УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВПРЫСКА СМЕСИ ВОЗДУХА И ГОРЮЧЕГО, КАМЕРА СГОРАНИЯ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СНАБЖЕННЫЕ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 2012 года по МПК F23R3/30 F23R3/14 F02C7/22 

Предлагаемое изобретение предназначено для использования в газотурбинных двигателях и касается устройства для впрыска смеси воздуха и топлива в камеру сгорания.

Более конкретно предлагаемое изобретение касается новой конструкции устройства для впрыска, предназначенного для монтажа внутри ограниченного пространства камеры сгорания.

В нижеследующем описании термины "входной" или "выходной" будут использоваться для обозначения взаимного расположения одних элементов конструкции относительно других в осевом направлении, причем в качестве этого направления будет рассматриваться направление истечения газов. Точно также термины "внутреннее" или "радиально внутреннее" и "наружное" или "радиально наружное" будут использоваться для обозначения взаимного расположения элементов конструкции друг относительно друга в радиальном направлении, в качестве которого будет рассматриваться ось вращения турбомашины или ось симметрии рассматриваемой конструкции.

Газотурбинный двигатель включает в себя один компрессор или несколько компрессоров, обеспечивающих подачу воздуха под давлением в камеру сгорания, в которой воздух смешивается с топливом и полученная смесь поджигается с целью получения нагретых до высокой температуры газов сгорания. Указанные газы истекают в направлении выхода из камеры в сторону одной турбины или нескольких турбин, в которой (в которых) происходит преобразование полученной таким образом энергии во вращение ротора компрессора (компрессоров) и выполнение работы, необходимой, например, для функционирования двигателя самолета.

Как правило, камера сгорания, используемая в самолетостроении, включает в себя внутреннюю и наружную перегородки, входные торцы которых соединяются друг с другом посредством дна указанной камеры. В дне камеры равномерно распложены по окружности отверстия, в каждое из которых вставлено устройство для впрыска, в центре которого расположена в свою очередь форсунка, причем вся описанная конструкция обеспечивает возможность подачи топливно-воздушной смеси в камеру.

В камеру сгорания подается жидкое топливо, смешанное с воздухом, поступающим из компрессора. Жидкое топливо подается в камеру посредством форсунок, благодаря чему происходит превращение этого топлива в пар, имеющий вид мелких капель.

Указанное превращение топлива в пар начинается уже в форсунке и продолжается, в частности, в трубке Вентури и в барабане под действием воздуха, поступающего под давлением из компрессора. Указанный воздух проходит под давлением с одной стороны через один радиальный завихритель потока воздуха или радиальные завихрители потока воздуха, входящие в состав устройства для впрыска с целью приведения топлива, распыленного форсункой, во вращение, а с другой стороны проходит через отверстия, предусмотренные в различных частях устройства для впрыска, к каковым, в частности, относятся отверстия в барабане.

Как это следует из патента FR 2 753 779, устройство для впрыска имеет симметричную поверхность вращения и содержит расположенную в направлении от входа к выходу скользящую крестовину, соединенную посредством кольцеобразной чашки с внутренним радиальным завихрителем потока воздуха. Внутренний радиальный завихритель потока воздуха соединен в свою очередь с наружным радиальным завихрителем потока воздуха посредством трубки Вентури, причем внутренний и наружный радиальные завихрители потока воздуха являются ко-ротационными, то есть воздух, инжектируемый в указанное устройство для впрыска этими двумя завихрителями потока воздуха, имеет одно и то же направление вращения относительно оси симметрии устройства для впрыска. Наружный радиальный завихритель потока воздуха присоединяется затем своим выходным торцом к барабану с конической расширяющейся перегородкой. Барабан же сам в свою очередь соединен посредством дефлектора с дном камеры.

Рассматриваемое устройство для впрыска имеет относительно высокий наружный диаметр и, следовательно, относительно высокие габариты в радиальном направлении, которые не могут быть уменьшены из-за присутствия в конструкции некоторых элементов, таких, например, как радиальные завихрители потока воздуха. Подобный тип устройства наиболее приспособлен, ввиду наличия у него относительно высоких габаритов, для работы с форсункой аэромеханического типа.

Существует два типа форсунок: аэродинамические и аэромеханические.

Аэродинамические форсунки позволяют производить впрыск топлива под давлением, близким по величине давлению воздуха, инжектируемого устройством для впрыска. При этом одного контура подачи топлива форсунке достаточно для перекрытия ею всего диапазона изменения расхода топлива.

В форсунках аэромеханического типа впрыск топлива происходит под давлением, значительно превышающем давление, существующее в камере сгорания. Превращение топлива в пар происходит в них с высокой эффективностью, причем указанная эффективность сохраняется даже в тех случаях, когда давление в камере имеет невысокое значение. Для перекрытия всего существующего диапазона расходов топлива при сохранении допустимой величины давления топлива необходимо использовать два контура подачи топлива, что потребует применения более высокого наружного диаметра форсунки по сравнению со случаем применения аэродинамической форсунки. Несмотря на более высокие габариты, аэромеханические форсунки позволяют помимо прочего улучшить процессы разбрызгивания топлива, а также его сжигания при низком расходе топлива.

В том случае, когда пространство, пригодное для размещения устройства для впрыска, невелико, как это, например, имеет место в случае турбомашин, устройство для впрыска старой конструкции не может быть применено ввиду того, что его наружный диаметр слишком велик. Таким образом, возникает необходимость в разработке устройств для впрыска новой конструкции, таких, которые были бы способны гарантировать качество разбрызгивания по меньшей мере не худшее, чем в случае использования устройств старой конструкции, но которые вместе с тем могли бы быть размещены в пространствах небольшого объема, то есть имели бы определенные ограничения по наружному диаметру.

Кроме того, учитывая тот факт, что аэромеханическая форсунка имеет определенные преимущества, было бы предпочтительно сохранить этот тип форсунок, для чего потребуется принятие в устройствах для впрыска дополнительных ограничений по его внутреннему диаметру, причем указанный внутренний диаметр должен быть достаточно велик, чтобы внутри рассматриваемого устройства можно было разместить аэромеханическую форсунку.

В связи с необходимостью уменьшить имеющиеся в распоряжении конструкторов габаритные размеры устройства для впрыска в радиальном направлении возникает необходимость обеспечить достаточное сечение для прохождения воздуха под давлением через различные отверстия устройства для впрыска, во всяком случае, необходимость обеспечить такое сечение, размер которого был бы эквивалентен тому, который применяется в устройствах старой конструкции и позволяет преобразовывать топливо в пар таким образом, чтобы гарантировалось высокое качество разбрызгивания.

Задачей предлагаемого изобретения является, таким образом, реализация таких устройств для впрыска, в которых бы выполнялись указанные выше требования.

Предлагаемое изобретение позволяет решить эту задачу за счет применения устройства для впрыска, конструкция, геометрия и система подачи воздуха под давлением в котором таковы, что его наружный диаметр оказывается значительно уменьшенным по сравнению с аналогичными устройствами старых конструкций, причем при всем этом обеспечивается возможность применения аэромеханической форсунки и сохраняется эффективное значение сечения отверстий для прохождения воздуха под давлением, гарантирующее высокое качество разбрызгивания.

Более конкретно предлагаемое изобретение касается устройства для впрыскивания смеси воздуха под давлением и топлива в камеру сгорания турбомашины, причем устройство для впрыска имеет симметрично расположенную относительно продольной оси Y поверхность вращения и содержит расположенные в направлении от входа к выходу устройства вдоль оси истечения газов, а именно: скользящую крестовину, в центре которой установлена форсунка c кольцеобразной чашкой, поддерживающей в осевом направлении скользящую крестовину, внутренний радиальный завихритель потока воздуха, снабженный лопатками, направляющими воздух под давлением в сторону внутренней части устройства для впрыска, трубку Вентури, причем выходной торец указанного внутреннего радиального завихрителя потока воздуха соединен с барабаном, а скользящая крестовина содержит расположенные в направлении от входа к выходу: ссужающуюся коническую часть, переходящую в цилиндрическую часть и заканчивающуюся кольцеобразным фланцем, простирающимся в радиальном направлении в сторону периферии, причем барабан имеет наружную цилиндрическую перегородку, переходящую на выходе в диффузор, выходной торец которого снабжен фланцем в форме кольца, простирающимся в радиальном направлении в направлении периферии, причем диффузор барабана присоединен посредством соединительной перегородки в месте, расположенном непосредственно перед фланцем, к цилиндрическому кольцу, а само цилиндрическое кольцо и соединительная перегородка образуют совместно соединительный выступ, ориентированный в сторону входа в устройство. Подобное устройство для впрыска примечательно тем, что в наружной цилиндрической перегородке барабана вблизи входного торца наружной цилиндрической перегородки предусмотрен по меньшей мере один ряд завихряющих отверстий, причем соединительная перегородка соединительного выступа барабана снабжена рядом охлаждающих отверстий, ось которых наклонена под углом γ к оси Y устройства для впрыска.

Предпочтительно, чтобы был предусмотрен по меньшей мере один ряд продувочных отверстий в теле скользящей крестовины в месте присоединения ее цилиндрической части к кольцеобразному фланцу.

Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что оси продувочных отверстий наклонены под углом α1 к оси устройства для впрыска, причем указанный угол α1 находится предпочтительно в диапазоне от 0 до 4 градусов.

Оси продувочных отверстий могут быть также наклонены по касательной к цилиндрической перегородке скользящей крестовины под углом β1 к оси устройства для впрыска. Предпочтительно, чтобы указанный угол β1 находился в диапазоне от 0 до 60 градусов.

Продувочные отверстия и лопатки внутреннего радиального завихрителя потока воздуха могут быть выполнены ко-ротационными.

Предпочтительно, чтобы внутренний радиальный завихритель потока воздуха содержал некоторое количество лопаток n, а в скользящей крестовине было предусмотрено определенное количество продувочных отверстий, причем количество этих отверстий является производной величиной от вышеуказанной величины n. В силу этого обстоятельства представляется целесообразным разместить указанные продувочные отверстия между упомянутыми лопатками.

Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что оси завихряющих отверстий наклонены под углом α2 к оси устройства для впрыска, причем угол α2 предпочтительно должен находиться в диапазоне от 30 до 90 градусов.

Оси завихряющих отверстий также могут быть наклонены по касательной к наружной цилиндрической перегородке барабана под углом β2 к оси устройства для впрыска. Предпочтительно, чтобы угол β2 находился в диапазоне от 0 и 90 градусов. Завихряющие отверстия и лопатки внутреннего радиального завихрителя потока воздуха могут быть выполнены ко-ротационными или контр-ротационными.

Предпочтительно, чтобы выходной торец охлаждающих отверстий был расположен напротив половины высоты фланца барабана и практически на ее уровне.

Предпочтительно, чтобы трубка Вентури имела внутреннюю поверхность, состоящую из первой сужающейся поверхности, присоединенной ко второй расширяющейся поверхности с использованием радиуса сопряжения, причем чтобы первая сужающаяся поверхность представляла собой коническую поверхность вращения, ось которой совпадает с осью устройства для впрыска. Вторая расширяющаяся поверхность трубки Вентури также может представлять собой коническую поверхность вращения, ось которой также будет совпадать с осью устройства для впрыска.

Предлагаемое изобретение касается также и камеры сгорания, в состав которой входят: внутренняя перегородка, наружная перегородка, дно камеры, причем указанная камера снабжена по меньшей мере с одним упомянутым выше устройством для впрыска.

И, наконец, предлагаемое изобретение касается газотурбинного двигателя, снабженного подобной камерой сгорания.

Предлагаемое изобретение станет более понятным, а другие его преимущества станут более очевидными после ознакомления с приведенным ниже предпочтительным вариантом осуществления рассматриваемого изобретения, приведенным в качестве одного из возможных примеров, не носящего ограничительного характера и проиллюстрированного прилагаемыми фигурами, в числе которых

Фиг.1 представляет в схематическом виде разрез газотурбинного двигателя, а более конкретно турбореактивного двигателя самолета;

Фиг.2 представляет чертёж общего вида устройства для впрыска согласно предлагаемому изобретению;

Фиг.3 представляет в схематическом виде разрез устройства для впрыска согласно предлагаемому изобретению;

Фиг.4 иллюстрирует схематически вид сверху на устройство для впрыска согласно предлагаемому изобретению;

Фиг. 5 иллюстрирует в схематическом виде разрез устройства для впрыска согласно первому варианту предлагаемого изобретения;

Фиг.6 иллюстрирует схематически вид сверху и в разрезе устройства для впрыска согласно первому варианту предлагаемого изобретения;

Фиг.7 представляет вид сзади на часть устройства для впрыска согласно предлагаемому изобретению;

Фиг.8 иллюстрирует схематически вид сверху на устройство для впрыска согласно предлагаемому изобретению;

Фиг.9 иллюстрирует разрез части устройства для впрыска согласно предлагаемому изобретению;

Фиг.10 предлагает вид в разрезе другой части устройства для впрыска согласно предлагаемому изобретению.

На фиг.1 показан вид в разрезе узла газотурбинного двигателя 1, например турбореактивного двигателя самолета, включающего в себя компрессор низкого давления 2, компрессор высокого давления 3, камеру сгорания 4, турбину низкого давления 5 и турбину высокого давления 6. Камера сгорания 4 может быть кольцеобразного типа и ограничиваться двумя кольцеобразными перегородками 7, расположенными радиально по отношению к продольной оси Х турбореактивного двигателя и присоединенными своими входными торцами ко дну кольцеобразной камеры 8. Дно камеры 8 содержит множество отверстий (не представленных на фигуре), равномерно расположенных вдоль окружности. Внутри каждого из этих отверстий смонтировано устройство для впрыска. Газы сгорания истекают из выходной части камеры сгорания 4 и поступают затем в турбины 5 и 6, которые приводят во вращение соответственно компрессоры 2 и 3, расположенные перед дном камеры 8, посредством соответственно двух валов 9 и 10. Компрессор высокого давления 3 снабжает воздухом устройства для впрыска, а также две кольцеобразные полости, расположенные радиально, соответственно внутри и снаружи камеры сгорания 4. Воздух, вводимый в камеру сгорания 4, принимает участие в превращении топлива в пар и в сжигании последнего. Воздух, циркулирующий внутри перегородок камеры сгорания 2, принимает участие в охлаждении этих перегородок и проникает в камеру сгорания через отверстия разбавления (не представленные на фигуре) с целью охлаждения газов сгорания, поступающих в турбину.

На фиг.2 дан чертёж общего вида устройства для впрыска 20 согласно предлагаемому изобретению.

Устройство для впрыска 20 расположено симметрично по отношению к оси вращения Y. Оно содержит расположенные в направлении от входа к выходу: скользящую крестовину 30, в центре которой установлена форсунка 40 (представленная на следующих фигурах), кольцеобразную чашку 50, поддерживающую в осевом направлении скользящую крестовину 30 и связывающую ее с внутренним радиальным завихрителем потока воздуха 60, причем внутренний радиальный завихритель потока воздуха 60 присоединен своей выходной частью к барабану 70.

Как это показано на фиг.3, которая иллюстрирует в схематическом виде разрез устройства для впрыска согласно предлагаемому изобретению, скользящая крестовина 30 состоит из входной сужающейся конической части 31, переходящей в цилиндрическую часть 32 с осью вращения Y, причем эта цилиндрическая часть снабжена на своем выходном конце кольцеобразным фланцем 33, простирающимся радиально в направлении периферии. Коническая сужающаяся часть 31 наклонена приблизительно под углом в 45° по отношению к оси Y и служит для направления форсунки 40 в процессе ее монтажа в устройстве для впрыска. Удержание кольцеобразной чашкой 50 в осевом направлении скользящей крестовины обеспечивается на уровне расположения кольцеобразного фланца 33. Кольцеобразная чашка 50 содержит кольцеобразный фланец 51, простирающийся радиально в направлении периферии. Его наружный радиально расположенный торец завершается цилиндрическим кольцеобразным выступом 52 с осью вращения Y, направленным в сторону выходной части устройства. Кольцеобразная чашка 50 присоединена к внутреннему радиальному завихрителю потока воздуха 60 посредством его кольцеобразного выступа 2. Указанный кольцеобразный выступ 52 присоединен посредством, например, пайки к выступу 61 соответствующей формы, расположенному на входном наружном торце внутреннего радиального завихрителя потока воздуха 60. Между кольцеобразным фланцем 51 и внутренним радиальным завихрителем потока воздуха 60 может быть предусмотрено в осевом направлении свободное пространство для перемещения в радиальном направлении скользящей крестовины. Указанное свободное пространство для перемещения указанной крестовины позволяет компенсировать относительные перемещения, возникающие в процессе работы газотурбинного двигателя между форсункой 40 и устройством для впрыска. Внутренний радиальный завихритель потока воздуха 60 присоединен своим выходным торцом к барабану 70.

В приводимом здесь примере барабан 70 имеет кольцеобразный фланец 71, простирающийся в радиальном направлении в сторону периферии. Кольцеобразный фланец 71 присоединяет первую внутреннюю перегородку 72, называемую также трубкой Вентури, ко второй наружной цилиндрической перегородке 73 с осью вращения Y, причем соединяет указанные перегородки посредством соответствующих входных торцов последних. Задняя часть второй наружной цилиндрической перегородки 73 заканчивается диффузором 74. Выходной торец указанного диффузора 74 снабжен фланцем 75. Фланец 75 имеет форму кольца, простирающегося в радиальном направлении в сторону периферии. Непосредственно перед фланцем 75 соединительная перегородка 76 соединяет диффузор 74 с цилиндрическим кольцом 77 с осью вращения Y. Соединительная перегородка 76 может быть перпендикулярна оси вращения Y устройства охлаждения или наклонена таким образом, чтобы диаметр ее входного торца превышал диаметр выходного торца. Барабан 70 присоединен к дефлектору (не представленному на фигуре) посредством своего цилиндрического кольца 77. Цилиндрическое кольцо 77 и соединительная перегородка 76 образуют соединительный выступ, ориентированный в сторону входа в устройство, причем его наружный диаметр 78 соответствует наружному диаметру устройства для впрыска 20 и определяет собой габариты последнего в радиальном направлении.

Для обеспечения подачи воздуха под давлением в устройство для впрыска в последнем предусмотрены различные отверстия.

Подача сжатого воздуха начинается в месте расположения скользящей крестовины 30. С этой целью предусмотрено использование как минимум одного ряда продувочных отверстий 34, располагаемых в месте нахождения радиуса сопряжения цилиндрической части 32 с кольцеобразным фланцем 33. Указанные продувочные отверстия 34 могут быть выполнены методом сверления. Выходной торец этих отверстий 34 расположен таким образом, чтобы обеспечивалась возможность его установки внутри круга, диаметр которого был бы меньше внутреннего диаметра 63 радиального завихрителя потока воздуха 60. Оси указанных отверстий могут быть наклонены под углом α1 и/или под углом β1 по отношению к касательной к цилиндрической части 32. Когда продувочные отверстия 34 наклонены под тем или иным углом, предпочтительные значения этих углов находятся в диапазоне от 0 до 45° в случае наклона в осевом направлении и от 0 до 60° в случае тангенциального наклона осей отверстий. Углы α1 и β1 приведены на фиг. 3 и 4, причем на фиг. 4 схематически представлен вид сбоку на устройство для впрыска согласно предлагаемому изобретению. Наклон отверстий в осевом направлении под углом α1 позволяет контролировать процесс истечения воздуха, уменьшить риск коксования продуктов сгорания на поверхности выходного торца форсунки 40 и уменьшить габаритные размеры устройства для впрыска в радиальном направлении, что позволяет в свою очередь оптимизировать и сделать более эффективным сечение для прохождения воздуха. Наклон осей отверстий под углом α1 позволяет помимо прочего улучшить возможности контроля за аэродинамикой барабана. В частности указанный наклон оси отверстий позволяет улучшить возможности контроля за расположением передней границы зоны рециркуляции, начинающейся непосредственно за форсункой. Тангенциальный наклон отверстий под углом β1 позволяет улучшить процесс превращения топлива в пар за счет создания турбулентного режима истечения последнего, а также оптимизировать величину эффективного сечения в местах прохождения воздуха. Указанный тангенциальный наклон позволяет помимо прочего еще и увеличить за счет применения дополнительного завихрения интенсивность завихрения топлива в зоне, расположенной непосредственно за форсункой.

В приведенном здесь примере продувочные отверстия 34 получены методом сверления, однако они могли быть выполнены также и в форме канавок 35, располагаемых на внутренней поверхности цилиндрической части 32, как это показано на фиг.5. В последнем случае канавки 35 могут быть выполнены вдоль оси цилиндрической перегородки 32, или под углом β1 к касательной к внутренней поверхности цилиндрической перегородки 32, как это показано на фиг.6.

Подача воздуха продолжается и в месте расположения внутреннего радиального завихрителя потока воздуха 60. Как это показано на фиг. 3 и 7, внутренний радиально расположенный завихритель 60 содержит лопатки 62, направляющие воздух под давлением в сторону расположения внутренней части устройства для впрыска, а более конкретно в сторону расположения заднего торца форсунки 40. Указанные лопатки не ориентированы радиально, но имеют тем не менее тангенциальный наклон, обеспечивающий приведение воздуха под давлением во вращение, что позволяет в свою очередь создать турбулентное истечение топлива и улучшить его превращение в пар. В предпочтительном варианте изобретения завихритель потока воздуха 60 и продувочные отверстия 34 выполнены ко-ротациоными, что означает, что воздух под давлением, покидающий как продувочные отверстия 34, так и лопатки 62, приводится во вращение в одном направлении. Настоящим преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что число продувочных отверстий 34 является производной величиной от числа лопаток 62. В связи с этим представляет интерес разместить продувочные отверстия 34 между лопатками 62 завихрителя потока воздуха 60. В самом деле, подобное расположение позволяет уменьшить размеры радиально расположенного пространства, необходимого, например, для сверления этих отверстий. Таким образом, для одного и того же внутреннего диаметра и, следовательно, для форсунки одного и того же диаметра наружный диаметр завихрителей потока воздуха 60 может быть уменьшен.

Воздух под давлением вводится также и на уровне второй наружной цилиндрической перегородки 73 барабана 70. В соответствии с ранее существовавшей практикой было принято располагать на выходе внутреннего радиального завихрителя потока воздуха 60 наружный радиальный завихритель потока воздуха. Внутренний радиальный завихритель потока воздуха 60 подает воздух внутрь трубки Вентури 72, тогда как наружный радиальный завихритель потока воздуха подает воздух в пространство между трубкой Вентури и второй наружной цилиндрической перегородкой барабана. При этом следует отметить, что габаритные размеры наружного завихрителя потока воздуха в радиальном направлении оказывают определенное влияние на габаритные размеры в радиальном направлении устройства для впрыска, причем увеличивают эти размеры в такой мере, которую нельзя признать незначительной.

Как это показано, в частности, на фиг. 3 и 4, устройство для впрыска согласно предлагаемому изобретению содержит на второй наружной цилиндрической перегородке 73 барабана 70 по меньшей мере один ряд завихряющих отверстий 79. Указанные завихряющие отверстия 79 расположены поблизости от входного торца второй наружной цилиндрической перегородки 73. Оси указанных отверстий могут быть наклонены, причем таким образом, что будут образовывать угол α2 с осью Y. В предпочтительном варианте изобретения угол α2 находится в диапазоне от 30 до 90 градусов. Как это показано на фиг.8, завихряющие отверстия могут также быть наклонены под углом β2 к касательной ко второй цилиндрической перегородке 73. Завихряющие отверстия 79 играют ту же роль, что и наружный радиальный завихритель потока воздуха. Указанные отверстия могут быть или не могут быть выполнены ко-ротационными и иметь внутренний радиальный завихритель потока воздуха 60 и продувочные отверстия 34. В том случае, когда завихряющие отверстия 79 выполнены ко-ротационными и снабжены внутренним радиальным завихрителем потока воздуха 60, угол β2 в предпочтительном варианте изобретения выбирается в диапазоне от 0 до 90 градусов. Наличие указанных отверстий позволяет, с одной стороны, обеспечить подачу охлаждающего воздуха к трубке Вентури 73, а с другой стороны, предупредить возникновение любого явления, способного привести к отрыву воздуха от поверхности диффузора 74 барабана 70 за счет подачи воздуха в зону, расположенную непосредственно за трубкой Вентури. В самом деле, наличие завихряющих отверстий 79 позволяет в условиях наличия небольших габаритов в радиальном направлении создавать эффект завихрения потока воздуха в указанном направлении. С той же целью указанным отверстиям придается меньшее эффективное сечение для прохождения воздуха под давлением, что позволяет подавать последний с расходом, меньшим по сравнению с тем, который необходим для питания радиального завихрителя потока воздуха, что в свою очередь оказывает положительное влияние на работу всей турбомашины.

Подача воздуха под давлением в устройство для впрыска завершается в месте расположения диффузора 74 барабана 70, в котором выполняются известным способом отверстия 80.

В месте расположения барабана 70 фланец 75 находится под непосредственным воздействием тепла, выделяемого открытым пламенем, и по этой причине должен охлаждаться. Известные классические способы охлаждения указанных узлов предусматривают охлаждение фланца 75 посредством охлаждающих отверстий 81. Как правило, указанные охлаждающие отверстия 81 выполняются таким образом, чтобы их оси были параллельны оси вращения Y устройства для впрыска и чтобы они пересекали в направлении от входа к выходу соединительную перегородку 76 барабана 70 таким образом, чтобы струя воздуха под давлением падала на фланец 75 в его срединной зоне. Фланец 75 направляет затем воздух вдоль дефлектора (не представленного на фигуре), создавая, таким образом, на его поверхности необходимую охлаждающую пленку.

В целях дополнительного уменьшения габаритных размеров барабана 70 в радиальном направлении, а также, следовательно, и всего устройства для впрыска охлаждающие отверстия 81 согласно предлагаемому изобретению могут быть выполнены, как это показано на фиг.9, непосредственно в месте расположения радиуса сопряжения соединительной перегородки 76 с цилиндрическим кольцом 77 и могут иметь наклонную ось симметрии. Ось охлаждающих отверстий 81 будет образовывать в этом случае угол γ с осью Y. Угол γ должен быть таким, чтобы струя воздуха ударялась о срединную зону фланца 75. В предпочтительном варианте изобретения угол γ находится в диапазоне от 0 до 60°. Выполнение указанных условий позволяет уменьшить наружный диаметр цилиндрического кольца 77 и, кроме того, направить соответствующим образом воздух на охлаждение фланца и дефлектора.

Несмотря на снижение габаритных размеров, устройство для впрыска 20 должно выполнять те же функции, что и любое подобное устройство, применяемое ранее, например, выполнять такие функции, как обеспечение качественного разбрызгивания топлива, а также соответствовать и определенным требованиям, предъявляемым к подобным устройствам, например, должна быть исключена возможность подъема топлива к месту входа в устройство для впрыска, в частности к месту расположения радиального завихрителя потока воздуха 60. В этой связи помимо приведенных выше усовершенствований конструкции устройства для впрыска, позволяющих уменьшить габаритные размеры последнего в радиальном направлении и оптимизировать процесс разбрызгивания топлива, представляет безусловно интерес и соответствующим образом изменить геометрию трубки Вентури 72.

В примерах, приведенных на фигурах, трубка Вентури входит в состав барабана 70. Тем не менее, и не ставя под сомнение разъяснения, которые были сделаны выше, представляется целесообразным присоединить указанную трубку к завихрителю потока воздуха 60. Такое техническое решение проиллюстрировано, например, на фиг.10. На указанной фигуре трубка Вентури 72 присоединена своей входной частью к завихрителю потока воздуха 60. Ее внутренняя поверхность содержит первую сужающуюся поверхность 72а, присоединенную ко второй расширяющейся поверхности 72b посредством радиуса сопряжения 72c. Форсунка 40 направляет в устройство для впрыска конусообразную струю топлива 41, которая в зависимости от того, в какой конкретной рабочей точке цикла функционирует в данный момент газотурбинный двигатель, то есть, в частности, в зависимости от конкретного режима его вращения турбомашины, ударяется или не ударяется о трубку Вентури 72. В случае функционирования газотурбинного двигателя в тех рабочих точках цикла, в которых происходит удар конусообразной струи топлива 41 по трубке Вентури, когда струя топлива сталкивается с внутренней поверхностью трубки Вентури, указанная струя не должна отскакивать в сторону завихрителя потока воздуха 60. Для этого необходимо, чтобы угол δ, образовавшийся между конусообразной струей топлива 41 и конической сужающейся поверхностью 72b был тупым. Для обеспечения поддержания указанного тупого угла и одновременного ограничения габаритных размеров трубки Вентури необходимо, чтобы сужающаяся поверхность 72a представляла собой коническую поверхность вращения с осью вращения Y. Преимуществом рассматриваемого изобретения является то, что расширяющаяся поверхность 72b также образует конус с поверхностью вращения.

Вместе с тем, для обеспечения направления воздушной струи, выходящей из завихрителя потока воздуха 60, в нужную сторону входная 64 и выходная 65 боковые перегородки располагаются на продолжении лопаток 62 завихрителя потока воздуха 60, на уровне расположения их внутренних торцов. Соединение между собой выходной боковой перегородки 6 и сужающейся поверхности 72a выполняется за счет нарушения угла падения с тем, чтобы исключить возможность попадания топлива в завихритель потока воздуха 60 за счет действия капиллярного эффекта.

Весь комплекс усовершенствований согласно предлагаемому изобретению позволяет получить при одном и том же наружном диаметре форсунки устройство для впрыска с уменьшенными габаритными размерами при сохранении высокого качества разбрызгивания и соблюдении требований по исключению возможности подъема топлива, в частности в радиальный завихритель потока воздуха.

Устройство для впрыска смеси воздуха под давлением и топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя выполнено симметричным относительно оси (Y) и содержит расположенные в направлении от входа к выходу в направлении истечения газов скользящую крестовину, в центре которой установлена форсунка, кольцеобразную чашку, поддерживающую в осевом направлении скользящую крестовину, внутренний радиальный завихритель потока воздуха, трубку Вентури. Завихритель потока воздуха снабжен лопатками, направляющими воздух под давлением в сторону расположения внутренней части устройства для впрыска. Внутренний радиальный завихритель потока воздуха присоединен своим выходным торцом к барабану. Скользящая крестовина содержит расположенные в направлении от входа к выходу коническую сужающуюся часть, переходящую в цилиндрическую часть, соединенную с кольцеобразным фланцем, простирающимся радиально в направлении периферии. Барабан содержит наружную цилиндрическую перегородку, содержащую входной и выходной торцы. Наружная цилиндрическая перегородка переходит в месте расположения его выходного торца в диффузор, снабженный на выходе фланцем, имеющим форму кольца, простирающегося радиально в направлении периферии. Диффузор барабана присоединен непосредственно перед фланцем с помощью соединительной перегородки к цилиндрическому кольцу. Цилиндрическое кольцо и соединительная перегородка образуют совместно соединительный выступ, ориентированный в сторону входа в устройство. По меньшей мере один ряд завихряющих отверстий выполнен в наружной цилиндрической перегородке барабана вблизи входного торца наружной цилиндрической перегородки. Соединительная перегородка соединительного выступа барабана снабжена рядом охлаждающих отверстий, оси которых наклонены под углом γ к оси (Y) устройства для впрыска. Оси завихряющих отверстий наклонены под углом α2 к оси (Y) устройства для впрыска. Изобретение направлено на уменьшение габаритных размеров устройства для впрыска топлива в радиальном направлении и на обеспечение высокого качества разбрызгивания. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство для впрыска смеси воздуха под давлением и топлива в камеру сгорания газотурбинного двигателя, выполненное симметричным относительно оси (У) и содержащее расположенные в направлении от входа к выходу в направлении истечения газов: скользящую крестовину 30, в центре которой установлена форсунка (40), кольцеобразную чашку (40), поддерживающую в осевом направлении скользящую крестовину (30), внутренний радиальный завихритель потока воздуха (60), снабженный лопатками (62), направляющими воздух под давлением в сторону расположения внутренней части устройства для впрыска (20), трубку Вентури (72), причем внутренний радиальный завихритель потока воздуха присоединен своим выходным торцом к барабану (70), при этом скользящая крестовина (30) содержит расположенные в направлении от входа к выходу: коническую сужающуюся часть (31), переходящую в цилиндрическую часть (32), соединенную с кольцеобразным фланцем (33), простирающимся радиально в направлении периферии, при этом барабан (70) содержит наружную цилиндрическую перегородку (73), содержащую входной и выходной торцы, причем наружная цилиндрическая перегородка (73) переходит в месте расположения его выходного торца в диффузор (74), снабженный на выходе фланцем (75), имеющим форму кольца, простирающегося радиально в направлении периферии, причем диффузор (74) барабана (70) присоединен непосредственно перед фланцем (75) с помощью соединительной перегородки (76) к цилиндрическому кольцу (77), причем указанное цилиндрическое кольцо (77) и соединительная перегородка (76) образуют совместно соединительный выступ, ориентированный в сторону входа в устройство, отличающееся тем, что по меньшей мере один ряд завихряющих отверстий (79) выполнен в наружной цилиндрической перегородке (73) барабана (70) вблизи входного торца наружной цилиндрической перегородки (73), при этом соединительная перегородка (76) соединительного выступа барабана (70) снабжена рядом охлаждающих отверстий (81), оси которых наклонены под углом γ к оси (Y) устройства для впрыска (20), а оси завихряющих отверстий (79) наклонены под углом α2 к оси (Y) устройства для впрыска (20).

2. Устройство по п.1,отличающееся тем, что как минимум один ряд продувочных отверстий (34) предусмотрен в скользящей крестовине в месте присоединения ее цилиндрической части (32) к ее кольцеобразному фланцу (33).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оси продувочных отверстий (34) наклонены под углом α1 к оси (Y) устройства для впрыска (20).

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что угол α1 находится в диапазоне от 0 до 45°.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оси продувочных отверстий (34) расположены по касательной по отношению к цилиндрической перегородке (32) скользящей крестовины под углом β1 по отношению к оси (Y) устройства для впрыска (20).

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оси продувочных отверстий (34) расположены по касательной по отношению к цилиндрической перегородке (32) скользящей крестовины под углом β1 по отношению к оси (У) устройства для впрыска (20).

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что угол β1 находится в диапазоне от 0 до 60°.

8. Устройство по одному из пп.5, 6 или 7, отличающееся тем, что продувочные отверстия (34) и лопатки (62) внутреннего радиального завихрителя потока воздуха (60) выполнены таким образом, что воздух, впрыскиваемый посредством этих отверстий и лопаток, имеет одно и то же направление вращения относительно оси симметрии устройства для впрыска.

9. Устройство по одному из пп.5, 6 или 7, отличающееся тем, что внутренний радиальный завихритель потока воздуха (60) содержит n лопаток (62), а скользящая крестовина (30) содержит определенное количество продувочных отверстий (34), которое представляет собой производную величину от числа n.

10. Устройство по одному из пп.5, 6 или 7, отличающееся тем, что продувочные отверстия (34) располагаются между лопатками (62).

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол α2 находится в диапазоне от 30 до 90°.

12. Устройство по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что оси завихряющих отверстий (79) наклонены по касательной к наружной цилиндрической перегородке (73) барабана (70) под углом β2 по отношению к оси (Y) устройства для впрыска (20).

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что угол β2 находится в диапазоне от 0 до 90°.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что завихряющие отверстия (79) и лопатки (62) внутреннего радиального завихрителя потока воздуха (60) выполнены таким образом, что воздух, впрыскиваемый посредством этих отверстий и лопаток имеет одно и то же направление вращения относительно оси симметрии устройства для впрыска.

15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что завихряющие отверстия (79) и лопатки (62) внутреннего радиального завихрителя потока воздуха (60) выполнены таким образом, что воздух, впрыскиваемый посредством этих отверстий и лопаток, имеет противоположное направление вращения относительно оси симметрии устройства для впрыска.

16. Устройство по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что выходной торец охлаждающих отверстий (81) расположен напротив и в значительной степени на уровне, соответствующем половине высоты фланца (75) барабана (70).

17. Устройство по п.12, отличающееся тем, что выходной торец охлаждающих отверстий (81) расположен напротив и в значительной степени на уровне, соответствующем половине высоты фланца (75) барабана (70).

18. Устройство по одному из пп.1-7, отличающееся тем, что внутренняя поверхность трубки Вентури (72) состоит из первой сужающейся поверхности (72а), присоединенной ко второй расширяющейся поверхности (72b) посредством радиуса сопряжения (72 с), при этом первая сужающаяся поверхность (72а) представляет собой коническую поверхность вращения, ось которой совмещена с осью устройства для впрыска (Y).

19. Устройство по п.12, отличающееся тем, что внутренняя поверхность трубки Вентури (72) состоит из первой сужающейся поверхности (72а), присоединенной ко второй расширяющейся поверхности (72b) посредством радиуса сопряжения
(72 с), при этом первая сужающаяся поверхность (72а) представляет собой коническую поверхность вращения, ось которой совмещена с осью устройства для впрыска (Y).

20. Устройство по п.18, отличающееся тем, что вторая расширяющаяся поверхность (72b) трубки Вентури (72) представляет собой коническую поверхность вращения, ось которой совмещена с осью устройства для впрыска (Y).

21. Камера сгорания, включающая в себя внутреннюю перегородку, наружную перегородку, дно камеры, отличающаяся тем, что она снабжена по меньшей мере одним устройством для впрыска согласно любому из пп.1-20.

22. Газотурбинный двигатель, снабженный камерой сгорания, согласно п.21 формулы изобретения.