МНОГОСТУПЕНЧАТАЯ СИСТЕМА ВПРЫСКА ТОПЛИВОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2007 года по МПК F02C7/22 F23D11/10 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится в широком аспекте к области систем впрыска топлива в камеру сгорания турбомашины. Более конкретно, оно относится к системе впрыска топлива, содержащей аэродинамическую топливную форсунку с подачей топлива через множество сопел.

Уровень техники

Как известно (например, из опубликованных патентных документов ЕР 0251895, US 5490376 и др.), камера сгорания двигателя турбомашины оснащается несколькими системами впрыска для подачи в нее топлива и воздуха при всех режимах работы двигателя. Системы впрыска подобного типа содержат топливные форсунки и средства впуска воздуха, расположенные за форсунками по направлению потока. Существуют два основных типа топливных форсунок: так называемые "аэромеханические" форсунки, рассчитанные на два расхода топлива в соответствии с режимами двигателя, и так называемые "аэродинамические" форсунки, которые содержат только один топливоподающий контур для всех режимов работы. Данное изобретение относится более конкретно к системе впрыска, содержащей "аэродинамические" топливные форсунки последней упомянутой категории.

Известные средства впуска воздуха обычно содержат первичный и вторичный завихрители, подающие закрученный воздушный поток на выход топливной форсунки. Трубка Вентури, разделяющая эти два завихрителя, позволяет ускорять истечение воздуха от первичного завихрителя, а конусная оболочка, установленная за вторичным завихрителем, позволяет устанавливать топливную форсунку на днище камеры сгорания и при этом защитить форсунку от проникновения к ней пламени сгорания топливовоздушной смеси.

Примерами известных решений указанного типа, соответствующих уровню техники, могут служить система впрыска по патентной заявке Франции №2728330 и система впрыска по патенту США №5490378 (которую можно рассматривать в качестве ближайшего аналога настоящего изобретения).

Система впрыска описанного типа имеет ряд недостатков. В частности, топливовоздушная смесь на выходе форсунки обычно не бывает однородной, что увеличивает вредные выбросы двигателя. Кроме того, скорость истечения топлива на выходе форсунки бывает недостаточной, в особенности для низких расходов, что вызывает риск закоксовывания наконечника форсунки и способствует неоднородности подачи топливовоздушной смеси. В дополнение к этому низкая скорость истечения топливовоздушной смеси повышает риск проникновения пламени сгорания топливовоздушной смеси к наконечнику форсунки, неблагоприятно влияя на функционирование газовой турбины. Далее, установлено, что при использовании системы впрыска этого типа после многократных циклов зажигания появляются следы закоксовывания между корпусом форсунки и конусной оболочкой.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанных недостатков и в создании новой системы впрыска топлива, позволяющей получить улучшенную однородность топливовоздушной смеси и более высокую скорость истечения топлива на выходе форсунки.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет системы впрыска топлива турбомашины, имеющей в своем составе форсунку, которая содержит внутреннюю осевую полость, на одном конце завершенную осевым выпускным отверстием для топливовоздушной смеси, и первую ступень подачи топлива, снабженную несколькими первыми топливоподающими отверстиями, которые открыты во внутреннюю полость, расположены вокруг оси форсунки и связаны посредством топливоподающих каналов с впускной зоной для топлива. Форсунка содержит также, по меньшей мере, один канал подачи воздуха, который открыт во внутреннюю осевую полость и связан с впускной зоной для воздуха. Система по изобретению характеризуется тем, что форсунка дополнительно содержит, по меньшей мере, вторую ступень подачи топлива, снабженную несколькими вторыми топливоподающими отверстиями, которые открыты во внутреннюю полость, расположены вокруг оси форсунки и связаны с впускной зоной для топлива посредством топливоподающих каналов, которые, по меньшей мере, частично совмещены с топливоподающими каналами первой ступени.

За счет этого вторая ступень подачи топлива позволяет увеличить число точек подачи топлива во внутреннюю полость форсунки вокруг ее оси, что улучшает однородность топливовоздушной смеси.

Первые и вторые топливоподающие отверстия, с одной стороны, и один или несколько каналов подачи воздуха, с другой стороны, открыты в два коаксиальных канала, образованных во внутренней полости. При этом предпочтительно один или несколько каналов подачи воздуха открыты в центральный канал, а топливоподающие отверстия открыты в кольцевой канал, окружающий центральный канал.

Согласно выгодной особенности изобретения кольцевой канал, в который открыты топливоподающие отверстия, выполнен с уменьшением проходного сечения в направлении истечения топлива. Эта особенность позволяет увеличить скорость истечения топлива с целью улучшения стойкости форсунки к закоксовыванию, в особенности на низких расходах топлива.

Согласно другой выгодной особенности изобретения вторые топливоподающие отверстия смещены по оси относительно первых топливоподающих отверстий. В этом случае вторые топливоподающие отверстия расположены с угловым смещением вокруг оси форсунки относительно положений первых топливоподающих отверстий. Такое оптимальное расположение способствует равномерному распределению подачи топлива вокруг оси форсунки с улучшением за счет этого однородности топливовоздушной смеси.

Согласно еще одной выгодной особенности изобретения топливоподающие каналы на своих концевых участках вблизи первых и вторых топливоподающих отверстий ориентированы по существу тангенциально относительно стенки внутренней полости. Эта особенность позволяет закручивать поток топлива во внутренней полости и за счет этого повысить скорость истечения и улучшить однородность топливовоздушной смеси.

Предпочтительно форсунка содержит заднюю часть, в которой образованы один или несколько каналов подачи воздуха, по меньшей мере, одно кольцо, в котором образованы первая и вторая ступени подачи топлива и которое вставлено в гнездо, выполненное на выходном конце задней части, и переднюю часть, которая соединена с задней частью, так что кольцо зажимается неподвижно в осевом направлении между задней и передней частями форсунки.

Согласно еще одной выгодной особенности изобретения каждая ступень подачи топлива содержит четыре топливоподающих отверстия, равномерно расположенных вокруг оси форсунки.

Система впрыска в соответствии с изобретением дополнительно содержит втулку, окружающую, по меньшей мере, часть топливной форсунки, конусную оболочку, образующую расширение для монтажа системы впрыска на днище камеры сгорания, по меньшей мере, один завихритель воздуха, встроенный между втулкой и конусной оболочкой, и устройство Вентури. Данное устройство образовано между частью наконечника, окруженной втулкой, и конусной оболочкой. Предпочтительно между втулкой и частью форсунки, окруженной втулкой, для предотвращения образования загрязнений на уровне наконечника форсунки образована, по меньшей мере, одна воздушная щель. Кроме того, в стенке конусной оболочки, которая образует расширение или раструб, выполнены отверстия для прохода воздуха.

Дополнительно на своем выходном конце конусная оболочка может иметь фланец, который вместе с противолежащей стенкой образует кольцевое усиление U-образного сечения. В этом случае в указанной противолежащей стенке могут быть выполнены сквозные отверстия для подачи воздуха на это усиление.

Перечень фигур чертежей

Не являющийся ограничивающим пример 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 сечении систему впрыска, смонтированную в камере сгорания газотурбинной установки, более конкретно, газотурбинного двигателя,

фиг.2 изображает на виде в продольном разрезе пример выполнения наконечника топливной форсунки в системе впрыска по изобретению,

фиг.3, 4 и 5 изображают виды в разрезе, соответственно, по линиям III-III, IV-IV и V-V на фиг.2,

фиг.6 - вид в сечении по линии VI-VI на фиг.3,

фиг.7 изображает в перспективе в разобранном виде наконечник форсунки по фиг.2,

фиг.8 схематично изображает пример распределения различных проходов для подачи воздуха в системе впрыска по фиг.1.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 представлена система 2 впрыска в соответствии с изобретением, смонтированная в камере 4 сгорания газовой турбины, используемой, например, в турбореактивном двигателе.

Камера 4 сгорания, например, кольцевого типа ограничена внутренней и наружной стенками (на чертеже не показаны), соединенными между собой днищем 6. Последнее содержит несколько окон 6а с продольными осями 8, равномерно распределенных вокруг оси турбомашины. В каждом окне 6а смонтирована система 2 впрыска по изобретению, предназначенная для впрыска топливовоздушной смеси в камеру 4 сгорания. Генерируемые при сгорании топливовоздушной смеси газы текут в камере 4 сгорания к ее задней по потоку части и затем отводятся к турбине высокого давления (не представлена).

Как это известно, в каждом из окон 6а установлен кольцевой дефлектор 10, расположенный в камере 4 сгорания параллельно днищу 6 камеры. Внутри окна 6а установлена также конусная оболочка 20, образующая расширяющийся раструб. Конусная оболочка 20 содержит стенку 21, которая расходится раструбом по направлению потока и образует продолжение цилиндрической стенки 22, расположенной коаксиально оси 8 окна 6а. На своем выходном конце стенка 21 конусной оболочки имеет фланец 23, который вместе с противолежащей стенкой 24 образует кольцевое усиление конусной оболочки, или воротник U-образного сечения.

Цилиндрическая стенка 22 конусной оболочки 20 окружает устройство 30 Вентури с осью 8. Устройство 30 Вентури разделяет истечение воздуха от первичного завихрителя 32 и вторичного завихрителя 34. Первичный завихритель 32 расположен по потоку перед устройством 30 Вентури и подает воздушный поток внутрь этого устройства. Вторичный завихритель 34 расположен по потоку перед цилиндрической стенкой 22 конусной оболочки 20 и подает воздушный поток между устройством 30 Вентури и цилиндрической стенкой 22.

Передний по потоку конец первичного завихрителя 32 жестко укреплен с помощью держателя 40, в котором имеется кольцевая канавка 42, открытая в сторону оси 8 окна 6а. В эту канавку входит втулка 44, окружающая, по меньшей мере, концевую часть или наконечник топливной форсунки 50. Система впрыска может быть дополнительно снабжена обтекателем, который обычно образуется кожухом 46. Обтекатель позволяет снизить до минимума потери напора воздуха вокруг форсунки и обеспечить эффективную подачу воздуха к днищу камеры.

Топливная форсунка 50 имеет продольную ось Х-Х, совпадающую с осью 8 окна 6а. Эта топливная форсунка является форсункой аэродинамического типа, то есть она обеспечивает подачу топлива с одним расходом независимо от режима работы турбомашины. В типовом случае топливная форсунка образована трубчатой частью 52, по которой топливо подается к наконечнику 54 форсунки, где топливо смешивается с воздухом перед подачей воздуха от первичного и вторичного завихрителей, и впрыском в камеру 4 сгорания.

На фиг.2-6 показан пример выполнения наконечника топливной форсунки для системы впрыска топлива по изобретению.

Наконечник 54 топливной форсунки содержит внутреннюю осевую полость 56, которая на одном конце имеет осевое выпускное отверстие 58 для топливовоздушной смеси. На своем конце, противоположном выпускному отверстию, наконечник оснащен, по меньшей мере, одним топливным впускным отверстием, образующим впускную зону 60 для топлива. Эта зона может быть выполнена, например, в виде цилиндрической полости. Во впускную зону 60 топливо подается через трубчатую часть топливной форсунки. Топливоподающие каналы 62 сообщаются с впускной зоной 60 для топлива и с несколькими первыми топливоподающими отверстиями 64, которые образуют первую ступень подачи топлива. Эти первые топливоподающие отверстия расположены вокруг оси Х-Х форсунки и выходят во внутреннюю полость 56. В эту внутреннюю полость 56 выходит также, по меньшей мере, один канал 66 подачи воздуха, сообщающийся с впускной зоной 68 для воздуха.

В соответствии с изобретением топливная форсунка 50 на уровне своего наконечника 54 снабжена, по меньшей мере, второй ступенью подачи топлива, образованной несколькими вторыми топливоподающими отверстиями 70, которые выходят во внутреннюю полость 56. Эти вторые отверстия 70 расположены вокруг оси Х-Х форсунки и связаны с впускной зоной 60 для топлива топливоподающими каналами 72, которые, по меньшей мере, частично совмещены с топливоподающими каналами 62 первой ступени подачи топлива.

Как показано на фиг.3, каждая ступень подачи топлива содержит в оптимальном варианте четыре топливоподающих отверстия 64, 70, которые сообщаются с топливоподающими каналами 62, 72 и равномерно расположены вокруг оси Х-Х форсунки. Предпочтительно топливоподающие каналы 62, 72 расположены поочередно с четырьмя воздушными питающими каналами 66.

Первые и вторые топливоподающие отверстия 64, 70 и один или несколько каналов 66 подачи воздуха сообщаются, соответственно, с двумя коаксиальными каналами 74 и 76, которые образованы во внутренней полости 56. В частности, каналы 66 подачи воздуха выходят в центральный канал 76, а первые и вторые топливоподающие каналы выходят в кольцевой канал 74, окружающий центральный канал 76.

Согласно выгодной особенности изобретения кольцевой канал 74, в который выходят топливоподающие каналы, имеет нижний по направлению потока участок 74а уменьшенного проходного сечения, образующий сужение для ускорения топлива на выходе из этого кольцевого прохода.

Кроме того, как показано на фиг.2-7, вторая ступень подачи топлива может быть смещена по оси относительно первой ступени таким образом, что вторые топливоподающие отверстия 70 смещены вдоль данной оси относительно первых топливоподающих отверстий 64. Это смещение ступеней подачи топлива может быть предусмотрено в связи с тем, что по соображениям конструктивного размещения может оказаться невозможным расположение топливоподающих отверстий 64, 70 в одной плоскости. В этом случае вторые топливоподающие отверстия 70 предпочтительно расположены с угловым смещением вокруг оси Х-Х форсунки относительно первых топливоподающих отверстий 64. При таком распределении подачи топлива вокруг оси форсунки улучшается однородность топливовоздушной смеси.

Каждый из топливоподающих каналов 62, 72 содержит первый участок, соответственно, 62а и 72а, который проходит параллельно оси Х-Х форсунки и подсоединен к впускной зоне 60 для топлива, и второй участок, соответственно, 62b и 72b, который связывает первый участок с топливоподающим отверстием 64, 70. На фиг.2 видно, что первые участки 62а, 72а топливоподающих каналов 62, 72 совмещены, по меньшей мере, частично. Как показано на фиг.4 и 5, концевые участки этих топливоподающих каналов вблизи первых и вторых топливоподающих отверстий 64 и 70 ориентированы по существу тангенциально стенке внутренней полости 56. Благодаря этому истекающее из каналов топливо закручивается перед входом во внутреннюю полость, что позволяет повысить скорость его истечения, а тем самым и улучшить однородность топливовоздушной смеси.

Расположение каналов 66 подачи воздуха хорошо видно на фиг.3 и 6. Эти каналы входят во внутреннюю полость 56 в направлении, которое по существу тангенциально стенке внутренней полости, и наклонены к выходу относительно плоскости, нормальной оси Х-Х форсунки. Такое специальное расположение также улучшает однородность и повышает скорость истечения топливовоздушной смеси.

Далее будут описаны конструктивные элементы наконечника описанной форсунки 50 со ссылкой на фиг.7, которая схематично изображает данный наконечник 54 в перспективе в разобранном виде, т.е. с взаимным пространственным смещением его частей.

Как видно на этом чертеже, наконечник форсунки образован по существу тремя частями: задней частью 78, в которой образованы один или несколько каналов 66 подачи воздуха, а также, по меньшей мере, одним кольцом 80. В кольце 80 образованы первая и вторая ступени подачи топлива, при этом оно вставляется в гнездо 82, выполненное на выходном конце задней части. Третьей частью является передняя часть 84, которая соединяется с задней частью, так что кольцо 80 зажимается в осевом направлении между ними.

В показанном на фиг.2-7 примере выполнения наконечник форсунки содержит на уровне кольца 80 две ступени подачи топлива. Разумеется, можно представить, что наконечник форсунки, а более конкретно, кольцо 80 содержит большее число ступеней подачи топлива с тем, чтобы увеличить преимущества, получаемые от увеличения количества точек подачи топлива во внутреннюю полость форсунки. В этом случае дополнительные ступени подачи могут быть смещены вдоль оси относительно друг друга с целью увеличения числа точек подачи топлива во внутреннюю полость форсунки.

Другие выгодные особенности системы впрыска представлены на фиг.1. Как видно на этом чертеже, по меньшей мере, одна воздушная щель 48 образована между втулкой 44 и окруженной ею частью наконечника. Эта щель позволяет производить продувку для защиты от закоксовывания, то есть она предотвращает отложение топливных загрязнений на наконечнике форсунки, в особенности при низких расходах топлива. Данная воздушная щель может быть выполнена, например, в виде нескольких щелей 48, равномерно расположенных вокруг наконечника и имеющих выходные концы, расположенные вблизи осевого выпускного отверстия 58 и направленные по существу параллельно оси Х-Х топливной форсунки 50. Для ускорения истечения воздуха через эти щели 48 может быть предусмотрено сужение проходного сечения каждой такой щели по направлению воздушного потока.

Кроме того, в стенке 21 конусной оболочки 20 для продувки конусной оболочки от загрязнений в результате закоксовывания выполнены отверстия 25 для прохода воздуха. Эти отверстия 25 выходят в камеру сгорания в направлении, которое может иметь наклон относительно оси Х-Х и тангенциально по отношению к наклонной стенке 21 для того, чтобы устранить всякий риск закоксовывания.

Подобным же образом отверстия 26 для прохода воздуха выполнены в противолежащей стенке 24 воротника конусной оболочки для подачи воздуха на конусную оболочку, в особенности на кольцевой дефлектор 10. Эти отверстия 26 выходят, например, по существу параллельно оси Х-Х форсунки таким образом, что проходящий через них воздух наталкивается на фланец 23 стенки 21 конусной оболочки и обтекает кольцевой дефлектор 10.

Отверстия 25, 26 и воздушные щели 48, проходящие через различные элементы системы впрыска, а также воздушные щели 36, 38, соответственно для первичного и вторичного завихрителей 32 и 34 могут быть распределены по числу N угловых секторов, где каждый сектор равен 360°/N. В частности, в каждом угловом секторе конусная оболочка 20 может содержать n отверстий 25 для прохода воздуха, одинаковых по форме (например, круглых, эллиптических или другой формы) и параллельных друг другу. Этот же принцип может быть принят для расположения других отверстий и щелей (называемых совместно проходами) для воздуха. В качестве примера на фиг.8 схематично представлено размещение различных отверстий и щелей для воздуха в плоскости Р, перпендикулярной оси Х-Х. На этом чертеже показано расположение проходов для воздуха в одном угловом секторе величиной 60°. В этом секторе имеются: три воздушные щели 48, образованные между втулкой 44 и окруженной ею частью наконечника, две воздушные щели 36 первичного завихрителя, три воздушные щели 38 вторичного завихрителя, четыре воздушных отверстия 25 в стенке 21 конусной оболочки и восемь воздушных отверстий 26 в противолежащей стенке 24 воротника конусной оболочки. Различные проходы для воздуха распределены равномерно вокруг оси Х-Х. Они могут быть выполнены непосредственно в процессе литейного производства.

Изобретение относится к системам впрыска топлива в камеру сгорания турбомашины и позволяет получить улучшенную однородность топливовоздушной смеси при высокой скорости истечения топлива на выходе из форсунки, снижая при этом степень закоксовывания между корпусом форсунки и оболочкой. Система включает в себя форсунку, которая содержит внутреннюю осевую полость, завершающуюся на одном конце осевым выпускным отверстием для топливовоздушной смеси. Форсунка содержит также первую ступень подачи топлива, снабженную несколькими первыми топливоподающими отверстиями, которые открыты во внутреннюю полость, расположены вокруг оси форсунки и связаны посредством топливоподающих каналов с впускной зоной для топлива, и, по меньшей мере, один канал подачи воздуха, который открыт во внутреннюю осевую полость и связан с впускной зоной для воздуха. Форсунка дополнительно содержит, по меньшей мере, вторую ступень подачи топлива, снабженную несколькими вторыми топливоподающими отверстиями, которые открыты во внутреннюю полость, расположены вокруг оси форсунки и связаны с указанной впускной зоной для топлива форсунки посредством топливоподающих каналов, причем указанные каналы, по меньшей мере, частично совмещены с указанными топливоподающими каналами первой ступени. 17 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Система (2) впрыска топливовоздушной смеси в камеру (4) сгорания турбомашины, включающая в себя форсунку (50), содержащую

внутреннюю осевую полость (56), которая на одном конце завершена осевым выпускным отверстием (58) для топливовоздушной смеси,

первую ступень подачи топлива, снабженную несколькими первыми топливоподающими отверстиями (64), которые открыты во внутреннюю полость, расположены вокруг оси (Х-Х) форсунки и связаны посредством топливоподающих каналов (62) с впускной зоной (60) для топлива, и

по меньшей мере, один канал (66) подачи воздуха, который открыт во внутреннюю осевую полость и связан с впускной зоной (68) для воздуха,

отличающаяся тем, что форсунка дополнительно содержит, по меньшей мере, вторую ступень подачи топлива, снабженную несколькими вторыми топливоподающими отверстиями (70), которые открыты во внутреннюю полость, расположены вокруг оси форсунки и связаны с указанной впускной зоной для топлива посредством топливоподающих каналов (72), которые, по меньшей мере, частично совмещены с указанными топливоподающими каналами (62) указанной первой ступени.

заднюю часть (78), в которой образованы один или несколько каналов (66) подачи воздуха,

по меньшей мере, одно кольцо (80), в котором образованы первая и вторая ступени подачи топлива и которое вставлено в гнездо (82), выполненное на выходном конце задней части, и

переднюю часть (84), которая соединена с задней частью, так что кольцо зажимается неподвижно в осевом направлении между задней и передней частями форсунки.