ДОЗАТОР ТОПЛИВА С ДВУМЯ ОБЪЕДИНЕННЫМИ ВЫХОДАМИ Российский патент 2006 года по МПК F02C9/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области подачи топлива в турбомашинах и, в частности, к дозатору топлива с двумя выходами.

Уровень техники

В турбомашинах наилучшие рабочие характеристики достигаются при частотах вращения вращающихся органов, близких к максимально допустимым частотам вращения, за пределами которых может происходить потеря лопастей компрессора или турбины. Такая потеря лопасти грозит тем, что может быть пробит корпус двигателя с соответствующими последствиями, вплоть до полного разрушения турбомашины.

Поэтому, а также в соответствии с предписаниями международных норм в отношении гражданской авиации, использование ограничителя предельной скорости является обязательным для предотвращения превышения максимально допустимых частот вращения вращающихся органов.

Кроме того, в реальных турбомашинах для пилота летательного аппарата должна быть обеспечена возможность возвращения к нормальному режиму функционирования после срабатывания ограничителя частоты вращения. Для этого, как показано на фиг.6, клапан 10 этого ограничителя предельной частоты вращения, расположенный на выходе дозирующего устройства 12, должен перекрывать только выпускной канал 14, соответствующий высоким расходам топлива, не влияя на выпускной канал 16, соответствующий низким расходам, расход которого соответствует режиму предельной скорости и ограничен дозированной подачей топлива к форсункам после срабатывания клапана ограничителя.

Таким образом, элегантное решение данной проблемы заключается в создании дозатора топлива с двумя выходами (выходными каналами) дозированной подачи топлива. Такой дозатор описан, например, в патенте США №5772182 и может быть принят в качестве ближайшего аналога заявленного решения. Известный дозатор топлива содержит цилиндрический наружный корпус, внутри которого установлен распределительный цилиндр, в котором установлен дозирующий поршень с возможностью линейного смещения под действием элемента управления. Цилиндрический корпус имеет впускное отверстие для приема топлива под давлением и выпускные окна для впрыска этого топлива в камеру сгорания турбомашины. Дозирующий поршень содержит кольцевой вырез, образующий распределительную полость для топлива, поступающего через впускное отверстие и нагнетаемого через выпускные окна.

К сожалению, линейная конструкция этого дозатора, называемая также тандемной или последовательной, так как дозирующие выпускные окна расположены одно за другим, создает серьезное неудобство в отношении продольного размера дозатора. Практически он вдвое превышает по длине обычный дозатор, что существенно увеличивает массу устройства.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанных недостатков и создании особенно компактного дозатора топлива, обладающего минимальными размерами и массой. Задачей изобретения является также создание дозатора, который не оказывает воздействия на дозированный расход ниже ограниченной величины, соответствующей предельной частоте вращения.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания дозатора топлива для турбомашины, содержащего цилиндрический наружный корпус, внутри которого установлен распределительный цилиндр, в котором установлен дозирующий поршень с возможностью линейного смещения под действием элемента управления. Указанный цилиндрический корпус содержит впускное отверстие для приема топлива под давлением и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для впрыска этого топлива в камеру сгорания указанной турбомашины. При этом дозирующий поршень содержит кольцевой вырез, образующий распределительную полость для топлива, поступающего через впускное отверстие и нагнетаемого, по меньшей мере, через одно выпускное отверстие. Дозатор по изобретению характеризуется тем, что в указанном распределительном цилиндре выполнены радиальные питающие отверстия для подачи топлива от указанного впускного отверстия в указанную распределительную полость, а также, с одной стороны, по меньшей мере, одно первое дозирующее отверстие для нагнетания топлива к указанному первому выпускному отверстию, и с другой стороны, по меньшей мере, одно второе дозирующее отверстие для нагнетания топлива к указанному второму выпускному отверстию. При этом указанные, по меньшей мере, одно первое и, по меньшей мере, одно второе дозирующие отверстия разделены с помощью уплотнительных средств, расположенных на боковой поверхности указанного распределительного цилиндра.

За счет такой конструкции дозатора, который содержит герметичную разделительную перегородку, становится возможным интегрировать в одном устройстве средства подачи топлива как с высокими, так и с низкими расходами. Контур подачи топлива с низкими расходами не испытывает никакого воздействия со стороны клапана ограничителя предельной частоты вращения, а габариты устройства существенно уменьшены по сравнению с известными устройствами с двумя последовательными дозаторами.

Согласно оптимальному примеру выполнения указанные первые дозирующие отверстия выполнены в количестве двух и расположены диаметрально противоположно друг другу. Эти первые дозирующие отверстия предпочтительно имеют экспоненциальное проходное сечение. В оптимальном варианте указанные вторые дозирующие отверстия также выполнены в количестве двух и расположены диаметрально противоположно друг другу. Предпочтительно эти вторые дозирующие отверстия также имеют экспоненциальное проходное сечение.

Указанные пары первых и вторых дозирующих отверстий расположены в одной поперечной плоскости и смещены попарно на 90° таким образом, чтобы обеспечивать непрерывность истечения топлива к указанной камере сгорания во время перемещения указанного дозирующего поршня. Указанные первые дозирующие отверстия имеют на уровне своего заднего края ширину "а", равную ширине "b" указанных вторых дозирующих отверстий на уровне их переднего края.

Согласно первому примеру выполнения указанные уплотнительные средства содержат эластомерное уплотнение, установленное в канавке разделительной перегородки, которая проходит на наружной боковой поверхности указанного распределительного цилиндра по извилистой линии между указанными первыми и вторыми дозирующими отверстиями. В альтернативном варианте указанные уплотнительные средства могут также содержать эластомерное уплотнение, установленное в канавке разделительного колодца, расположенного вокруг каждого из указанных первых дозирующих отверстий для их изоляции от указанных вторых дозирующих отверстий.

Перечень фигур чертежей

Не являющиеся ограничивающими примеры осуществления настоящего изобретения, его дополнительные особенности и преимущества будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает на виде в перспективе дозатор топлива с двумя выходами в соответствии с первым примером выполнения изобретения;

фиг.2 изображает дозатор топлива по фиг.1 в развертке на уровне дозирующих отверстий;

фиг.3 изображает на виде в перспективе дозатор топлива с двумя выходами в соответствии со вторым примером выполнения изобретения;

фиг.4 изображает в разрезе (плоскостью IV-IV) дозирующее отверстие дозатора топлива по фиг.3;

фиг.5А и 5В изображают дозатор топлива по фиг.1 на виде в продольных разрезах, соответственно, в плоскостях VA и VB, представляя дозатор в двух различных положениях;

фиг.6 схематично изображает систему подачи топлива в турбомашине, оснащенной ограничителем предельной частоты вращения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 показан в перспективе в разобранном виде дозатор топлива с двумя выходами, предназначенный для использования в обычной топливоподающей системе турбомашины летательного аппарата. Этот дозатор топлива является центральным элементом топливоподающей системы. Он регулирует расход топлива между насосом высокого давления, который обеспечивает повышение давления топлива, забираемого из топливного бака, и системой подачи топлива в камеру сгорания турбомашины.

В соответствии с изобретением дозатор состоит из трех концентричных частей, а именно наружного цилиндрического корпуса 22, установленной в нем втулки 24, которая также имеет цилиндрическую форму и образует распределительный цилиндр, и внутреннего поршня 26, который установлен с возможностью плавного линейного перемещения между двумя крайними положениями.

Цилиндрический корпус 22 имеет впускное отверстие 220, которое предназначено для подсоединения к выходу насоса высокого давления и приема топлива, подлежащего дозированию. В корпусе 22 имеются также два выпускных отверстия 222, 224, которые предназначены для подсоединения к системе подачи топлива и через которые осуществляется подача топлива в камеру сгорания турбомашины. Выпускное отверстие 222 обеспечивает подачу топлива с низкими расходами (а именно, ограниченного расхода в ситуации превышения предельной частоты вращения). Выпускное отверстие 224 обеспечивает подачу топлива с высокими расходами (нормальное функционирование).

В поршне 26 выполнен кольцевой вырез 260, образующий распределительную полость для дозирования топлива, поступающего через впускное отверстие 220 и нагнетаемого через выпускные отверстия 222, 224. Перемещение поршня во втулке предпочтительно обеспечивается известным образом с помощью электромагнитного элемента 48, который взаимодействует с концом поршня и управляется электронной цепью управления турбомашины (не представлена).

Втулка 24, представляющая собой распределительный цилиндр, расположенный между цилиндрическим корпусом и поршнем, содержит на своей наружной боковой поверхности уплотнительные средства, образованные четырьмя кольцевыми уплотнениями 240, 242, 244 и 246, в том числе по одному уплотнению на каждом конце. В совокупности уплотнения образуют между собой три отдельные зоны 24А, 24В, 24С для распределения топлива. Первая зона 24А предназначена для взаимодействия с впускным отверстием 220 и приема подлежащего распределению топлива. Вторая зона 24В предназначена для взаимодействия с первым выпускным отверстием 222 для нагнетания топлива с низким расходом. Третья зона 24С предназначена для взаимодействия со вторым выпускным отверстием 224 для нагнетания топлива с высоким расходом. Впуск топлива и его подача с двумя расходами в турбомашину осуществляются через различные сквозные радиальные отверстия, выполненные в стенке распределительного цилиндра.

В первой зоне 24А, которая ограничена первым и вторым кольцевыми уплотнениями 240, 242, распределительный цилиндр содержит множество питающих отверстий 248, которые расположены радиально на его боковой поверхности и позволяют равномерно разделять в дозирующем устройстве поток топлива, поступающий через одно впускное отверстие 220. Во второй зоне 24В, которая ограничена вторым и третьим кольцевыми уплотнениями 242, 244, распределительный цилиндр содержит, по меньшей мере, одно, а предпочтительно два первых дозирующих отверстия 250а, 250b, отстоящие друг от друга на 180° (то есть расположенные диаметрально противоположно) и позволяющие установить закон истечения топлива для низких расходов. Проходное сечение первых дозирующих отверстий предпочтительно выполнено экспоненциальным. И, наконец, в третьей зоне 24С, которая ограничена третьим и четвертым кольцевыми уплотнениями 244, 246, распределительный цилиндр содержит, по меньшей мере, одно, а предпочтительно два вторых дозирующих отверстия 252а, 252b, которые также отстоят друг от друга на 180° (то есть расположены диаметрально противоположно), но смещены на 90° относительно первых дозирующих отверстий и позволяют установить закон истечения топлива для высоких расходов. Проходное сечение вторых дозирующих отверстий предпочтительно также выполнено экспоненциальным.

Для обеспечения высокой степени непрерывности между истечением топлива с низкими и высокими расходами первые и вторые дозирующие отверстия расположены в одной поперечной плоскости Р, как это показано на фиг.2, соответствующей развертке распределительного цилиндра на уровне этих отверстий. При этом ширина "а" отверстий низких расходов на уровне их задних (по направлению движения поршня) краев равна ширине "b" отверстий высоких расходов на уровне их передних (по направлению движения поршня) краев. Следует особо отметить извилистую линию, вдоль которой расположено третье кольцевое уплотнение 244. Это третье кольцевое уплотнение создает абсолютно герметичную перегородку между дозирующими отверстиями, определяющими низкие и высокие расходы. Оно предпочтительно выполнено из эластомера и укреплено посредством термического соединения в канавке 254 разделительной перегородки 256 (фиг.2), которая проходит на наружной поверхности распределительного цилиндра по извилистой кривой между дозирующими отверстиями. Возможна также установка предварительно охлажденного эластомерного уплотнения в канавке для придания ему жесткости в процессе монтажа при повышенной температуре.

Описанное уплотнение посредством извилистой уплотнительной перегородки не является единственным решением для обеспечения герметичного разделения между дозирующими отверстиями низких и высоких расходов. Возможен альтернативный вариант создания вокруг каждого дозирующего отверстия низких расходов (а при необходимости и вокруг дозирующих отверстий высоких расходов) колодцев с помощью круговых уплотнений. На фиг.3 и 4 показана втулка 24 в таком втором примере выполнения на виде в перспективе, в частичном разрезе. Элементы, идентичные элементам предыдущего варианта выполнения, имеют те же обозначения.

В этом втором примере выполнения разделение перегородками между отверстиями низких и высоких расходов обеспечивается посредством создания вокруг каждого дозирующего отверстия 250а, 250b изолирующего колодца 258, который проходит от наружной поверхности втулки 24 до внутренней поверхности наружного корпуса 22 и снабжен уплотнением 260. Как и в предыдущем примере, это уплотнение предпочтительно является эластомерным и для упрощения монтажа может быть приклеено термическим способом в канавке 262 на торцевой поверхности колодца или же установлено в этой канавке охлажденным с приданием ему жесткости в процессе монтажа при повышенной температуре.

Далее будет описано действие дозатора по изобретению со ссылками на фиг.5А и 5В, на которых дозатор представлен в исполнении по фиг.1 (разумеется, дозатор в исполнении по фиг.3 работает таким же образом).

На фиг.5А поршень показан в положении, соответствующем нормальному функционированию. При этом двигатель работает в так называемом крейсерском режиме с расходом, превышающим расход в режиме замедления или малого газа. Топливо поступает через питающие отверстия 248 и впрыскивается в камеру сгорания с помощью системы дозирующих отверстий 250, 252. Когда частота вращения турбомашины превышает предварительно заданную максимальную допустимую величину, производится ограничение расхода топлива, подаваемого в камеру сгорания, до предварительно заданной определенной постоянной величины, называемой расходом Q_SV предельной частоты вращения. Это ограничение осуществляется путем закрытия клапана предельной частоты вращения, расположенного ниже по потоку за вторым выпускным отверстием 224 высоких расходов. Положение поршня 26 остается неизменным. Оно остается таким и тогда, когда частота вращения снова становится ниже максимальной допустимой величины. Однако, если пилот посредством рычага управления газом подает команду замедления двигателя (которая может быть принята цепью управления турбомашиной только в том случае, если турбомашина вернулась к своему обычному функциональному режиму), эта подача топлива приводится к величине расхода, соответствующей режиму замедления или малого газа. Этот расход является более низким относительно предыдущего режима предельной частоты вращения, что позволяет затем перейти к режиму нормального функционирования. В этом случае, как это показано на фиг.5В, поршень 26 смещается таким образом, что полностью перекрывает дозирующие отверстия 252 высоких расходов и только частично перекрывает отверстия 250 низких расходов, тем самым обеспечивая ограниченное питание системы подачи топлива.

Изобретение предназначено для подачи топлива в турбомашинах. В турбомашине предусмотрен дозатор топлива, содержащий цилиндрический наружный корпус, внутри которого установлен распределительный цилиндр, в котором установлен дозирующий поршень с возможностью линейного смещения под действием элемента управления. Этот цилиндрический корпус содержит впускное отверстие для ввода топлива под давлением и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для впрыска топлива в камеру сгорания турбомашины. Дозирующий поршень содержит кольцевой вырез, образующий распределительную полость для топлива, поступающего через впускное отверстие и нагнетаемого, по меньшей мере, через одно выпускное отверстие. Согласно изобретению распределительный цилиндр содержит несколько радиальных питающих отверстий для подачи топлива в указанную распределительную полость от указанного впускного отверстия, а также по меньшей мере, одно первое дозирующее отверстие для подачи топлива к указанному первому выпускному отверстию и, по меньшей мере, одно второе дозирующее отверстие. Указанные отверстия разделены с помощью уплотнительных средств, расположенных на боковой поверхности указанного распределительного цилиндра. Такое выполнение дозатора позволит создать его с минимальными размерами и массой. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Дозатор топлива в турбомашине, содержащий цилиндрический наружный корпус (22), внутри которого установлен распределительный цилиндр (24), в котором установлен дозирующий поршень (26) с возможностью линейного смещения под действием элемента (48) управления, причем указанный цилиндрический корпус содержит впускное отверстие (220) для приема топлива под давлением и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (222, 224) для впрыска этого топлива в камеру сгорания указанной турбомашины, а дозирующий поршень содержит кольцевой вырез (260), образующий распределительную полость для топлива, поступающего через впускное отверстие и нагнетаемого, по меньшей мере, через одно выпускное отверстие, отличающийся тем, что в указанном распределительном цилиндре выполнены радиальные питающие отверстия (248) для подачи топлива от указанного впускного отверстия в указанную распределительную полость, а также, с одной стороны, по меньшей мере, одно первое дозирующее отверстие (250а, 250b) для нагнетания топлива к указанному первому выпускному отверстию, и с другой стороны, по меньшей мере, одно второе дозирующее отверстие (252а, 252b) для нагнетания топлива к указанному второму выпускному отверстию, при этом указанные, по меньшей мере, одно первое и, по меньшей мере, одно второе дозирующие отверстия разделены с помощью уплотнительных средств, расположенных на боковой поверхности указанного распределительного цилиндра.2. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что указанные первые дозирующие отверстия выполнены в количестве двух и расположены диаметрально противоположно друг другу.3. Дозатор по п.2, отличающийся тем, что указанные первые дозирующие отверстия имеют экспоненциальное проходное сечение.4. Дозатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанные вторые дозирующие отверстия выполнены в количестве двух и расположены диаметрально противоположно друг другу.5. Дозатор по п.4, отличающийся тем, что указанные вторые дозирующие отверстия имеют экспоненциальное проходное сечение.6. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что указанные, по меньшей мере, одно первое и, по меньшей мере, одно второе дозирующие отверстия расположены в одной поперечной плоскости таким образом, чтобы обеспечивать непрерывность истечения топлива к указанной камере сгорания во время перемещения указанного дозирующего поршня.7. Дозатор по п.6, отличающийся тем, что ширина "а" указанных первых дозирующих отверстий на уровне их задних краев равна ширине "b" вторых дозирующих отверстий на уровне их передних краев.8. Дозатор по п.6, отличающийся тем, что пары указанных первых и вторых дозирующих отверстий взаимно смещены на 90°.9. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что указанные уплотнительные средства содержат эластомерное уплотнение, установленное в канавке (254) разделительной перегородки (256), которая проходит на наружной боковой поверхности указанного распределительного цилиндра по извилистой линии между указанными первыми и вторыми дозирующими отверстиями.10. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что указанные уплотнительные средства содержат эластомерное уплотнение, установленное в канавке (262) разделительного колодца (258), расположенного вокруг каждого из указанных первых дозирующих отверстий для их изоляции от указанных вторых дозирующих отверстий.