ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА ТУРБОМАШИНЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК F23K5/14 F23D11/36 F02C7/232 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к усовершенствованию топливных форсунок турбомашины.

Уровень техники

Как известно, двигатель турбомашины содержит несколько форсунок, позволяющих подавать топливо и воздух в камеру сгорания в процессе запуска и нормального режима работы турбомашины. Существуют в основном два типа форсунок. Так называемые «аэромеханические» форсунки (описанные, например, в патенте США №6082113) рассчитаны на два расхода топлива (первичный и вторичный) в соответствии с фазами функционирования турбомашины (зажигание, от малой до полной мощности). Так называемые «аэродинамические» форсунки содержат только один топливоподающий контур для всех фаз функционирования (см., например, патент США №5477054). Данное изобретение относится более конкретно к форсункам первого типа.

Известна, в частности, аэромеханическая топливная форсунка турбомашины по патенту США №5242117, которая содержит два контура подачи топлива: первичный контур, соответствующий низким расходам (предназначенный, например, для фазы зажигания и работы на малой мощности турбомашины), и вторичный контур, который включается в действие для питания средств высокой мощности и для высоких расходов (предназначенный, например, для верхних режимов функционирования до полной мощности турбомашины).

Известная топливная форсунка этого типа содержит запорный клапан, предназначенный для того, чтобы открываться под действием предварительно заданного первого значения давления подачи топлива и оставаться открытым при повышении этого давления подачи для питания топливом первичного топливного контура. С другой стороны, в нем предусмотрен дозирующий клапан, который приводится в действие для того, чтобы открываться под действием предварительно заданного второго значения давления подачи топлива, которое должно быть выше первого значения давления. Дозирующий клапан должен оставаться открытым при повышении этого давления подачи для питания топливом вторичного топливного контура. Регулирование этого вторичного расхода топлива осуществляется с помощью дозирующих прорезей, предусмотренных на уровне головки клапана. Проходные сечения прорезей изменяются в функции действующего давления подачи: чем больше это давление, тем больше становятся проходные сечения прорезей.

На практике установлено, что в камере сгорания с подачей в нее топлива и воздуха через несколько топливных форсунок описанного типа существуют отклонения или неоднородность расхода в фазе, соответствующей средним расходам, когда в такие топливные форсунки топливо подается под одним и тем же давлением. Эта неоднородность в основном обусловлена допусками на изготовление соответствующих дозирующих клапанов и может достигать 10% по расходу. Допуски на изготовление или механическую обработку дозирующих клапанов и их дозирующих прорезей таковы, что средние расходы топлива не могут быть идентичными для всех топливных форсунок одной турбомашины. На фиг.3 показаны отклонения AD1 и AD2 расходов, которые могут иметь место на уровне расходов двух различных топливных форсунок 100, 102 одной камеры сгорания по отношению к расчетному теоретическому расходу 104. В результате создается неоднородность средних расходов между топливными форсунками, которая отрицательно влияет на функционирование турбомашины.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении указанных недостатков и в создании топливной форсунки, которая позволяет снизить неоднородность (расхождение) расхода между топливными форсунками. Задачей изобретения является также создание топливной форсунки, позволяющей упростить ее изготовление и улучшить характеристики регулирования средних расходов топлива.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет создания топливной форсунки турбомашины, которая содержит корпус, оснащенный средствами впуска топлива под давлением, первый клапан, установленный по направлению потока за указанными средствами впуска топлива под давлением и приводимый в действие таким образом, чтобы открываться в ответ на предварительно заданное давление топлива, определяющее первое пороговое давление топлива, для впуска топлива в указанный корпус. Форсунка по изобретению содержит также второй клапан, установленный по направлению потока за указанным первым клапаном и выполненный с возможностью открываться в ответ на второе пороговое давление топлива, превышающее указанное первое пороговое давление топлива, для дозированного пропуска, по меньшей мере, части топлива, впускаемого в указанный корпус, к средствам использования этого топлива. Расход этого дозированного пропуска топлива к средствам использования является функцией проходных сечений, выполненных на уровне указанного второго клапана. Топливная форсунка по изобретению характеризуется тем, что она дополнительно содержит диафрагму, расположенную между средствами впуска топлива под давлением и первым клапаном для того, чтобы фиксировать на определенной величине расход топлива, впускаемого в указанный корпус.

Расход топлива, впускаемого в корпус, является именно функцией проходного сечения диафрагмы. Он зафиксирован на определенном значении путем выбора отверстия диафрагмы в зависимости от технических характеристик, свойственных каждой из топливных форсунок одной камеры сгорания. Более конкретно, диафрагма для каждой топливной форсунки выбирается в функции отклонений ее расхода от среднего расчетного расхода. Таким образом, каждая топливная форсунка одной и той же камеры сгорания снабжена диафрагмой, которая может отличаться от диафрагм других топливных форсунок этой камеры сгорания. Кроме того, замена диафрагмы упрощается, так как при этом не требуется демонтажа двух клапанов.

В оптимальном варианте выполнения топливная форсунка дополнительно содержит средства регулирования для определения третьего порогового давления топлива, которое выше указанного второго порогового давления и начиная с которого расход дозированного пропуска топлива к указанным средствам использования является функцией только давления подачи топлива.

Эти средства регулирования для определения третьего порогового давления топлива в оптимальном примере выполнения содержат упор для ограничения хода второго дозирующего клапана для топлива.

Перечень чертежей

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 продольном разрезе топливную форсунку турбомашины в соответствии с изобретением;

фиг.2 изображает кривую, иллюстрирующую пример регулирования расхода подачи топлива в турбомашине с использованием топливной форсунки по фиг.1;

фиг.3 изображает диаграмму, иллюстрирующую пример отклонений при регулировании расхода подачи топлива в турбомашине, известной из уровня техники.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 представлена на виде в продольном сечении топливная форсунка турбомашины в соответствии с изобретением.

Эта форсунка относится к типу аэромеханических форсунок, то есть она предназначена для обеспечения двух расходов подачи топлива: первичного расхода в ходе фазы запуска турбомашины, оснащенной данной форсункой, а также в фазе работы на малой мощности, и вторичного расхода для фаз работы на верхних режимах и до полной мощности.

Согласно изобретению топливная форсунка 2 содержит корпус 4 с впускным отверстием 6, выполняющим функцию средств впуска топлива под давлением, подаваемого соответствующим насосом (не показан) и поступающего после прохождения через фильтр 9 сетчатого типа в предварительную впускную полость 8а. Уплотнительный клапан 10, предназначенный для обеспечения плотности запирания форсунки, установлен во впускной полости 8b, расположенной за предварительной впускной полостью 8а по направлению потока топлива. Известным образом этот уплотнительный клапан образован головкой (тарелью) 12 клапана и штоком 14 клапана и удерживается с помощью центральной трубчатой части 16, которая образует опору клапана. Центральная трубчатая часть 16 опирается своей цилиндрической закраиной 17 на первый конец периферической цилиндрической части 18. Эта периферическая цилиндрическая часть 18 проходит от центральной части 16 по направлению потока вдоль большей части оставшегося внутреннего объема корпуса 4 форсунки и ограничивает кольцевую полость 20 первичного топлива и кольцевую полость 22 вторичного топлива.

Кольцевая полость 20 первичного топлива сообщается с впускной полостью 8b посредством нескольких поперечных отверстий 24 и через сетку 25, которые образуют постоянные проходные сечения. Кольцевая полость 22 вторичного топлива сообщается с впускной полостью 8b посредством продольных проточек 26, которые просверлены с равномерным шагом в цилиндрической закраине 17 опоры 16 клапана. Седло уплотнительного клапана 10 образовано бортом цилиндрической рубашки 28, которая опирается на цилиндрическую закраину 17 трубчатой центральной части 16 и плотно установлена в корпусе 4 форсунки с обеспечением уплотнения с помощью уплотнительного средства 30 по типу уплотнительного кольца. Винтовая пружина 32 расположена между опорой 16 клапана и головкой 12 клапана для обеспечения регулировки предварительно заданного давления подачи топлива, определяющего первое пороговое давление S1, по достижении которого открывается уплотнительный клапан 10. После этого топливо, находящееся в предварительной впускной полости 8а, проходит во впускную полость 8b и течет в кольцевую полость 20 первичного топлива через поперечные отверстия 24 перед тем, как оно вытесняется к центральному сопловому каналу 33 первичного топлива, определяющему первые средства использования топлива.

Дозатор 34 топлива установлен непосредственно в кольцевой полости 22 вторичного топлива таким образом, чтобы дозировать топливо, текущее от этой полости. Дозатор известным образом содержит дозирующий клапан 36 трубчатой формы, снабженный на первом, входном, конце входным отверстием 38, выходящим в продольный канал 40 впуска вторичного топлива, и на втором, выходном, конце круговым буртиком, образующим головку 42 клапана; кроме того, дозирующий клапан 36 поддерживает второй конец периферической цилиндрической части 18. Дозирующий клапан 36 содержит также поперечные выходные отверстия 44 истечения вторичного топлива. Головка 42 клапана снабжена на своей боковой обечайке дозирующими прорезями 46 для топлива, открытыми в продольный канал 40 и определяющими переменные проходные сечения ко вторым средствам использования топлива. Эти щели выполнены с высокой точностью для дозирования количества топлива, текущего от кольцевой полости 22 вторичного топлива к приемной полости 48. Эта приемная полость 48 образована в корпусе 4 топливной форсунки и сообщается с кольцевым сопловым каналом 50 вторичного топлива, окружающим центральный сопловой канал 33 первичного топлива.

Дозирующий клапан 36 может скользить в цилиндрической гильзе, или втулке 52, один конец которой содержит круговую выемку 54, образующую седло клапана. Эта втулка плотно установлена на периферической цилиндрической части 18 с обеспечением уплотнения с помощью уплотнительного средства 56 по типу уплотнительного кольца. Втулка 52 образует также опорную поверхность для конца винтовой пружины 58, противоположный конец которой установлен в удерживающем кольцевом элементе 60. Этот удерживающий кольцевой элемент 60 надет на первый конец дозирующего клапана 36 и укреплен на нем с помощью разрезной шайбы 62. Распорное кольцо 64 расположено между разрезной шайбой 62 и удерживающим кольцевым элементом 60 таким образом, чтобы регулировать усилие пружины 58 и определять второе пороговое давление S2, при котором открывается дозирующий клапан 36. Это второе пороговое давление S2 должно быть выше первого порогового давления S1. Усилие пружины выбирают таким образом, чтобы дозирующий клапан открывался при втором пороговом давлении S2 и оставался открытым при повышении давления, так что расход подачи топлива является в этом случае функцией проходных сечений дозирующих прорезей 46.

Топливная форсунка 2 дополнительно снабжена диафрагмой 66, расположенной между впускным отверстием 6 и уплотнительным клапаном 10. Более конкретно, диафрагма 66 установлена в предварительной впускной полости 8а по направлению потока топлива перед цилиндрической рубашкой 28, опирающейся на периферическую цилиндрическую часть 18. Эта диафрагма позволяет фиксировать определенную величину расхода топлива, пропускаемого во впускную полость 8b. Отверстие диафрагмы выбрано в функции собственных параметров топливной форсунки (таких, как условия изготовления и механической обработки дозирующего клапана и дозирующих прорезей, усилие пружины, влияние трения между клапаном и втулкой, в которой он скользит и т.д.), а также с учетом отклонений расхода относительно расчетного среднего расхода. Таким образом, этот выбор осуществляют по тому критерию, чтобы кривая средних расходов в функции давления подачи топлива не выходила за пределы предварительно заданной области допускаемых отклонений. Эту область допускаемых отклонений предварительно устанавливают в функции средней теоретической кривой расчетного расхода. Так, например, указанная область может определяться максимальным отклонением расхода порядка ±5% относительно средней теоретической кривой.

Согласно выгодной особенности изобретения топливная форсунка дополнительно содержит средства регулирования для определения третьего порогового давления S3, которое выше второго порогового давления S2. Начиная с порогового давления S3, расход топлива, подаваемого дозируемым образом ко вторым средствам использования, является функцией только давления подачи топлива. Эти средства регулирования представлены в виде упора 68, который установлен, например, на втулке 52 и предназначен для взаимодействия с удерживающим кольцевым элементом 60 для ограничения хода дозирующего клапана 36. Этот упор 68 отрегулирован на предварительно заданную величину давления, соответствующую расходу вблизи полностью открытого положения клапана. Возможно также установить кольцо (не показано) на первом конце дозирующего клапана 36 для ограничения хода дозирующего клапана 36.

На фиг.2 показано влияние диафрагмы 66 на отклонения среднего расхода 200, которые могут иметь место в топливной форсунке камеры сгорания по отношению к расчетной кривой 202 расхода. На этом чертеже представлены также две кривые 204 и 204'. Они образуют область допустимых отклонений, за пределами которой отклонения расхода относительно средней теоретической кривой 202 расхода считаются слишком высокими. Для этой области допустимых отклонений выбрано максимальное допустимое отклонение расхода ±5%. Таким образом, присутствие диафрагмы 66 позволяет значительно снизить на уровне средних расходов неоднородность расходов между несколькими топливными форсунками одной камеры сгорания. Следует отметить, что, начиная с третьего порогового давления S3, расход топлива уже не зависит от параметров изготовления пружины и дозирующих прорезей и от трения клапана топливной форсунки, он зависит только от давления подачи топлива и проходного сечения клапана, который находится в положении упора. Таким образом, за пределами третьего порогового давления S3 дозирующий клапан действует подобно нерегулируемой диафрагме.

Изобретение относится к устройствам подачи топлива в камеру сгорания турбомашины. Топливная форсунка содержит корпус, оснащенный средствами впуска топлива под давлением, первый клапан, установленный по направлению потока за указанными средствами впуска топлива под давлением и приводимый в действие таким образом, чтобы открываться для впуска топлива в корпус, второй клапан, установленный по направлению потока за указанным первым клапаном и выполненный с возможностью открываться для дозированного пропуска, по меньшей мере, части топлива, впускаемого в указанный корпус топливной форсунки, к средствам использования этого топлива. Расход этого дозированного пропуска топлива к средствам использования является функцией проходных сечений, выполненных на уровне указанного второго клапана. Топливная форсунка дополнительно содержит диафрагму, расположенную между средствами впуска топлива под давлением и первым клапаном для того, чтобы фиксировать на определенной величине расход топлива, впускаемого в корпус топливной форсунки. Изобретение позволяет упростить изготовление форсунки, улучшить характеристики регулирования средних расходов топлива, а также снизить неоднородность расхода между топливными форсунками камеры сгорания. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Топливная форсунка (2) турбомашины, содержащая корпус (4), оснащенный средствами (6) впуска топлива под давлением, первый клапан (10), установленный по направлению потока за указанными средствами впуска топлива под давлением и приводимый в действие таким образом, чтобы открываться в ответ на предварительно заданное давление топлива, определяющее первое пороговое давление (S1) топлива, для впуска топлива в указанный корпус, второй клапан (36), установленный по направлению потока за указанным первым клапаном и выполненный с возможностью открываться в ответ на второе пороговое давление (S2) топлива, превышающее указанное первое пороговое давление, для дозированного пропуска, по меньшей мере, части топлива, поступающего в указанный корпус, к средствам (48) использования этого топлива, причем расход дозированного пропуска топлива к средствам его использования является функцией проходных сечений (46), выполненных на уровне указанного второго клапана, отличающаяся тем, что дополнительно содержит диафрагму (66), расположенную между средствами впуска топлива под давлением и первым клапаном для того, чтобы фиксировать на определенном уровне расход топлива, впускаемого в корпус топливной форсунки.2. Топливная форсунка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средства (68) регулирования для определения третьего порогового давления (S3) топлива, которое выше указанного второго порогового давления топлива и, начиная с которого, расход дозированного пропуска топлива к указанным средствам использования является функцией только давления подачи топлива.3. Топливная форсунка по п.2, отличающаяся тем, что указанные средства регулирования содержат упор (68) для ограничения хода указанного второго дозирующего клапана для топлива.4. Топливная форсунка (2) турбомашины, включающая корпус (4), который содержит средства (6) впуска топлива под давлением, первый клапан (10), установленный по направлению потока за указанными средствами впуска топлива под давлением и приводимый в действие таким образом, чтобы открываться в ответ на предварительно заданное давление топлива, определяющее первое пороговое давление (S1), для впуска топлива в указанный корпус и его отвода к первым средствам использования, причем расход отводимого топлива является функцией проходного сечения (24), выполненного на уровне указанного первого клапана, второй клапан (36), установленный по направлению потока за указанным первым клапаном и выполненный с возможностью открываться в ответ на второе пороговое давление (S2) топлива, превышающее указанное первое пороговое давление для дозированного пропуска, по меньшей мере, части топлива, впускаемого в указанный корпус, ко вторым средствам (48) использования этого топлива, причем расход дозированного пропуска топлива ко вторым средствам использования является функцией проходных сечений (46), выполненных на уровне указанного второго клапана, и средства (68) регулирования для определения третьего порогового давления (S3), которое выше указанного второго порогового давления и, начиная с которого, расход дозированного пропуска топлива к указанным вторым средствам использования является функцией только давления подачи топлива, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит диафрагму (66), расположенную между средствами впуска топлива под давлением и первым клапаном для того, чтобы фиксировать на определенной величине расход топлива, впускаемого в корпус топливной форсунки.5. Топливная форсунка по п.4, отличающаяся тем, что указанные средства регулирования содержат упор (68) для ограничения хода указанного второго дозирующего клапана для топлива.