МНОГОТОЧЕЧНЫЙ ИНЖЕКТОР ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ТУРБОМАШИНЫ
MULTIPOINT INJECTOR FOR TURBO-MACHINE COMBUSTION CHAMBER

Настоящее изобретение относится к устройству «многоточечного» инжектирования топлива для кольцевой камеры сгорания турбомашины, такой как турбореактор или турбодвигатель самолета.
Как известно, турбомашина содержит кольцевую камеру сгорания топлива, оборудованную на выходе компрессором высокого давления и в которой предусмотрено несколько устройств для инжектирования топлива, равномерно расположенных по окружности на входе камеры сгорания. Каждое устройство для многоточечного инжектирования содержит первую трубку Вентури, внутри которой смонтирован ведущий инжектор, центрированный по оси первой трубки Вентури и постоянно питаемый контуром управления, и вторую трубку Вентури, коаксиальную первой трубе Вентури и окружающей ее. Вторая трубка Вентури содержит кольцевую камеру на своем входе, в которой установлен кольцевой венец, к которому подается топливо посредством многоточечного контура. Венец содержит инжекционные отверстия для топлива, выполненные на фронтальной поверхности, ориентированной к выходу и в наружном направлении второй трубки Вентури.
Контур управления обеспечивает постоянную оптимальную подачу топлива для режима работы на малых оборотах, а многоточечный контур обеспечивает оптимальную периодическую подачу топлива для режима работы на высоких оборотах.
Тем не менее, использование периодического многоточечного контура имеет недостаток, вызванный действием повышенных температур вследствие излучения пламени в камере сгорания и приводящий к стиранию или коксованию топлива, застаивающемуся внутри многоточечного контура при его прерывании. Эти явления могут привести к образованию кокса в венце на уровне инжекционных отверстий для инжектирования топлива многоточечного контура, неблагоприятно сказывающемуся на распылении топлива многоточечным контуром и, таким образом, на функционировании камеры сгорания.
Для уменьшения риска коксования топлива из документа ЕР 2026002 заявителя известно использование контура управления топлива для охлаждения многоточечного контура и уменьшения образования в нем кокса благодаря двум кольцевым каналам, сформированным в кольцевой камере радиально внутрь и наружу от кольцевого венца, причем эти два канала связаны на выходе с инжектором управления.
Такая конфигурация, однако, не позволяет в достаточной мере уменьшить риск коксования топлива, циркулирующего на уровне фронтальной поверхности кольцевой камеры, которая остается сильно подверженной термическому излучению, генерируемому сгоранием топлива на выходе.
Задачей изобретения является разработка простого, эффективного и экономичного решения указанной проблемы.
Для решения задачи предлагается устройство инжектирования топлива в кольцевую камеру сгорания турбомашины, содержащую контур управления, постоянно питающий инжектор, открывающийся в первую трубку Вентури, и многоточечный контур, периодически питающий инжекционные отверстия, выполненные на фронтальной поверхности передней кольцевой камеры второй трубки Вентури, коаксиальной первой трубке Вентури и окружающей ее, причем кольцевой венец смонтирован в кольцевой камере для образования в ней контура для подачи топлива к инжекционным отверстиям и охлаждающего контура посредством прохождения топлива, подаваемого на инжектор контура управления, отличающееся тем, что охлаждающий контур проходит по фронтальной поверхности камеры в непосредственной близи от инжекционных отверстий.
Интегрирование части охлаждающего контура на уровне фронтальной поверхности кольцевой камеры, которая наиболее подвержена термическому облучению, позволяет постоянно охлаждать ту часть этой фронтальной поверхности, которая находится в непосредственной близости от инжекционных отверстий во избежание образования в них кокса.
Предпочтительно, чтобы часть охлаждающего контура была образована канавкой на задней стороне кольцевого венца, причем эта задняя сторона накладывается на фронтальную поверхность кольцевой камеры.
Таким образом можно просто и с меньшими затратами реализовать охлаждающий контур фронтальной поверхности кольцевой камеры.
Охлаждающий контур также содержит кольцевой канал, образованный между внутренними цилиндрическими стенками венца и кольцевой камеры, для охлаждения внутренней цилиндрической поверхности кольцевой камеры второй трубки Вентури, внутри которой циркулирует поток горячего воздуха, поступающий от компрессора высокого давления.
Охлаждающий контур содержит также кольцевой канал, образованный между внешними цилиндрическими стенками кольцевого венца и кольцевой камеры, причем этот канал может служить для охлаждения внешних стенок кольцевой камеры посредством циркуляции топлива контура управления или который может быть изолированным от контура управления или быть заполненным воздухом или коксованным топливом, служащим термической изоляцией.
При функционировании внешняя периферия кольцевой камеры второй трубки Вентури повергается воздействию более низких температур, чем внутренняя периферия кольцевой камеры и, таким образом, не требуется постоянно охлаждать внешний контур кольцевой камеры, а использование термической изоляции является достаточным.
Предпочтительно, чтобы охлаждающий контур фронтальной поверхности камеры являлся волнообразным и проходил поочередно радиально внутрь и наружу от инжекционных отверстий, что позволяет расположить охлаждающий контур как можно ближе к инжекционным отверстиям.
Предпочтительно также, чтобы охлаждающий контур фронтальной поверхности камеры содержал два симметричных полукруглых ответвления, каждое из которых проходит между устройствами входа и выхода топлива, причем эти устройства связаны с инжектором контура управления.
Инжектирование топлива через отверстия кольцевой камеры выполняется посредством отверстий венца, которые открываются в отверстия кольцевой камеры.
Предпочтительно, чтобы отверстия задней стенки венца имели диаметр меньший, чем диаметр отверстий фронтальной поверхности кольцевой камеры, благодаря этому капли топлива, выходящие из отверстий венца, не создают препятствий в виде образования кокса в отверстиях стенок камеры при прерывании многоточечного контура.
Изобретение также относится к кольцевой камере сгорания турбомашины, содержащей по меньшей мере одно устройство инжектирования топлива, описанное выше.
Изобретение также относится к турбомашине, такой как турбореактор или турбодвигатель, содержащий, по меньшей мере, одно устройство инжектирования топлива, описанного выше типа.
Настоящее изобретение, его детали, преимущества и признаки будут рассмотрены в дальнейшем в описании, приведенном в рамках неограничительного примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 показывает схематичный частичный вид в аксиальном разрезе многоточечного устройства инжектирования топлива в соответствии с предшествующим уровнем техники;
Фиг. 2 показывает схематичный частичный вид в аксиальном разрезе многоточечного устройства инжектирования топлива в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг 3 показывает схематичный вид в изометрии устройства инжектирования согласно фиг.2 сзади;
Фиг. 4 показывает схематичный вид в изометрии устройства инжектирования согласно фиг.2 сзади, но под другим углом рассмотрения.
Вначале рассмотрим фиг.1, представляющую устройство инжектирования 10, содержащее две системы инжектирования топлива, среди которых одна является системой управления, функционирующей постоянно, а другая является многоточечной системой, функционирующей периодически. Это устройство предназначено быть установленным в отверстии стенки дна кольцевой камеры сгорания турбомашины, в которую подается воздух компрессором высокого давления, расположенного на входе, горячий газ которого подается на турбину, установленную на выходе.
Это устройство содержит коаксиальные первую трубку Вентури 12 и вторую трубку Вентури 14, причем первая трубка Вентури 12 установлена внутри второй трубки Вентури 14. Инжектор 16 управления установлен внутри первого витка спирали 18, вставленной аксиально внутрь первой трубки Вентури 12. Второй виток спирали 20 образован на входном конце первой трубки Вентури 12 и радиально от нее наружу и разделяет первую трубку Вентури 12 и вторую трубку Вентури 14.
Вторая трубка Вентури 14 содержит кольцевую камеру 22, образованную двумя цилиндрическими стенками, радиально внутренней 42 и внешней 26, которые соединены между собой задней стенкой 28 в виде усеченного конуса, сходящейся назад. Кольцевой венец 30, также содержащий две цилиндрические стенки, радиально внутреннюю 32 и внешнюю 34, соединенными между собой задней стенкой 36 в виде усеченного конуса, сходящегося назад, установлен внутри кольцевой камеры 22 так, что задние стенки 28, 36 кольцевой камеры 22 и кольцевого венца 30 контактируют друг с другом. Кольцевой венец 30 центрирован внутри кольцевой камеры 22 благодаря кольцевому заплечику 38, сформированному внутри кольцевой камеры 30 встык с задней стенкой 38, в виде усеченного конуса, и внутренней цилиндрической стенкой 24 кольцевой камеры 22.
И кольцевой венец 30, и кольцевая камера 22 содержат кольцевое отверстие на своих передних концах. Цилиндрические стенки 24, 26 кольцевой камеры 22 выступают вперед относительно передних концов цилиндрических стенок 32, 34 кольцевого венца 30.
Задняя стенка 36 кольцевого венца 30 содержит инжекционные отверстия 40, равномерно распределенные по окружности и открывающиеся в отверстия 42 соответственно в задней стенке 28 кольцевой камеры 22. Отверстия 40, 42 кольцевой камеры 22 и кольцевого венца 30 имеют идентичный диаметр.
Кольцевой внутренний канал 44 сформирован между внутренними цилиндрическими стенками 24, 32 кольцевого венца 30 и кольцевой камеры 22. Подобным образом, кольцевой внешний канал 46 образован между внешними цилиндрическими стенками 26 и 34 кольцевого венца 30 и кольцевой камеры 22.
Устройство инжектирования содержит корпус 48, задняя часть которого является кольцевой и содержит цилиндрический канал 50, аксиально вставленный герметично между внутренней цилиндрической стенкой 24 и внешней цилиндрической стенкой 26 кольцевой камеры 22 и открывающийся герметично между внутренней 32 и внешней цилиндрическими стенками кольцевого венца 30. Канал 50 имеет радиальный заплечик 54, упирающийся в передние концы внутренней цилиндрической стенки 32 и внешней цилиндрической стенки 34 кольцевого венца 30.
Такой герметичный монтаж корпуса 48 позволяет гарантировать, что внутренний 44 и внешний 48 кольцевые каналы будут герметичными относительно кольцевого пространства, сформированного внутри кольцевого венца 30.
Рукав 56 подачи топлива связан с корпусом 48 и содержит два коаксиальных канала, среди которых один центральный канал 58 питает канал 60 корпуса 48, открывающийся на выходе внутрь кольцевого венца 30, а второй внешний канал 62, образованный вокруг центрального канала 58, питает на выходе различные каналы (не показаны), открывающиеся соответственно во внутренний 44 и внешний 46 кольцевые каналы.
Корпус 48 включает в себя коллекторную полость 64 для топлива, образованную диаметрально противоположно рукаву 56 подачи топлива и на уровне передних концов цилиндрических стенок 32, 34 кольцевого венца 30 так, чтобы кольцевые внутренний 44 и внешний 46 каналы сообщались с коллекторной полостью 64. Канал 66 соединен одним концом с инжектором 16 управления, а другим концом с корпусом 48, и открывается в коллекторную полость 64.
При работе центральный канал 58 рукава 56 подает топливо в канал 60 корпуса 48, причем топливо затем поступает на кольцевой венец 30 и инжектируется в камеру сгорания на выходе через отверстия 40, 42 венца 30 и камеры 22.
Внешний канал 62 рукава 56 питает каналы корпуса 48, выходя в кольцевые внутренний канал 44 и внешний канал 46, при этом топливо затем поступает в коллекторную полость 64, чтобы питать инжектор 16 управления посредством канала 66.
Этот контур образует контур управления и функционирует постоянно, тогда как многоточечный контур функционирует периодически, когда специфичные фазы полета, такие как взлет, требуют повышенной мощности.
При функционировании турбомашины горячий воздух (приблизительно 600°С), поступающий от компрессора высокого давления, проходит внутрь первой трубки Вентури 12 на первую радиальную спираль 18, воздух также проходит внутрь второй радиальной спирали 20, между первой трубкой Вентури 12 и второй трубкой Вентури 14.
Кольцевые каналы, внутренний 44 и внешний 46, в которых постоянно циркулирует топливо для питания инжектора управления, образуют охлаждающий контур радиально наружу и внутрь от кольцевого венца 30, что помогает избежать образования кокса вследствие термического излучения горения, и что используется при фазах полета, где многоточечный контур не функционирует.
Как было указано выше, задняя фронтальная поверхность 28 кольцевой камеры 22 подвержена также термическому излучению при горении, что может привести к коксованию топлива в инжекционных отверстиях 40, 42 венца 30 и кольцевой камеры 22 при тех фазах полета, на которых многоточечный контур не используется.
В настоящем изобретении предлагается решение данной проблемы путем интегрирования в устройство инжектирования 67 охлаждающего контура фронтальной стенки 68 в виде усеченного конуса кольцевой камеры 70 в непосредственной близи от инжекционных отверстий, как это представлено на фиг. 2-4.
Охлаждающий контур содержит канавку 73, образованную на задней поверхности стенки 74 в виде усеченного конуса кольцевого венца 76, которая накладывается на переднюю поверхность стенки 68 в виде усеченного конуса кольцевой камеры 70.
Канавка 72 выполнена волнообразной и проходит поочередно радиально внутрь и наружу от инжекционных отверстий 78 кольцевого венца 76, что позволяет лучше охладить отверстия 78 венца 76 и отверстия 80 кольцевой камеры 70. При таком выполнении канавка 72 содержит два полукруглых ответвления, запитываемых топливом посредством двух каналов 82, 84 корпуса 48 и связанных на выходе с коллекторной полостью 64, диаметрально противоположной. Эти два ответвления являются симметричными относительно плоскости, проходящей по оси инжектора 16 управления и посередине между двумя каналами 82 и 84, питающими канавку 72.
Охлаждающий контур согласно настоящему изобретению также содержит внутреннюю кольцевую канавку 86, образованную в толще внутренней цилиндрической стенки 88 венца 76, причем эта канавка 86 образует с цилиндрической внутренней стенкой 90 кольцевой камеры 70 внутренний кольцевой канал. Во внутренний кольцевой канал топливо подается посредством двух каналов 92, 94 корпуса 48, при этом он связан на выходе с коллекторной полостью 64 для охлаждения внутренних цилиндрических стенок 88, 90 кольцевого венца 76 и кольцевой камеры 70.
Две полукруглые канавки 96, 98 образованы в толще внешней цилиндрической стенки 100 кольцевого венца 76 и образуют с цилиндрической внешней стенкой 102 кольцевой камеры 70 два полукруглых канала, окружные концы которых перекрыты осевыми нервюрами 104 кольцевого венца 76. Таким образом, два внешних полукруглых канала изолированы от коллекторной камеры, питающей инжектор управления.
При установке венца 76 внутри кольцевой камеры 70 два полукруглых канала заполняют воздухом. При функционировании эти каналы могут быть заполнены воздухом, если герметичность выполняется относительно контура управления и в частности относительно фронтального контура или они могут быть заполнены топливом в противоположном случае, в котором топливо коксуется под действием высоких температур. В обоих случаях воздух или скоксованное топливо образуют термоизоляцию, что является достаточным для избежания коксования топлива внутри венца, когда внешняя периферия кольцевого венца 76 и кольцевой камеры 70 подвергаются температурам, меньшим, чем температура, которой подвергается внутренняя периферия этих деталей.
Отверстия 78 задней стенки 74 в виде усеченного конуса кольцевого венца 76 имеют диаметр меньший, чем диаметр отверстий фронтальной поверхности 68 в виде усеченного конуса кольцевой камеры 70. Это помогает избежать при остановке многоточечного контура перекрывания отверстий 80 кольцевой камеры 70 из-за коксования оставшихся капель топлива на уровне отверстий 78 кольцевого венца 76. В частном варианте воплощения диаметр отверстий 78 кольцевого венца 76 составляет порядка 0,5 мм, а диаметр отверстий 80 кольцевой камеры 70 является порядка 1 мм.
Для того чтобы изолировать фронтальный контур охлаждения многоточечного контура, задняя сторона стенки 74 в виде усеченного конуса венца 72 герметично закреплена на стенке 68 в виде усеченного конуса кольцевой камеры 70, например, припаиванием. Таким образом, стык между отверстием 78 венца 76 и отверстием 80 кольцевой камеры 70 выполнен герметичным. Вместо осуществления пайки, кольцевой венец 76 и вторую трубку Вентури 14, содержащую кольцевую камеру 70, можно выполнить как единую деталь, например, лазерным спеканием.
Настоящее изобретение не ограничивается волнообразным охлаждающим контуром, таким как описано ранее. Также можно сформировать две канавки на задней поверхности задней стенки 74 венца 76, причем одна из канавок располагается радиально внутрь отверстий 78 венца 76, а другая находится радиально наружу от этих же отверстий 78.
Тем не менее этот контур не позволит наилучшим образом охладить отверстия 78, 80 кольцевого венца 76 и кольцевой камеры 70, и, в частности, кольцевое пространство между отверстиями. Также можно предложить соединить эти две, внутреннюю и внешнюю, канавки фронтальной поверхности радиальными каналами между отверстиями. Однако такое решение повлечет за собой образование предпочтительного течения в некоторых из этих каналов, приводящее к неравномерному охлаждению кольцевого венца 76 и кольцевой камеры 70.
В другом варианте внешние каналы 96, 98 соединены с коллекторной полостью 64, питающей инжектор 16 управления и участвующей в охлаждении кольцевой камеры 70 посредством циркуляции топлива инжектора 16 управления.