УСТРОЙСТВО ВПРЫСКА ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ТУРБОМАШИНЫ
INJECTOR FOR TURBOMACHINE COMBUSTION CHAMBER

Изобретение касается устройства «многоточечного» впрыска топлива для кольцевой камеры сгорания турбомашины, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель.
Турбомашина содержит кольцевую камеру сгорания, расположенную на выходе компрессора высокого давления и снабженную несколькими устройствами для впрыска топлива, равномерно распределенными на входе камеры сгорания. «Многоточечное» устройство впрыска содержит трубку Вентури, внутри которой установлен управляемый инжектор, отцентрованный по оси трубки Вентури, постоянно питаемый от управляющей цепи, и вторую трубку Вентури, коаксиальную первой и окружающую ее. Вторая трубка Вентури содержит кольцевую камеру на входном конце, в которой установлен кольцевой сопловый аппарат, питаемый топливом от топливопровода. Сопловый аппарат содержит отверстия для впрыска топлива, образованные во фронтальной поверхности, ориентированной к выходу или вниз по потоку. Эти отверстия открываются на выходе в отверстия фронтальной перегородки кольцевой камеры, которые сами открываются в камеру сгорания.
Управляющая цепь постоянно выдает оптимизированное количество топлива для низких режимов, а многоточечная цепь вырабатывает прерывистый дебит топлива, оптимизированный для высоких режимов.
Однако основным недостатком прерывистого использования многоточечной цепи вследствие воздействия повышенных температур, вызванных излучением факела в камере сгорания, является смолообразование или коксование топлива, застаивающегося в многоточечной цепи, когда последняя отключена. Эти явления могут привести к образованию нагара в отверстиях для впрыска топлива многоточечной цепи, затрудняющего или уменьшающего распыление топлива многоточечной цепью и, таким образом, функционирование камеры сгорания.
Для устранения этого недостатка в документе ЕР2026002 заявителем было предложено использовать управляющую цепь топлива для охлаждения многоточечной цепи и уменьшения, таким образом, образования нагара, благодаря двум кольцевым каналам, выполненным в кольцевой камере сгорания радиально внутри и снаружи кольцевого соплового аппарата, причем оба канала на выходе соединены с управляющим инжектором. В документе FR09/04906 Заявитель также предложил средства тепловой изоляции между фронтальной плоскостью камеры и фронтальной перегородкой кольцевой камеры. В другом документе FR09/04907 заявитель предложил осуществить охлаждение фронтальной поверхности соплового аппарата путем отвода части топлива из внутреннего и внешнего кольцевых каналов и ее циркуляции между фронтальной плоскостью и фронтальной перегородкой кольцевой камеры.
Если такие технологии уменьшают коксование топлива вблизи отверстий соплового аппарата, это уменьшение, однако, недостаточно для гарантии оптимальной работы многоточечной цепи.
Действительно, крепление кольцевого соплового аппарата внутри кольцевой камеры, а также гарантия хорошей герметичности между многоточечной цепью и управляющей цепью требуют использования сварки или пайки фронтальной поверхности соплового аппарата на фронтальной перегородке камеры. Таким образом, между фронтальной поверхностью соплового аппарата и фронтальной перегородкой камеры существует зона контакта, что приводит к хорошей передаче теплового потока, исходящего от факела горения к отверстиям соплового аппарата, и риску образования нагара при отключении многоточечной цепи.
Задачей изобретения является простое, эффективное и экономичное решение этой проблемы.
Для решения этой задачи предлагается устройство впрыска топлива для кольцевой камеры сгорания турбомашины, содержащее управляющую цепь, постоянно питающую инжектор, открывающийся в первую трубку Вентури, и многоточечную цепь, прерывисто питающую инжекционные отверстия, выполненные во фронтальной поверхности входной кольцевой камеры второй коаксиальной трубки Вентури и окружающие ее, при этом кольцевой сопловый аппарат установлен в кольцевой камере и содержит отверстия для прохода топлива, открывающиеся в упомянутые инжекционные отверстия, отличающееся тем, что каждое отверстие для прохода топлива, выполненное в кольцевом сопловом аппарате, содержит зону уменьшенного сечения, продленную, по меньшей мере, в сторону входа (вверх по потоку) или выхода (вниз по потоку) частью отверстия с возрастающим сечением, обеспечивающим увеличение объема, образованного каждым отверстием, для прохода топлива, что ограничивает образование нагара в многоточечной цепи. С устройством впрыска по изобретению можно сохранить дебит топлива многоточечной цепи, идентичный устройству из предшествующего уровня техники, при уменьшении недостатков, вызванных коксованием топлива при отключении многоточечной цепи.
В соответствии с другой характеристикой изобретения, часть с возрастающим сечением постепенно увеличивается до выхода на входе или на выходе отверстия.
Зона с уменьшенным сечением может быть образована на входном конце или выходном конце отверстия. Как вариант, зона с уменьшенным сечением образована между входным и выходным концами отверстия и продолжена частью возрастающего сечения в выходном направлении.
В частном варианте осуществления изобретения зона с уменьшенным сечением образована в срединной части отверстия.
Одна или несколько частей отверстия с увеличивающимся сечением может иметь изменяемые профили так, чтобы иметь возрастающее сечение. В частности, они могут иметь конический либо искривленный профиль.
Предпочтительно, чтобы управляющая цепь содержала цепь охлаждения кольцевого соплового аппарата, а средства тепловой защиты фронтальной поверхности кольцевого соплового аппарата размещены между фронтальной поверхностью кольцевого соплового аппарата и фронтальной перегородкой кольцевой камеры.
Предпочтительно также, чтобы согласно первому варианту средства тепловой защиты содержали средства тепловой изоляции фронтальной поверхности кольцевого соплового аппарата, размещенные между фронтальной поверхностью кольцевого соплового аппарата и фронтальной перегородкой кольцевой камеры.
Во втором варианте средства тепловой изоляции образованы частью цепи охлаждения, расположенной на фронтальной поверхности кольцевого соплового аппарата в непосредственной близости от инжекционных отверстий.
В той или другой из двух предыдущих конфигураций преимуществом изобретения является уменьшение температуры на уровне инжекторных отверстий соплового аппарата вследствие введения средств охлаждения либо средств тепловой изоляции, что позволяет еще больше ограничить образование нагара на уровне инжекционных отверстий.
Изобретение касается также кольцевой камеры сгорания турбомашины, содержащей, по меньшей мере, описанное выше устройство для впрыска топлива. Оно касается также турбомашины, такой как турбореактивный или турбовинтовой двигатель, содержащей такую камеру сгорания.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 схематично изображает частичный вид в осевом разрезе устройства для многоточечного впрыска топлива по предшествующему уровню техники;
- фиг.2 схематично изображает в более крупном масштабе зону, ограниченную пунктиром на фиг.1;
- фиг.3 и 4 схематично изображают виды двух примеров воплощения изобретения;
- фиг.5 и 6 схематично представляют варианты осуществления изобретения.
На фиг.1 изображено устройство 10 впрыска из предшествующего уровня техники, содержащее две системы впрыска топлива, одной из которых является постоянно работающая управляющая система, а второй - работающая прерывисто многоточечная система. Эта установка предназначена для размещения в отверстии перегородки дна кольцевой камеры сгорания турбомашины, которая питается воздухом от входного компрессора высокого давления и газообразные продукты горения которой питают турбину, размещенную на выходе.
Это устройство содержит первую трубку Вентури 12 и вторую коаксиальную трубку Вентури 14, при этом первая трубка Вентури 12 установлена внутри второй трубки Вентури 14. Управляющий инжектор 16 установлен внутри первой спиральной ступени 18, размещенный по оси внутри первой трубки Вентури 12. Вторая спиральная ступень 20 образована с входной стороны и радиально снаружи первой трубки Вентури 12 и разделяет первую и вторую трубки Вентури 12, 14.
Вторая трубка Вентури 14 содержит кольцевую камеру 22, ограниченную двумя радиально внутренней 24 и внешней 26 цилиндрическими стенками, соединенными одна с другой выходной перегородкой 28 в форме усеченного конуса, сужающейся к выходу. Кольцевой сопловый аппарат 30 содержит также две цилиндрические радиально внутреннюю 32 и внешнюю 34 стенки, связанные между собой выходной перегородкой 36 в форме усеченного конуса, сужающейся к выходу и установленной внутри кольцевой камеры 22 так, чтобы выходные перегородки 28, 36 кольцевой камеры 22 и кольцевого соплового аппарата 30 примыкали одна к другой.
Кольцевой сопловый аппарат 30 и кольцевая камера 22 открыты на входном конце. Цилиндрические стенки 24, 26 кольцевой камеры 22 простираются за них к входу относительно входных концов цилиндрических стенок 32, 34 кольцевого соплового аппарата 30.
Выходная перегородка 36 кольцевого соплового аппарата содержит цилиндрические инжекционные отверстия 40, равномерно распределенные по окружности и открывающиеся в соответствующие коаксиальные цилиндрические отверстия 42 выходной перегородки 28 кольцевой камеры 22. Отверстия 42 кольцевой камеры 22 выполнены диаметром, превышающим диаметр отверстий 40 кольцевого соплового аппарата (фиг.2).
Внутренний кольцевой канал 44 для прохода топлива образован между внутренними цилиндрическими стенками 24, 32 кольцевого соплового аппарата 30 и кольцевой камеры 22. Подобным образом, внешний кольцевой канал 46 для прохода топлива образован между внешними кольцевыми стенками 26, 34 кольцевого соплового аппарата 30 и кольцевой камеры 22.
Устройство впрыска содержит корпус 48 для подвода топлива, выходная часть которого выполнена кольцевой и содержит цилиндрический трубопровод 50, герметично установленный по оси между внутренней 24 и внешней 26 цилиндрическими стенками кольцевого соплового аппарата 30. Трубопровод 50 содержит радиальное плечико 54, упирающееся во входные концы внутренней 32 и внешней 34 цилиндрических стенок кольцевого соплового аппарата 30.
Стойка 56 питания топливом соединена с корпусом 48 и содержит два коаксиальных трубопровода, один из которых - внутренний 58 - питает трубопровод 50 корпуса 48, открывающийся на выходе внутрь кольцевого соплового аппарата 30 для питания отверстий 40 и 42, а другой - внешний 62 - питает на выходе каналы (не изображенные), открывающиеся во внутренний 44 и внешний 46 кольцевые каналы соответственно.
Корпус 48 содержит полость 64 для сбора топлива, образованную диаметрально противоположно стойке 56 питания топливом и на уровне входных концов цилиндрических стенок 32, 34 кольцевого соплового аппарата 30 таким образом, чтобы внутренний 44 и внешний 46 кольцевые каналы сообщались с полостью 64 для сбора. Трубопровод 66 соединен одним концом с управляющим инжектором 16, а другим концом открывается в полость 64 для сбора.
При работе внутренний трубопровод 58 стойки 56 питает топливом трубопровод 50 корпуса 48, далее топливо поступает в кольцевой сопловый аппарат 30 и впрыскивается в камеру сгорания в сторону выхода через отверстия 40, 42 соплового аппарата 30 и камеры 22.
Внешний трубопровод 62 стойки 56 питает каналы корпуса 48, открывающиеся во внутренний 44 и внешний 46 кольцевые каналы, далее топливо поступает в полость 64 для сбора для питания управляющего инжектора 16 по трубопроводу 66.
Управляющая цепь работает постоянно, тогда как многоточечная цепь работает прерывисто в процессе специфических фаз полета, таких как взлет, требующий максимальной мощности.
В процессе работы турбомашины горячий воздух, поступающий из компрессора высокого давления, могущий достигать от 600 до 700°С, подается внутрь первой трубки Вентури 12 в первую радиальную спираль 18, и воздух поступает также внутрь второй радиальной спирали 20 между первой 12 и второй 14 трубками Вентури.
Внутренний 44 и внешний 46 кольцевые каналы, в которых постоянно циркулирует топливо для питания управляющего инжектора, образуют цепь охлаждения радиально снаружи и внутри кольцевого соплового аппарата 30, что исключает коксование топлива в сопловом аппарате 30, вызванное тепловым излучением горения, в процессе фаз полета, в которых многоточечная цепь отключена.
Как указано выше, выходная поверхность 28 кольцевой камеры 22 подвергается непосредственному тепловому воздействию горения, что может привести к коксованию топлива в инжекционных отверстиях 40, 42 соплового аппарата 30 и кольцевой камеры 22 в процессе фаз полета, в которых многоточечная цепь отключена.
Для ограничения повышения температуры фронтальной поверхности кольцевого соплового аппарата 30, между фронтальной поверхностью 36 соплового аппарата 30 и фронтальной перегородкой 28 кольцевой камеры 22 предусмотрено размещение средств теплоизоляции.
Эти теплоизоляционные средства содержат кольцевую полость 68, образованную между фронтальной поверхностью 28 кольцевого соплового аппарата 30 и выходной перегородкой 28 кольцевой камеры 22. Эта полость 68 простирается между инжекционными отверстиями 40 так, чтобы выполнить тепловую изоляцию как можно ближе к ним, что позволяет уменьшить риски коксования топлива на уровне отверстий 42 для впрыска топлива для обеспечения оптимальной работы многоточечной цепи.
Фронтальная поверхность 36 кольцевого соплового аппарата 30 содержит множество выступающих частей 70, равномерно распределенных вокруг соплового аппарата 30, каждая из которых содержит инжекционное отверстие 42. Эти части 70 вставлены в полости выступов входной поверхности задней перегородки 28 кольцевой камеры 22. Эти части 70 расположены внутри этих полостей таким образом, чтобы упираться в выходную перегородку 28 кольцевой камеры 22 для обеспечения точного осевого позиционирования соплового аппарата 30 в кольцевой камере 22. Части 70 имеют, по существу, цилиндрическую форму и впаяны внутрь полостей выступов для обеспечения герметичности между управляющей цепью и многоточечной цепью.
Внешняя цилиндрическая стенка соплового аппарата 30 радиально опирается кольцевым буртиком на внешнюю цилиндрическую стенку 26 кольцевой камеры 22 для центровки соплового аппарата 30 в кольцевой камере 22. Фронтальная стенка 36 содержит кольцевую реборду 72, простирающуюся в сторону выхода и в продолжение внутренней цилиндрической стенки 32. Выходной конец этой кольцевой реборды 72 образует кольцевой проход для топлива между внутренним кольцевым каналом 44 и фронтальной кольцевой полостью 68.
Внешний кольцевой канал 46 изолирован от фронтальной полости 68 кольцевым буртиком стенки 34 соплового аппарата 30, который может быть напаян, в необходимом случае, на внешнюю цилиндрическую перегородку 26 кольцевой камеры 22 для выполнения, в случае необходимости, герметичной связи. При работе топливо, имеющееся в полости 68, будет коксоваться под действием теплового потока, образуя, таким образом, тепловую изоляцию, защищающую кольцевой сопловый аппарат 30.
Как уже указывалось выше, этот тип устройства позволяет ограничить повышение температуры фронтальной поверхности 36 кольцевого соплового аппарата 30 и, следовательно, ограничить образование нагара, когда многоточечная цепь не работает. Однако выполнение сваркой соединения между фронтальной поверхностью 36 соплового аппарата 30 и фронтальной перегородкой 28 кольцевой камеры 22 на уровне частей 70 образует тепловой мост и создает теплопередачу от камеры сгорания, что может способствовать образованию кокса на уровне отверстий 40 соплового аппарата 30.
Изобретение предлагает решение этой проблемы путем изменения сечения отверстий для прохода топлива, выполненных кольцевом сопловом аппарате 74 таким образом, чтобы каждое отверстие имело зону уменьшенного сечения, продолженную участком возрастающего сечения.
В первом варианте осуществления изобретения, представленном на фиг.3, уменьшенное сечение 76 каждого отверстия 78 кольцевого соплового аппарата 74 выполнено на входном конце отверстия 78 на уровне выхода отверстия 78 внутри кольцевого соплового аппарата 74. Внутренняя поверхность 80 каждого отверстия 78 выполнена конической с сечением, увеличивающимся к выходному концу отверстия 78. Профиль конуса таков, что диаметр выходного сечения 82 каждого отверстия 78, по существу, равен диаметру отверстий 42 кольцевой камеры 22.
Такая конфигурация создает преимущество в простоте изготовления, так как механическая обработка отверстий 78 кольцевого соплового аппарата 74 с конусным сечением может быть осуществлена введением соответствующего инструмента через отверстия 42 кольцевой камеры 22. Так, такая механическая обработка может быть выполнена на инжекционной системе кольцевого соплового аппарата 74, уже установленного и закрепленного внутри кольцевой камеры 22. Наконец, встраивание части с сечением, возрастающим к выходному концу отверстия, образует часть, расширяющуюся к выходу, облегчающую впрыск топлива в камеру сгорания.
Во втором варианте осуществления изобретения, изображенном на фиг.4, уменьшенное сечение 83 каждого отверстия 84 кольцевого соплового аппарата 86 находится на выходном конце отверстия 84. Внутренняя поверхность 88 каждого отверстия 84 является конической с сечением, увеличивающимся от выходного конца отверстия 84 до его входного конца. Такой тип конфигурации является более трудным в изготовлении и требует использования более сложных технологий механической обработки, таких как лазерная или электроэрозионная пробивка отверстия. Отверстия 84 с сечением, увеличивающимся к входу, должны быть выполнены в кольцевом сопловом аппарате 86 перед его монтажом внутри кольцевой камеры 22. Однако такая конфигурация имеет преимущество по сравнению с предыдущим примером конфигурации (фиг.3), заключающееся в уменьшении времени воздействия излучения пламени горения на внутреннюю поверхность 88 отверстий 84 соплового аппарата 86.
В двух вариантах осуществления изобретения, представленных на фиг.5 и 6, уменьшенное сечение 90, 92 образовано между входным и выходным концами каждого отверстия кольцевого соплового аппарата и в срединной части отверстия. В этих примерах каждое отверстие 94, 96 содержит часть с возрастающим сечением 98, 100 в выходном направлении и часть возрастающего сечения 102, 104 во входном направлении. Части с возрастающим сечением могут иметь каждый конический профиль (фиг.5) или искривленный профиль 100, 104 (фиг.6). В последнем случае отмечается, что искривленные поверхности 100, 104 являются выпуклыми. Эти поверхности могли бы быть также вогнутыми.
В других вариантах стенки отверстий соплового аппарата, изображенных на фиг.3 и 4, могут иметь вогнутый или выпуклый искривленный профиль.
-6
2
-6
2
В практическом варианте осуществления изобретения уменьшенное сечение каждого отверстия кольцевого соплового аппарата составляет, примерно, от 5.10 м до 10.10 м для массового расхода топлива многоточечной цепи, составляющей, примерно, от 1 до 2 г/сек.
Так, изменение профиля отверстий 78, 84, 94, 96, производимое для получения уменьшенного сечения, по меньшей мере, на части возрастающего сечения, позволяет уменьшить возможное образование нагара на уровне отверстий кольцевого соплового аппарата, так как объем каждого отверстия 78, 84, 94, 96 кольцевого соплового аппарата увеличен по сравнению с отверстиями предшествующего уровня техники. Таким образом, можно гарантировать оптимальное функционирование многоточечной цепи.
В описании, выполненном со ссылкой на чертежи, инжекционное устройство содержит средства тепловой изоляции фронтальной поверхности 106, 108 кольцевого соплового аппарата 74, 86. Однако изобретение применимо также к устройству, в котором отсутствуют средства термической изоляции, но имеются средства охлаждения фронтальной поверхности кольцевого соплового аппарата. Для этого цепь охлаждения образована внутренним 44 и внешним 46 каналами, расположенными на фронтальной поверхности камеры вблизи инжекционных отверстий соплового аппарата. В такой конфигурации часть охлаждающей цепи образована желобком выходной поверхности кольцевого соплового аппарата, причем эта выходная поверхность наложена на фронтальную поверхность кольцевой камеры. Выходная цепь может сообщаться посредством среды с внутренним каналом или внешним каналом, или быть выполненной волнистой для того, чтобы попеременно радиально подходить изнутри и снаружи инжекционных отверстий кольцевого соплового аппарата для того, чтобы выполнить отверстия как можно ближе к инжекционным отверстиям. Такая конфигурация цепи охлаждения детально описана в заявке FR09/04907 заявителя.
Если изобретение интересно, в частности, тогда, когда оно используется в комбинации со средствами охлаждения или средствами тепловой изоляции фронтальной поверхности, как описано выше, то оно может быть также использовано с устройством, лишенным таких средств.
Так, фронтальная поверхность кольцевого соплового аппарата может находиться в контакте по всей своей поверхности с фронтальной перегородкой кольцевой камеры. Устройство впрыска по изобретению может также, при необходимости, содержать цепь охлаждения кольцевого соплового аппарата с использованием циркуляции топлива управляющей цепи во внутреннем или внешнем кольцевых каналах, как описано выше.