УСТРОЙСТВО МНОГОТОЧЕЧНОГО ВПРЫСКА ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ТУРБОМАШИНЫ
MULTIPOINT INJECTION DEVICE FOR COMBUSTION CHAMBER OF TURBO-MACHINE

Настоящее изобретение касается устройства «многоточечного» впрыска для кольцевой камеры сгорания турбомашины, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель.
Известная турбомашина содержит кольцевую камеру сгорания, расположенную на выходе компрессора высокого давления и снабженную несколькими устройствами впрыска топлива, равномерно распределенными по окружности на входе камеры сгорания. Устройство многоточечного впрыска содержит первую трубку Вентури, внутри которой размещен направляющий инжектор с центром на оси первой трубки Вентури и постоянно питаемый основной системой питания, и вторую трубку Вентури, коаксиальную первой трубке Вентури и окружающую последнюю. Вторая трубка Вентури, расположенная на входном конце, содержит кольцевую камеру, в которой установлен кольцевой обод, питаемый топливом многоточечной системы. Обод содержит отверстия для впрыска топлива, выполненные во фронтальной плоскости и выровненные с отверстиями фронтальной плоскости кольцевой камеры для впрыска топлива назад и наружу второй трубки Вентури.
Основная система питания постоянно обеспечивает расход топлива, оптимизированный для низких режимов, а многоточечная система обеспечивает периодическую подачу топлива, оптимизированную для высоких режимов.
Основной недостаток прерывистого использования многоточечной системы состоит в том, что под действием повышенных температур, вызванных пламенем в камере сгорания, оно вызывает смолообразование или коксование топлива, застаивающегося внутри многоточечной системы при прерывании ее работы. Эти явления могут вызвать образование кокса в ободе и на уровне отверстий для впрыска топлива из многоточечной системы и сильно влиять на распыление топлива многоточечной системой и, таким образом, на камеру сгорания.
Для уменьшения риска коксования из патента ЕР 2026002, принадлежащего Заявителю, известно использование основной системы питания топливом для охлаждения многоточечной системы и уменьшения образования в ней кокса благодаря двум кольцевым каналам для прохода топлива, образованным в кольцевой камере сгорания радиально внутри и снаружи кольцевого обода, при этом оба канала соединены на выходе с инжектором.
Такая конструкция, однако, не уменьшает в достаточной степени риски коксования топлива на уровне фронтальной поверхности кольцевой камеры, которая остается подверженной сильному тепловому излучению, вызванному сгоранием топлива на выходе.
Задачей изобретения является простое, эффективное и экономичное решение этой проблемы.
Для решения задачи предлагается устройство впрыска топлива в кольцевую камеру сгорания турбомашины, содержащее основную систему питания, постоянно питающую инжектор, открытый в первую трубку Вентури, и многоточечную систему, прерывисто питающую инжекторные отверстия, выполненные во фронтальной плоскости кольцевого обода, установленного в кольцевой камере сгорания, образованной на входе второй трубки Вентури, коаксиальной первой трубке Вентури и окружающей ее, отличающееся тем, что оно содержит средства тепловой изоляции фронтальной поверхности кольцевого обода, содержащие кольцевую полость, образованную вокруг инжекторных отверстий между фронтальной поверхностью кольцевого обода и фронтальной стенкой кольцевой камеры и предназначенную для заполнения при работе воздухом или закоксованным топливом.
Введение средств тепловой изоляции, образованных кольцевой изолирующей полостью между фронтальной поверхностью обода и выходной стенкой обода камеры сгорания, позволяет защитить инжекторные отверстия для исключения их коксования и обеспечивает, таким образом, оптимальную работу многоточечной системы.
Кольцевая полость может быть заполнена воздухом или закоксованным топливом, который образует хорошую тепловую изоляцию кольцевого многоточечного обода и его отверстий для впрыска топлива от теплового излучения горения топлива.
Предпочтительно, чтобы устройство содержало также систему охлаждения кольцевого обода путем циркуляции топлива основной системы питания во внутреннем кольцевом канале, образованном между внутренними цилиндрическими стенками обода и кольцевой камерой и во внешнем кольцевом канале, образованном между внешними цилиндрическими стенками обода и кольцевой камерой.
Предпочтительно также, чтобы один внутренний или внешний из каналов сообщался с упомянутой кольцевой полостью, а другой внутренний или внешний из каналов был изолирован от этой полости, что позволяет заполнить фронтальную кольцевую полость топливом, которое будет коксоваться под действием теплового излучения горения топлива.
Предпочтительно также, чтобы радиально внутренняя или внешняя периферия фронтальной поверхности кольцевого обода содержала кольцевую реборду, задний край которой образует с фронтальной стенкой камеры кольцевой проход для сообщения между упомянутой кольцевой полостью и одним внутренним или внешним из каналов системы охлаждения.
Этот кольцевой проход обеспечивает поступление топлива внутрь фронтальной поверхности и его коксование под влиянием теплового излучения для изоляции инжекторных отверстий обода.
Предпочтительно также, чтобы радиально внешняя периферия фронтальной поверхности обода радиально опиралась на внешнюю цилиндрическую стенку камеры для центрирования обода в камере.
Предпочтительно, чтобы каждое инжекторное отверстие обода было выполнено в выступе на фронтальной поверхности обода, а выступы входили с упором в полость соответствующего утолщения, образованного на фронтальной стенке кольцевой камеры. Размещение с упором позволяет гарантировать точную осевую установку обода в кольцевой камере.
Каждая полость утолщения открывается снаружи кольцевой камеры просверленным отверстием, выровненным с инжекторным отверстием соответствующего выступа, что позволяет разместить зону коксования капель топлива вне инжекторных отверстий выступов и в сторону сверлений кольцевой камеры.
Предпочтительно также, чтобы инжекторные отверстия были выполнены в цилиндрических стержнях, закрепленных в отверстиях фронтальной поверхности кольцевого обода, а стержни выступали из этой фронтальной поверхности и формировали средства размещения и центрирования в кольцевой камере.
Такая конфигурация представляет особый интерес, когда габаритные размеры внутри камеры уменьшены и не позволяют выполнить выступы и утолщения, как в предыдущем случае.
Инжекторные отверстия каждого стержня содержат выходной край большего диаметра для исключения коксования инжекторных отверстий при остановке работы многоточечной системы.
Осевое размещение обода в кольцевой камере обеспечивается кольцевой ребордой, выполненной на радиально внешнем крае выходной стенки обода; эта реборда упирается во фронтальную стенку кольцевой камеры.
Изобретение касается также кольцевой камеры сгорания турбомашины, содержащей, по меньшей мере, устройство впрыска топлива описанного выше типа.
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 из известного уровня техники;
фиг.2 схематично изображает частичный вид в осевом разрезе устройства для многоточечного впрыска топлива по изобретению;
фиг.3 схематично изображает вид в осевом разрезе в более крупном масштабе обода и кольцевой камеры устройства впрыска по фиг.2 в плоскости, проходящей через многоточечное инжекторное отверстие;
фиг.4 схематично изображает вид в осевом разрезе в более крупном масштабе обода и кольцевой камеры устройства впрыска по фиг.2 в плоскости, проходящей между двумя многоточечными инжекторными отверстиями;
фиг.5 схематично изображает вид в изометрии фронтальной стороны кольцевого обода устройства впрыска по фиг.2;
фиг.6 схематично изображает вид в изометрии кольцевой камеры устройства впрыска по фиг.2;
фиг.7 схематично изображает вид в осевом разрезе обода и кольцевой камеры устройства по варианту осуществления изобретения и в плоскости, проходящей через многоточечное инжекторное отверстие;
фиг.8 схематично изображает вид в осевом разрезе, подобный виду по фиг.7, в плоскости, проходящей между двумя многоточечными инжекторными отверстиями;
фиг.9 изображает вид в изометрии в разобранном состоянии устройства впрыска по фиг.7 и 8.
Обратимся вначале к фиг.1, изображающей устройство 10 впрыска из известного уровня техники, содержащее две системы впрыска топлива, одна из которых является основной питающей системой, работающей постоянно, а другая многоточечная система работает с перерывами. Это устройство предназначено для установки в отверстии стенки днища кольцевой камеры сгорания турбомашины, которая питается воздухом от входного компрессора высокого давления, а газообразные продукты горения питают турбину, установленную на выходе.
Это устройство содержит расположенные коаксиально первую трубку Вентури 12 и вторую трубку Вентури 14, при этом первая трубка Вентури 12 размещена внутри второй трубки Вентури 14. Питающий инжектор 16 установлен внутри первой ступени спиралей 18, аксиально встроенной внутрь первой трубки Вентури 12. Вторая ступень спиралей 20 установлена на входном крае и радиально снаружи первой трубки Вентури 12 и разделяет первую и вторую трубки Вентури 12, 14.
Вторая трубка Вентури 14 содержит кольцевую камеру 22, образованную двумя радиально внутренней 24 и внешней 26 цилиндрическими стенками, связанными между собой выходной стенкой 28 в форме усеченного конуса, сужающейся к выходу. Кольцевой обод 30, содержащий также две цилиндрических стенки, радиально внутреннюю 32 и внешнюю 34, связанные между собой выходной стенкой 36 в форме усеченного конуса, сужающейся к выходу, установлен внутри кольцевой камеры 22 таким образом, что выходные стенки 28, 36 кольцевой камеры 22 и кольцевой обод 30 находятся в контакте.
В кольцевом ободе 30 и кольцевой камере 22 на их входном конце выполнено кольцевое отверстие. Цилиндрические стенки 24, 26 кольцевой камеры 22 выступают к входу относительно входных краев 32, 34 кольцевого обода 30.
Выходная стенка 36 кольцевого обода содержит инжекторные отверстия 40, равномерно распределенные по окружности выходной стенки 28 кольцевой камеры 22. Отверстия 40, 42 кольцевой камеры и кольцевого обода 30 имеют одинаковый диаметр.
Внутренний кольцевой канал 44 для прохода топлива образован между внутренними цилиндрическими стенками 24, 34 кольцевого обода 30 и кольцевой камеры 22. Подобным образом внешний кольцевой канал 46 для прохода топлива образован между внешними цилиндрическими стенками 26, 34 кольцевого обода 30 и кольцевой камерой 22.
Устройство впрыска содержит корпус 48 подвода топлива, выходная часть которого является кольцевой и содержит цилиндрический трубопровод 50, расположенный аксиально и герметично между внутренней 24 и внешней 26 цилиндрическими стенками кольцевой камеры 22 и герметично открывающийся между внутренней 32 и внешней 34 цилиндрическими стенками кольцевого обода 30. Трубопровод 50 содержит радиальное плечико 54, упирающееся во входные края внутренней 32 и внешней 34 цилиндрических стенок кольцевого обода 30.
Такая герметичная установка корпуса 48 позволяет гарантировать, что внутренний 44 и внешний кольцевые каналы являются герметичными относительно кольцевого пространства, образованного внутри кольцевого обода 30.
Стойка 56 питания топливом связана с корпусом 48 и содержит два коаксиальных трубопровода, один из которых - центральный 58 - питает канал 60 корпуса 48, открывающийся на выходе внутри кольцевого обода 30, а другой - внешний 62, образованный вокруг центрального трубопровода 58, питает на выходе отдельные каналы (не изображенные на чертеже), открывающиеся соответственно во внутренний 44 и внешний 46 кольцевые каналы.
Корпус 48 содержит полость 64 для сбора топлива, расположенную диаметрально противоположно относительно стойки 56 питания топливом и на уровне входных краев цилиндрических стенок 32, 34 кольцевого обода 30 так, что внутренний 44 и внешний 46 кольцевые каналы сообщаются с полостью 64 для сбора.
При работе центральный трубопровод 58 стойки 56 питает топливом канал 60 корпуса 48, при этом топливо затем циркулирует в кольцевом ободе 30 и впрыскивается в камеру сгорания на выходе через отверстия 40, 42 обода 30 и камеры 22.
Внешний трубопровод 62 стойки 56 питает каналы корпуса 48, открывающиеся во внутренний 44 и внешний 46 кольцевые каналы, при этом топливо проходит далее в полость 64 для сбора для питания инжектора 16 по трубопроводу 66.
Питающий трубопровод работает постоянно, тогда как многоточечная система работает прерывисто в специфических фазах полета, таких как взлет, требующий увеличения мощности.
В процессе работы турбомашины горячий воздух (примерно при 600°С), выходящий из компрессора высокого давления, поступает внутрь первой трубки Вентури 12, в первую радиальную спираль 20 между первой 12 и второй 14 трубками Вентури.
Внутренний 44 и внешний 46 кольцевые каналы, в которых постоянно циркулирует топливо для питания инжектора, образуют систему охлаждения радиально снаружи и внутри кольцевого обода 30, что исключает коксование топлива в ободе 30, вызванное тепловым излучением при горении, и это происходит в течение фаз полета, когда многоточечная сеть не работает.
Как указано выше, выходная сторона 28 кольцевого обода 22 непосредственно подвергается тепловому излучению при горении, что может привести к коксованию топлива в инжекторных отверстиях 40, 42 обода 30 и кольцевой камеры 22 во время фаз полета, когда многоточечная система не используется.
В изобретении эта проблема решается путем введения в устройство впрыска 68 средств тепловой изоляции фронтальной стенки многоточечного кольцевого обода.
Эти средства тепловой изоляции содержат кольцевую изолирующую полость 70, образованную между фронтальной поверхностью 72 кольцевого обода 74 и выходной стенкой 76 кольцевой камеры 78. Эта полость 70 простирается между инжекторными отверстиями 80 таким образом, чтобы образовать тепловую изоляцию наиболее близко к последним. Это позволяет уменьшить риски коксования топлива на уровне инжекторных отверстий 80 топлива для обеспечения гарантии оптимальной работы многоточечной системы.
В первом варианте осуществления изобретения, изображенном на фиг.2-6, фронтальная поверхность 72 кольцевого обода 74 содержит множество выступов 82, равномерно распределенных вокруг обода 74 и содержащих каждый инжекторное отверстие 80. Эти выступы 82 вставлены в полости утолщений 84 входной поверхности выходной стенки 76 кольцевой камеры 78. Выступы 82 размещены внутри полостей утолщений таким образом, чтобы упираться в выходную стенку 76 кольцевой камеры 78 для обеспечения точного осевого размещения обода 74 в кольцевой камере 78.
Выходная стенка 76 кольцевой камеры 78 содержит (фиг.3) просверленные отверстия 86, каждое из которых открывается на вход в полость утолщения 84, а на выход - к краю второй трубки Вентури, при этом каждое отверстие выровнено с инжекторным отверстием 80 обода 74 и имеет диаметр, превышающий диаметр инжекторного отверстия 80 для смещения зоны коксования капель топлива к сверлениям 86 кольцевой камеры 78.
Выступы 82 имеют, по существу, цилиндрическую форму и впаяны внутрь полостей утолщений 84 для обеспечения герметичности между основной питающей системой и многоточечной системой. Контроль правильности пайки осуществляется визуально через сверления 86 выходной стенки 76 кольцевой камеры 78, так как сверления 86 имеют диаметр, превышающий диаметр инжекторных отверстий 80.
Радиально внешняя периферия фронтальной поверхности 72 обода 74 простирается радиально наружу от своей внешней цилиндрической стенки 90 и радиально опирается на внешнюю цилиндрическую стенку 92 кольцевой камеры 78 для центрирования обода 74 в кольцевой камере 78. Радиально внутренняя периферия фронтальной поверхности 72 содержит кольцевую реборду 94, простирающуюся к выходу фронтальной поверхности 72 и в продолжение внутренней цилиндрической стенки 96. Выходной край этой кольцевой реборды 94 образует кольцевой проход топлива между внутренним кольцевым каналом 44 и фронтальной кольцевой полостью 70.
Устройство по изобретению содержит также систему охлаждения, образованную внутренним кольцевым каналом 44, ограниченным внутренними цилиндрическими стенками 96, 97 обода 74 и кольцевой камерой 78, и внешним кольцевым каналом 46, ограниченным внешними цилиндрическими стенками 90, 92 обода 74 и кольцевой камерой 78.
В таком варианте осуществления внешний кольцевой канал 46 изолирован от фронтальной поверхности 72 обода 74, который может быть припаян или нет к внешней цилиндрической стенке 92 кольцевой камеры 78 для обеспечения или нет герметичного соединения.
В варианте осуществления изобретения, изображенного на фиг.7-9, устройство содержит множество стержней 98 для центрирования обода 100 в кольцевой камере 102, при этом стержни 98 равномерно распределены вокруг обода 100 и установлены по оси в отверстиях 101 фронтальной стенки 104 обода 100 и в соответствующих отверстиях 103 кольцевой камеры 102. Входная и выходная поверхности стержней, по существу, параллельны усеченным конусным стенкам 104, 106 обода 100 и кольцевой камере 102. Осевой размер каждого стержня таков, что их входная и выходная поверхности выровнены с входной поверхностью фронтальной стенки 104 обода 100 и с выходной поверхностью выходной стенки 106 кольцевой камеры 102 соответственно.
Каждый стержень 98 имеет инжекторное отверстие 108, образованное первым сверлением 110, открывающимся на входе внутри кольцевого обода 100, и на выходе во второе сверление 112 большего диаметра, которое открывается наружу второй трубки Вентури 14. Сверления 110, 112 выровнены в направлении, перпендикулярном выходным стенкам 104, 106 в форме усеченного конуса обода 100 и кольцевой камеры 102.
Как и в ранее описанном варианте больший диаметр сверлений 112 кольцевой камеры по сравнению с диаметрами инжекторных отверстий 110 позволяет ограничить коксование инжекторных отверстий 110.
Радиально внутренняя и внешняя периферии фронтальной стенки 104 обода 100 содержат каждая внутреннюю 114 и внешнюю 116 кольцевые реборды, вытянутые к выходу от фронтальной стенки 104 и в продолжение внутренней 118 и внешней 120 цилиндрических стенок соответственно. Внутренняя кольцевая реборда 114 находится в контакте с выходной стенкой 106 камеры 102 для обеспечения упора при аксиальном позиционировании обода 100 в кольцевой камере 102, тогда как внешняя кольцевая реборда 116 образует с фронтальной стенкой 106 камеры 102 кольцевой проход для сообщения между внешней кольцевой полостью 46 питающей системы и фронтальной полостью 70 теплоизоляции.
Соединение обода 100, камеры 102 и стержней 98 осуществляется следующим образом: кольцевой обод 100 устанавливается с осевым упором внутрь кольцевой камеры 102 благодаря внутренней кольцевой реборде 114 обода 100 и ориентируется по углу таким образом, чтобы отверстия 101 обода 100 находились на одной линии с отверстиями 103 кольцевой камеры 102. Центрирующие стержни 98 устанавливают далее в отверстия 101, 103 обода 100 и камеры 102 и осуществляют операцию пайки стержней 98 в этих отверстиях для обеспечения герметичности между основной системой питания и многоточечной системой. Входные и выходные поверхности стержней 98 подвергаются механической обработке. Наконец, в каждом из стержней 98 просверливают отверстия 110, 112, эта операция осуществляется после операций пайки и механической обработки для исключения частичного закупоривания сверлений 110, 112 стержней 98.
Такая конструкция с центрирующими стержнями представляет особый интерес для конструкций многоточечных инжекторов, где размеры внутри камеры уменьшены и не позволяют выполнить выступы и утолщения.
В представленных выше вариантах осуществления изобретения фронтальная кольцевая полость сообщается с одним из внутренних (фиг.4) или внешних (фиг.8) каналов системы охлаждения для питания топливом фронтальной кольцевой камеры 70 в процессе работы турбомашины. В этих конструкциях топливо, находящееся внутри фронтальной полости, будет коксоваться под действием теплового излучения, образуя, таким образом, теплоизолятор, защищающий многоточечный кольцевой обод.
В других вариантах, не изображенных на чертеже, возможно изолировать фронтальную полость 70 внутреннего 44 и внешнего 46 кольцевых каналов, которые заполняются воздухом, образуя теплоизолятор фронтальной поверхности 72 кольцевого обода 74, 100.