поворота предпочтительно остается неизменным, что облегчает использование привода.
Модуль предпочтительно содержит множество камер сгорания, подобных описанной выше, при этом камеры распределены вокруг ведущей оси турбинного двигателя, предпочтительно в соответствии с конструкцией типа, возможно, вращающихся цилиндров.
Предпочтительно для, по меньшей мере, одной камеры сгорания и более предпочтительно - для каждой из камер указанные приводные средства выполнены с возможностью синхронизированного управления указанными впускным и выпускным клапанами с фазовым сдвигом. По этой причине открытие данных двух клапанов выполняется не одновременно, и аналогичным образом закрытие указанных клапанов так же выполняется не одновременно. Тем не менее, даже несмотря на то, что в определенные моменты времени оба клапана могут быть в открытом/закрытом положении, степень открытия/закрытия данных клапанов в этом случае будет разной.
В завершение, изобретение относится к авиационному турбинному двигателю, содержащему вышеописанный модуль сгорания.
Дополнительные преимущества и признаки изобретения станут ясными в дальнейшем в неограничивающем подробном описании.
Данное описание будет выполнено со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематический вид сбоку турбокомпрессора турбореактивного двигателя в соответствии с изобретением;
Фиг. 2 - схематическое сечение, выполненное по линии II-II с фиг. 1;
Фиг. 3 - вид в перспективе одной из камер сгорания, установленных в модуле с камерами сгорания, показанном на предыдущем чертеже, при этом камера выполнена в виде, соответствующем первому предпочтительному варианту осуществления изобретения;
Фиг. 4 - продольное сечение по плоскости Р с фиг. 3;
Фиг. 4а - частичный вид, эквивалентный сечению с фиг. 4, на котором выпускной клапан камеры занимает другое положение;
Фиг. 5 и 6 - соответственно вид в перспективе с пространственным разделением элементов и вид спереди сферические заглушки впускного клапана, установленного в камере сгорания, показанной на фиг. 3 и 4;
Фиг. 7А - вид спереди наружной сферической заглушки клапана, показанного с фиг. 5 и 6;
Фиг. 7В - сечение, выполненное по линии В-В с фиг. 7А;
Фиг. 8А - вид спереди внутренней сферической заглушки клапана, показанного на фиг. 5 и 6;
Фиг. 8В - сечение, выполненное по линии В-В с фиг. 8А;
Фиг. 9А-13А - схематический вид состояния впускного и выпускного клапанов во время цикла сгорания;
Фиг. 9В-13В - вид спереди впускного клапана в его состояниях, показанных соответственно на фиг. 9А-13А;
Фиг. 9С-13С - вид спереди выпускного клапана в его состояниях, показанных соответственно на фиг. 9А-13А;
Фиг. 14 - график, показывающий пропускное поперечное сечение впускного и выпускного клапанов во время цикла сгорания;
Фиг. 15 - изображение, аналогичное изображению на фиг. 4, с камерой сгорания, выполненной в виде, соответствующем второму предпочтительному варианту осуществления изобретения; и
Фиг. 16 - часть камеры сгорания, аналогичной камере сгорания по второму варианту осуществления, при этом камера выполнена в виде, соответствующем альтернативному варианту осуществления.
На фиг. 1 можно видеть авиационный турбинный двигатель 1, предпочтительно авиационный турбинный двигатель турбореактивного самолета.
Генератор обычно содержит от зоны, расположенной выше по потоку, до зоны, расположенной ниже по потоку, один или множество компрессорных модулей 2, модуль 4 сгорания и один или множество турбинных модулей 6. Обычно компрессоры и турбины соединены системой 8 вала, приводящей в действие приемное устройство турбинного двигателя, например, вентилятор (непоказанный) в случае турбореактивного двигателя.
Модуль 4 сгорания, показанный на фиг. 2, показывает, что он объединяет множество камер 10 сгорания, распределенных вокруг системы 8 вала на ведущей оси 11. Все камеры 10, предусмотренные, например, в количестве от 14 до 40, предпочтительно являются идентичными. Число этих камер предпочтительно является четным для обеспечения возможности нейтрализации цилиндров двух диаметрально противоположных камер в случае аномалии на одной из них и, следовательно, предотвращения асимметрии потока на входе турбины.
Камеры выполнены с так называемой цилиндрической конфигурацией, при этом предусмотрено, что камеры предпочтительно должны оставаться неподвижными относительно корпуса двигателя во время работы турбинного двигателя.
Каждая камера 10 представляет собой камеру такого типа, которая обеспечивает сгорание при постоянном объеме, то есть камеру, закрытую на ее концах посредством двух, то есть впускного и выпускного, клапанов, синхронизированных так, чтобы выполнить три последовательные фазы цикла Хамфри, то есть впуск - сжигание - выпуск. Даже несмотря на то, что они являются идентичными, камеры 10 предпочтительно специально выполнены с фазовым сдвигом относительно друг друга в отношении выполнения цикла Хамфри. В качестве примера отдельно взятая камера, которая находится на фазе впуска, может быть соседней с другой камерой, находящей на фазе сжигания, и так далее.
Фиг. 3 и 4 показывают одну из камер 10 сгорания. Она обычно ориентирована параллельно ведущей оси и простирается вокруг центральной оси 12 камеры. Камера 10 содержит цилиндрическую боковую стенку 14 с круглым поперечным сечением, сцентрированную относительно оси 12. Боковая стенка определяет в радиальном направлении границы огражденного пространства 16 горения. На переднем конце стенки 14 предусмотрена жестко зафиксированная коническая входная стенка 18, сцентрированная относительно оси 12; аналогичным образом, на заднем конце стенки 14 предусмотрена жестко зафиксированная выходная стенка 20, которая также является конической и сцентрирована относительно оси 12. Стенки 14, 18 и 20 могут быть образованы из одной детали типа тела вращения.
На узком конце расположенной выше по потоку, закрывающейся конической стенки 18 камеры камера содержит клапан 22 впуска сжатого газа; аналогичным образом, на узком конце расположенной ниже по потоку, закрывающейся конической стенки 20 камеры камера содержит клапан 24 выпуска газообразных продуктов сгорания. Два клапана 22, 24 являются особыми для настоящего изобретения и предпочтительно имеют идентичные или аналогичные конструкции.
Впускной клапан 22 содержит неподвижный корпус 26а, служащий в качестве седла, при этом данный полый корпус 26а имеет внутреннюю поверхность 28а с формой усеченной сферы, имеющей центр, расположенный на оси 12. Диаметр данной поверхности незначительно превышает внутренний диаметр боковой стенки 14. На концах данной внутренней поверхности 28а соответственно образованы два диаметрально противоположных отверстия 30а седла. Отверстие 30а, ориентированное со стороны огражденного пространства 16, образовано во взаимосвязи с узким концом входной стенки 18. Отверстие 30а, расположенное с противоположной стороны, со стороны компрессорного модуля, расширено в направлении против потока для облегчения ввода в клапан 22 впуска сжатого газа из компрессорного модуля. Два отверстия 30а седла предпочтительно имеют круглую форму с центром на оси 12.
Внутренняя поверхность 28b служит в качестве несущей поверхности для двух сферических заглушек впускного клапана, как подробно описано в дальнейшем. Тем не менее, следует отметить, что сферическая несущая поверхность может быть заменена цилиндрической или конической несущей поверхностью без отхода от объема изобретения.
Одна из отличительных особенностей настоящего изобретения заключается в использовании, по меньшей мере, одной сферической заглушки, обеспечивающей удовлетворительную надежность и степень герметичности, в частности для выдерживания значительного повышения давления, наблюдаемого во время фазы сжигания при постоянном объеме в огражденном пространстве 16. Более точно, две сферические заглушки используются при этом в данном первом предпочтительном варианте осуществления.
Прежде всего, первый вариант осуществления состоит из внутреннего сферического элемента 32а в виде сплошного шара, через который проходит канал 34а для прохода газа, простирающийся вдоль оси, проходящей через центр данного шара, соответствующий центру внутренней несущей поверхности 28а корпуса, служащего в качестве седла. Шар предпочтительно образован из одной детали. Если требуется, в нем образуют охлаждающие каналы для обеспечения циркуляции воздушного потока, предназначенного для ударного охлаждения наружной сферы 38а, описанной в дальнейшем, и/или для пленочного охлаждения наружной поверхности данного шара.
Канал 34а шара предпочтительно имеет постоянное поперечное сечение.
Клапан 22 дополнительно содержит наружный сферический элемент 38а с формой полой сферы, в котором внутренняя поверхность имеет диаметр, который немного превышает диаметр наружной поверхности шара для обеспечения возможности размещения одной сферы в другой и удерживания одной сферы относительно другой с образованием посадки скольжения, создающей возможность свободного поворота/вращения одной сферы относительно другой. Кроме того, наружная поверхность сферы 38а имеет диаметр, который существенно меньше, чем диаметр внутренней несущей поверхности 28а корпуса 26а, с тем, чтобы обеспечить возможность размещения сферы 38а в корпусе 26а и удерживания сферы 38а посредством данного корпуса, при этом также создается возможность свободного поворота/вращения сферы относительно несущей поверхности.
Внутренний сферический элемент 38а выполнен с отверстиями 40а, удаленными друг от друга, которые также являются диаметрально противоположными. Два отверстия 40а, каждое из которых проходит сквозь толщину сферы, имеют центры, расположенные по диаметру сферы.
Внутренний и наружный сферические элементы 32а, 38а, которые являются взаимосвязанными, установлены с возможностью поворота относительно друг друга вокруг оси 42а поворота, перпендикулярной к ведущей оси 12. Более точно, каждый из внутреннего и наружного сферических элементов 32а, 38а установлен с возможностью поворота на корпусе 26а, служащем в качестве седла, с использованием шарниров или эквивалентных элементов. Как детализировано в дальнейшем, предусмотрено, что внутренний и наружный сферические элементы 32а, 38а выполнены вращающимися в противоположных направлениях, то есть поворачиваемыми вокруг оси 42а в противоположных направлениях, и предпочтительно с постоянными скоростями. В этой связи следует отметить, что модуль 4 сгорания содержит средства для приведения данных сферических заглушек во вращательное движение, при этом данные средства 46 схематически показаны на фиг. 4 и обычно содержат один или множество электродвигателей, управляемых управляющим устройством, предпочтительно цифровой системой управления двигателем с полной ответственностью/полностью автоматизированной цифровой системой электронного управления (FADEC). Кроме того, средства 46 также управляют выпускным клапаном 24.
На фиг. 4 показан центр 50а отверстий 40а и центр 52а каждого из двух открытых концов 54а канала 34а для прохода газа. Четыре центра 50а, 50а, 52а, 52а расположены в одной и той же плоскости Р сечения на фиг. 4, при этом диаметральная плоскость ортогональна к оси 42а поворота. Такое расположение центров в плоскости Р сохраняется во время поворота сферических заглушек 32а, 38а.
На фиг. 5-8В показаны две сферические заглушки 32а, 38а. Как показано на фиг. 5, сфера 58а может быть образована посредством использования двух полусфер, неподвижно прикрепленных друг к другу, например, посредством сварки. Каждая из полусфер имеет одно из двух отверстий 40а. Отверстие 40а, которое видно на фиг. 7А и 7В, такое, что, если смотреть спереди, как на фиг. 7А, оно имеет общую овальную форму, в которой длина 56а проходит перпендикулярно оси 42а поворота, при этом длина 56а расположена в плоскости Р.
Аналогичным образом, каждый конец 54а канала 34 для прохода газа, как видно на фиг. 8А и 8В, такой, что, если смотреть спереди на фиг. 8А, он имеет общую овальную форму, в которой длина 58а проходит перпендикулярно оси 42а поворота, при этом данная длина 58а расположена в плоскости Р. Более точно, концы 54а и отверстия 40а имеют по существу идентичную форму, так что при выравнивании отверстий вдоль оси 12 камеры они будут расположены попарно с обеспечением совершенной непрерывности относительно друг друга. Таким образом, при выровненном положении на виде спереди длины 56а, 58а являются по существу идентичными. Эти длины меньше диаметра или равны диаметру отверстия 30а неподвижного корпуса 26а.
На фиг. 6 показано, что каждое отверстие 40а образует вместе с одним из концов 54а канала 34а для прохода газа отверстие 60 переменного сечения, специфическое для настоящего изобретения.
Таким образом, каждое отверстие 60а переменного сечения имеет пропускное поперечное сечение, зависящее от зоны совмещения отверстия 40а и конца 54а, образующих отверстие переменного сечения, при этом зона изменяется в соответствии с угловым положением двух заглушек относительно друг друга. Полное открытие отверстия 60а переменного сечения соответствует форме отверстий 40а, 54а, при этом поперечное сечение уменьшается при смещении центров 50а, 52а в направлении вдоль окружности в сторону друг от друга во время поворота заглушек в противоположных направлениях. Аналогичным образом, перед достижением полного открытия поперечное сечение увеличивается до тех пор, пока центры 50а, 52а не будут совмещены на оси 12.
Благодаря овальной форме отверстий отверстие 60а переменного сечения сохраняет в начале и в конце открытия общую форму, приближающуюся к форме диска, пригодную для обеспечения циркуляции потока газа с удовлетворительными характеристиками.
Вследствие особого расположения отверстий 40а, 54а два отверстия 60а переменного сечения постоянно являются диаметрально противоположными и в каждый момент времени будут иметь одинаковое пропускное поперечное сечение. В этой связи следует отметить, что во время поворота двух заглушек два отверстия 60а переменного сечения открываются или при их центрах, совпадающих с осью 12, или при их центрах, совпадающих с осью, перпендикулярной к указанной оси 12. В первом случае это обеспечивает возможность установки клапана 22 в открытом положении, предназначенном для ввода сжатого газа в огражденное пространство 16. Такая конфигурация достигается дважды во время полного поворота каждой заглушки. Как упомянуто выше, будучи полностью открытыми, два отверстия 60а переменного сечения, выровненные относительно отверстий 30а неподвижного корпуса клапана, имеют поперечное сечение, которое меньше поперечного сечения данных отверстий 30а, что означает, что отверстия 30а не «включены» в поперечное сечение канала для прохода газа.
Во втором случае сжатый газ из компрессорного модуля не может проходить через отверстия 60а переменного сечения и проходить по каналу 34а для прохода газа, и, следовательно, не может достигать огражденного пространства 16, поскольку отверстия 60а переменного сечения не открыты в зоне отверстий 30а, обеспечивающих доступ к полости камеры. Следовательно, несмотря на открытие отверстий переменного сечения, клапан 22 находится в закрытом положении. Кроме того, система уплотнений предусмотрена между внутренней поверхностью 28а неподвижного корпуса и наружной поверхностью наружного сферического элемента 38а, так что сжатые газы, захваченные ранее в канале 34а для прохода газа, не будут поступать в огражденное пространство камеры при данном закрытом положении клапана. На фиг. 4 показан пример системы уплотнений, реализованной посредством использования трех круговых уплотнительных сегментов, которые несет неподвижный корпус 26а, и все три уплотнительных сегмента расположены в плоскостях, параллельных оси 42а поворота. Система уплотнительных сегментов состоит из центрального сегмента 62а, расположенного в диаметральной плоскости или вблизи нее, и из двух боковых сегментов 64а с меньшими диаметрами, расположенными вблизи двух отверстий 30а корпуса, служащего в качестве седла 26а. Эквивалентные уплотнения могут быть размещены между сферическими элементами 32а, 38а, хотя предпочтительно, чтобы сферические элементы 32а, 38а находились в прямом сферическом контакте без каких-либо уплотнений.
Следовательно, когда отверстия 60а переменного сечения выровнены перпендикулярно оси 12 камеры, сжатые газы, захваченные ранее в канале 34а для прохода газа, не могут быть выпущены в направлении огражденного пространства 16 вследствие наличия расположенного ниже по потоку, бокового уплотнения 64а, предотвращающего утечки газа в направлении по потоку.
Снова со ссылкой на фиг. 4 следует отметить, что клапан 24 выпуска газообразных продуктов сгорания имеет конструкцию, идентичную или аналогичную конструкции впускного клапана 22, описанного выше. Таким образом, элементы клапана 24, которые идентичны или аналогичны элементам клапана 22, несут те же самые ссылочные позиции, при этом только дополнение "а" заменено дополнением "b".
Следовательно, в данном случае также вследствие особого расположения отверстий 40b, 54b два отверстия переменного сечения будут постоянно диаметрально противоположными и в каждый момент времени будут иметь одинаковое пропускное поперечное сечение. Во время поворота двух заглушек два отверстия переменного сечения также открываются или при их центрах, совпадающих с осью 12, или при их центрах, совпадающих с осью, перпендикулярной к указанной оси 12. В первом случае это обеспечивает возможность установки клапана 24 в открытом положении, обеспечивающем возможность выпуска газообразных продуктов сгорания наружу из огражденного пространства 16. Данная конфигурация достигается дважды во время полного поворота каждой заглушки 32b, 38b. Как упомянуто выше, при полном открытии два отверстия переменного сечения, выровненные относительно отверстий 30b неподвижного корпуса клапана, имеют поперечное сечение, которое меньше поперечного сечения данных отверстий 30b, что означает, что отверстия 30b не «включены» в поперечное сечение канала для прохода газа.
Во втором случае, показанном на фиг. 4а, когда отверстия 60b переменного сечения выровнены вдоль оси, перпендикулярной к оси 12, газообразные продукты сгорания, захваченные в канале 34b для прохода газа после операции выпуска, могут быть выпущены за счет прохода через отверстия 60b переменного сечения и расположенное выше/впереди по потоку отверстие 30b, что позволяет данным газообразным продуктам сгорания впоследствии достичь огражденного пространства 16, как схематически показано стрелками. Возможность этого, в частности, обеспечивается за счет отсутствия расположенного выше по потоку, бокового уплотнительного сегмента и за счет того, что расположенное выше по потоку отверстие 30b имеет больший диаметр по сравнению с диаметром расположенного ниже по потоку отверстия 30b неподвижного корпуса, что составляет два отличия от впускного клапана 22. Таким образом, расположенное выше по потоку отверстие 30b имеет больший диаметр по сравнению с расположенным ниже по потоку отверстием 30а входной стенки 18, что обеспечивается за счет выполнения входной 18 и выходной 20 стенок с разными формами, при этом выходная стенка 20 не приближается к оси 12 в такой степени, как входная стенка 18. Это высвобождение газа обеспечивает возможность выполнения функции рециркуляции газообразных продуктов сгорания, также называемой рециркуляцией выходящего газа (EGR), для воспламенения смеси в огражденном пространстве 16 во время этапа сжигания, следующего за этапом выпуска, упомянутым выше. Данное воспламенение подвергнутого рециркуляции, выходящего газа предпочтительно выполняется совместно с обычным воспламенением, как известно из предшествующего уровня техники.
Далее со ссылкой на фиг. 9А-14 будут описаны различные фазы цикла сгорания при постоянном объеме в камере 10. Во время данного цикла, как упомянуто выше, приводные средства сообщают идентичные скорости движения в противоположных направлениях сферическим заглушкам клапанов. Кроме того, имеется фазовый сдвиг между синхронизированными впускным и выпускным клапанами, при этом открытие и закрытие данных клапанов выполняются не одновременно, как четко видно на фиг. 9А-13С.
На графике на фиг. 14 кривая (С1) показывает пропускное поперечное сечение выпускного клапана 24, соответствующее, следовательно, пропускному поперечному сечению отверстий 60b переменного сечения, когда они выровнены вдоль оси 12 камеры. Кривая (С2) показывает пропускное поперечное сечение впускного клапана, соответствующее пропускному поперечному сечению отверстий 60а переменного сечения, когда они выровнены вдоль оси 12 камеры. В завершение, кривая (С3) показывает пропускное поперечное сечение выпускного клапана 24 при рециркуляции выходящего газа (EGR), соответствующее пропускному поперечному сечению отверстий 60b переменного сечения, когда они выровнены вдоль оси, перпендикулярной к оси 12 камеры. Фазы "Е", "А", "С" соответствуют соответственно фазам выпуска, впуска, сжигания.
На фиг. 9А-9С клапаны 22 и 24 находятся в конфигурации, предназначенной для выполнения фазы выпуска. Пропускное поперечное сечение отверстий 60b переменного сечения является максимальным, и, следовательно, данное состояние соответствует состоянию в момент t1 времени на графике на фиг. 14. В это время клапан 22 только начинает открываться для инициирования фазы впуска в новом цикле. Таким образом, пропускное поперечное сечение отверстий 60а переменного сечения очень мало.
В середине фазы впуска, как показано на фиг. 10А-10С, пропускное поперечное сечение отверстий 60а переменного сечения является максимальным, и, следовательно, данное состояние соответствует состоянию в момент t2 времени на графике на фиг. 14. В это время клапан 24 почти полностью закрывается для инициирования фазы сжигания. Таким образом, пропускное поперечное сечение отверстий 60b переменного очень сечения очень мало.
Фиг. 11А-11С показывают фазу сжигания, во время которой два клапана 22, 24 закрыты. С другой стороны, выпускной клапан 24 находится в конфигурации, соответствующей рециркуляции выходящего газа (EGR), то есть в состоянии, показанном на фиг. 4а. Таким образом, газообразные продукты сгорания, захваченные ранее в канале 34b, подвергаются рециркуляции для их ввода в огражденное пространство горения. В этом случае пропускное поперечное сечение для рециркуляции выходящего газа (EGR) является максимальным, что соответствует моменту t3 времени на графике на фиг. 14.
Фиг. 12А-12С показывают клапаны непосредственно перед инициированием фазы выпуска в момент t4 времени на графике на фиг. 14. Отверстия 60b переменного сечения в выпускном клапане готовы к открытию, в то время как впускной клапан 22 остается в закрытом положении.
Фиг. 13А-13С показывают возвращение клапанов к их положениям, показанным на фиг. 9А-9С, во время фазы выпуска. Следовательно, полный цикл сгорания выполняется во время полуоборота каждой сферической заглушки, или, другими словами, полный оборот каждой сферической заглушки эквивалентен двум полным циклам сгорания.
Фиг. 15 показывает второй предпочтительный вариант осуществления камеры 10 сгорания, при этом данный второй вариант осуществления отличается от первого тем, что каждый клапан 22, 24 не имеет двух сферических заглушек, а имеет только одну. Форма заглушки может быть идентична или аналогична форме наружной заглушки или форме внутренней заглушки, описанных выше. Независимо от формы, выбранной для данной единственной заглушки, отверстия переменного сечения образуются в этом случае посредством использования каналов/отверстий в заглушках и использования отверстий 30а, 30b неподвижных корпусов 26а, 26b, служащих в качестве седел. Остальные элементы камеры, а также способ выполнения цикла сгорания остаются неизмененными.
В завершение, фиг. 16 показывает альтернативный вариант осуществления, в котором выпускной клапан 24 имеет систему уплотнений в виде трех сегментов, идентичную или аналогичную соответствующим элементам впускного клапана по первому предпочтительному варианту осуществления. В этом случае, когда единственная сферическая заглушка 38b имеет отверстия 40b, ориентированные между центральным уплотнением 62b и расположенным ниже по потоку, боковым уплотнением 64b, существует возможность повторного нагнетания газообразных продуктов сгорания, ранее захваченных в полой части сферы, сравнимой с каналом 34b для прохода газа, упомянутым выше, в другую соседнюю камеру сгорания посредством одного или множества соответствующих трубопроводов 70. Данные трубопроводы 70 соединены с каналами 72, проходящими через корпус 26b так, что они открываются на сферической внутренней поверхности 28b между двумя уплотнительными сегментами 64b, 62b.
Это обеспечивает возможность выполнения функции рециркуляции выходящего газа (EGR) в соседней камере 10 сгорания, которая предпочтительно имеет фазовый сдвиг при выполнении цикла сгорания, в данном случае - небольшую задержку. Все камеры сгорания модуля 4 с цилиндрами могут быть соединены друг с другом способом, идентичным или аналогичным показанному на фиг. 16.
Очевидно, что специалистами в данной области техники могут быть выполнены различные модификации изобретения, описанного выше, при этом данные модификации представляют собой просто неограничивающие примеры.