КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2013 года по МПК F23R3/34 

Настоящее изобретение относится к области газотурбинных двигателей и направлено, в частности, на функционирование камер сгорания с целью улучшения, в частности, температурного профиля на выходе из камеры сгорания.

Газотурбинный двигатель, такой как двигатель, формирующий газы, приводящие в движение летательный аппарат, содержит средство сжатия поступающего в камеру сгорания воздуха, в которой воздух смешивается с топливом и сгорает. Образованные в камере сгорания газы проходят через рабочие колеса турбины, в которых происходит снижение давления газов, а затем их удаление. Турбины приводят в движение различные колеса компрессора, в том числе вентилятор турбореактивного двигателя. В летательном аппарате отбор мощности и сжатого воздуха происходит для выполнения многочисленных вспомогательных функций. В частности, отбор воздуха осуществляется в расположенном непосредственно после диффузора сжатого воздуха пространстве, выходящем в камеру сгорания.

Воздух удаляется через отверстия отбора, расположенные на корпусе камеры сгорания, в многочисленных точках этого кольцеобразного пространства.

Теперь на двигатель возлагается функция обеспечения летательного аппарата воздухом для осуществления широкого спектра задач, вплоть до работы на полную мощность. Такой отбор оказывает влияние на качество топлива.

В связи с этим на выходе камеры сгорания отмечается появление горячих точек. Анализ проблемы показал, что эти зоны повышенных температур располагаются в задней части, в спутном следе отверстий отбора. Явление связано с установкой всех топливных инжекторов вокруг оси. Действительно, процесс сгорания в кольцевой камере распадается на множество очагов горения, которые располагаются вслед за топливными инжекторами. Топливо впрыскивается в переднюю часть камеры инжекторами через отверстия, выполненные в основании камеры, а сгорание является результатом смешения воздуха, поступающего через эти отверстия, с топливом. Было отмечено, что отбор воздуха посредством отверстий отбора, поскольку они в необходимой степени локализованы, оказывал влияние на качество горения в очагах, расположенных сразу после этих отверстий отбора. Воздуха, удаляемого через эти отверстия отбора, не хватает для очагов горения, расположенных в этой же зоне. Из этого следует образование чрезмерной насыщенности топлива в этих зонах, что приводит к повышению температуры топочных газов, в связи с чем отмечается неоднородный температурный профиль после камеры.

Задача изобретения - улучшение температурного профиля газов на выходе из камеры сгорания и уменьшение горячих точек, которые ухудшают прочность конструктивных элементов, расположенных в этой зоне, в частности направляющих сопловых аппаратов высокого давления.

Согласно изобретению данная задача решается путем использования кольцевой камеры сгорания газотурбинного двигателя, которая содержит корпус, по меньшей мере, с одним отверстием отбора воздуха, расположенным на входе в камеру, устройство подачи топлива в камеру посредством множества топливных инжекторов, расположенных по окружности, при этом, по меньшей мере, один инжектор расположен рядом с данным отверстием отбора, отличающейся тем, что устройство подачи топлива содержит устройство подачи меньшего количества топлива в инжектор, расположенный рядом с отверстием отбора, по сравнению с другими топливными инжекторами.

Преимуществом предлагаемого в изобретении решения является возможность при помощи простого устройства добиться одинаковой насыщенности топливом по всех точках камеры сгорания. Из этого следует ограничение отмечаемых спутных следов и улучшение температурного графика в режиме работы на полную мощность. Следствием этого является повышение срока эксплуатации направляющих сопловых аппаратов высокого давления, установленных непосредственно после камеры сгорания.

Согласно другому отличительному признаку средство уменьшения количества подаваемого топлива устанавливается для подачи в инжектор, расположенный рядом с отверстием отбора воздуха, топлива меньше на 3-10%, чем в другие инжекторы.

Согласно одному варианту осуществления изобретения данное средство уменьшения количества подаваемого топлива является мембраной в питательной линии инжектора.

Согласно другому варианту осуществления изобретения топливные инжекторы содержат питательные линии для работы в режиме малого газа и питательные линии для работы в режиме на полную мощность с устройством управления подачи в питательную линию, обеспечивающую работу на полную мощность, при этом средство уменьшения количества подаваемого топлива установлено для оказания воздействия на данное средство управления.

В частности, устройством управления является заслонка клапана, возвращаемая в исходное положение пружиной, при этом средство уменьшения количества подаваемого топлива образовано пружиной, обладающей определенным коэффициентом упругости.

Согласно другому варианту осуществления изобретения устройство подачи содержит коллектор, с которым соединены отдельные питательные линии инжекторов, при этом питательная линия инжектора, расположенного рядом с отверстием отбора, управляется посредством клапана, положение которого определено таким образом, чтобы обеспечивалась подача меньшего количества топлива по сравнению с другими инжекторами.

Другие отличительные признаки и преимущества станут яснее после изучения прилагаемого описания способов осуществления изобретения, которые не носят ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежа, на которых:

Фиг.1 изображает выполненный в осевом разрезе вид половины камеры сгорания газотурбинного двигателя;

Фиг.2 изображает кольцевую камеру сгорания двигателя со стороны поступления воздуха в направлении задней части относительно движения потока газов;

Фиг.3 - инжектор аэромеханического типа с двумя параллельными трубками подачи топлива;

Фиг.4 - инжектор с одной трубкой подачи топлива;

Фиг.5 изображает вариант осуществления изобретения.

На фиг.1 изображен в разрезе частичный вид половины камеры сгорания 11 турбореактивного двигателя 10 самолета. Камера сгорания, имеющая в целом кольцевую геометрическую форму, содержит основание 12 камеры с отверстиями, внутри которых располагаются распылительные головки 14 определенного количества инжекторов 15, закрепленных на корпусе 16, окружающем камеру сгорания. Инжекторы 15 равномерно размещены по окружности. Сжатый воздух, который подается из компрессора высокого давления, расположенного в передней части (не показан), поступает в корпус через кольцеобразный диффузор 18. Направляющими листами 19, которые покрывают основание камеры 12, горячий воздух разделяется на два потока, при этом один поток проходит сквозь корпус 16, огибая камеру сгорания 11, перед тем как попасть в ее заднюю часть, а другой поток поступает в камеру сгорания через отверстия между направляющим листом и отверстиями основания камеры 12, после чего смешивается с топливом, которое посредством распылительных головок впрыскивается в камеру сгорания. Топливо воспламеняется в результате замыкания свечи зажигания 17, расположенной в углу конуса, распыляющего топливо, что приводит к образованию газов, подаваемых в турбину высокого давления, расположенную в задней части (не показана). Каждый инжектор 15 содержит рукав инжектора, удерживающего и обеспечивающего подачу в распылительную головку 14. Рукав изогнут таким образом, чтобы он мог удерживать распылительную головку в положении, перпендикулярном основанию камеры. В конструкции камеры сгорания, к которой применимо предлагаемое изобретение, отверстия 20 отбора воздуха выполняются в корпусе 16. Отверстия отбора воздуха соединены с кольцевой зоной, расположенной между диффузором 18 и направляющими листами 19.

На фиг.2 изображена камера сгорания, расположенная соосно с двигателем, от входа к выходу согласно направлению движения потока газов. Инжекторы 15 равномерно располагаются вокруг камеры. В данном случае они образованы трубками 151, соединенными индивидуальными регуляторами подачи 152 с кольцевым трубопроводом 153, по которому топливо распределяется по трубкам 152, обеспечивающим подачу топлива в различные инжекторы. Инжекторы располагаются в предназначенных для каждого из них отверстиях, выполненных в листах 19, для подачи топлива внутрь камеры сгорания. На данной фигуре чертежа изображена трубка отбора 21, которая включает в себя два участка трубки 21а и 21b, каждый из которых соединен соответственно с отверстиями отбора 20а и 20b, которые оба выполнены на корпусе камеры сгорания. Два участка трубки соединяются в одну трубку 21, которая направляет удаляемый воздух в различные зоны применения.

На данной фигуре чертежа отчетливо видно, что два отверстия 20а и 20b располагаются непосредственно перед определенной частью инжекторов. В данном случае речь идет об инжекторах 15а и 15b, с одной стороны, и инжекторах 15с и 15d, с другой стороны. Поступающий из диффузора 18 воздух образует кольцеобразный поток, который подразделяется на потоки первичного воздуха, попадающие в каждое из отверстий 19а обтекателя 19 на входе в камеру 11 и с которыми соединены инжекторы 15. В процессе работы топливо, подаваемое каждым из инжекторов, смешивается с потоком первичного воздуха и образует такое же количество очагов горения, которые рассредоточены по окружности.

Поскольку подача топлива в инжекторы осуществляется одним и тем же способом из общей топливной системы, качество горения в каждом из очагов зависит от соотношения количества топлива и первичного воздуха. В частности, отбор воздуха через отводящие отверстия 20а и 20b приводит к изменению соотношения воздуха и топлива в зоне после инжекторов 15а, 15b и 15c, 15d. Возникающая в результате этого чрезмерная насыщенность топлива выражается в более высокой температуре топочных газов в очагах горения, которые взаимосвязаны с этими инжекторами, чем в других очагах. Из этого следует кольцеобразный температурный профиль после камеры сгорания, который содержит более горячие точки.

Согласно предлагаемому изобретению данная проблема решается путем уменьшения подачи топлива в вышеупомянутые инжекторы, который позволяет добиться того, чтобы соотношение воздух/топливо было аналогичным, как и в других очагах.

Необходимые для решения этой задачи средства приведены в соответствие с устройствами впрыска.

Как это известно, инжекторы обеспечивают подачу топлива в камеру сгорания во время запуска двигателя и его нормальной работы. В основном существуют два типа инжекторов, а именно: так называемые «аэромеханические» инжекторы, разработанные для двух топливных систем (первичная и вторичная схемы подачи топлива), которые зависят от режимов работы двигателя (пуск, переход от работы в режиме холостого хода к работе на полную мощность), и так называемые «аэродинамические» инжекторы, которые содержат только одну топливную систему, используемую на всех режимах работы.

В случае применения аэромеханического двухсоплового устройства инжектор содержит рукав, который крепится к корпусу камеры сгорания и завершается распылительной головкой. Пример аэромеханического устройства впрыска изображен на фиг.3. Каждый рукав 151 содержит, например, две трубки, как и в устройстве, описание которого приведено в патенте ЕР 1770333 от имени заявителя, в том числе первую внешнюю трубку 24, вокруг которой располагается защитный кожух 25, и вторую внутреннюю трубку 26, устанавливаемую соосно во внешней трубке таким образом, чтобы образовались два коаксиальных канала, в том числе центральный канал 28, ограниченный данной внутренней трубкой, и периферийный, имеющий кольцеобразное сечение канал 29, располагаемый вокруг центрального канала и ограниченный двумя, внутренней и внешней, трубками 24, 26. Каждый рукав инжектора 151 соединен с двумя топливными системами, что позволяет привести подачу топлива в соответствие с различными рабочими режимами двигателя. Выделяется первичный контур подачи топлива для работы в режиме торможения и на малой мощности, в которых подача топлива осуществляется в малых количествах и постоянно независимо от режима работы двигателя, и вторичный контур подачи топлива, в котором количество подаваемого топлива в основном меняется от малых, даже нулевых, до максимальных значений.

Два топливных канала 28 и 29 соединены, например, с дозатором 152, описание типа которого приведено в патенте FR 2540186 или также ЕР 1209338.

При помощи насоса топливо подается под давлением в устройство 152 через впускной топливозаборник 31. Этот заборник соединен с запорным клапаном 32, который открывается, когда давление топлива превышает первый порог, и остается открытым во время работы двигателя. После запорного клапана топливо непрерывно подается по переходному каналу 32а к первому каналу 28, вплоть до распылительной головки. Управление другой частью топлива, образующей вторичный поток, осуществляется посредством дозирующего клапана. Таким образом, вторичный поток контролируется устанавливаемым после запорного клапана 32 дозирующим клапаном 34, который предназначен для открывания и дозировки топлива после достижения давления, превышающего первый порог. После клапана 34 топливо подается по переходному каналу 34а до канала 29, откуда оно направляется к распылительной головке. Клапан 34 открывается в результате давления топлива на возвратную силу пружины 35.

Решения, базирующиеся на достигнутом уровне техники, направлены на регулировку вспомогательного дозирующего клапана топлива таким образом, чтобы количество подаваемого топлива было, по возможности, максимально одинаковым во всех инжекторах одной и той же камеры сгорания. В соответствии с изобретением осуществляется усовершенствование регулировки дозирующих клапанов, соединенных с инжекторами 15а-15d, таким образом, чтобы количество подаваемого в них топлива было меньше на определенную величину, а именно на 3-10%, по сравнению с количеством подачи в другие инжекторы камеры сгорания. В результате уменьшения количества подаваемого топлива снижается насыщенность топливной смеси в очагах горения, расположенных в районе отверстий отвода воздуха.

Средство регулировки дозирующих клапанов 34 заключается в регулировке пружин 35, которые с ними сопряжены.

Подача топлива в инжектор 15' аэродинамического типа, как это было показано на фиг.4, осуществляется, в частности, через дозирующий клапан, который устанавливается для открытия под определенным давлением подачи топлива и остается открытым в случае увеличения этого давления подачи для обеспечения подачи топлива, а затем его выброса к носику инжектора, на уровне которого топливо распыляется в камере сгорания.

В питательной линии 152' рукавов инжектора 151' определение количества подачи осуществляется посредством неподвижно установленной мембраны. Эти мембраны в обычном исполнении идентичны и обеспечивают подачу одинакового количества топлива в различные инжекторы. Такая мембрана изображена на фиг.4. Монотрубчатый рукав инжектора 15' соединен с трубопроводом подачи топлива, дозированное поступление в который осуществляется посредством заборника 40, содержащего мембрану 41, имеющую выверенные размеры сечения. Согласно изобретению выбирается мембрана, имеющая соответствующие выверенные размеры и позволяющая, чтобы количество топлива, поступающего в инжекторы 15'а-15'd, положение которых соответствует положению инжекторов 15а-15d, изображенных на фиг.2, было меньше, чем количество топлива, поступающего в другие инжекторы.

Согласно одному варианту осуществления изобретения топливные инжекторы 15а-15d или 15'-15'd снабжаются по каналам, отличающимся от каналов подачи топлива в другие инжекторы, которые управляются посредством электроклапанов или регулируемых клапанов.

Как это показано на фиг.5, трубопровод, по которому осуществляется подача топлива в инжекторы 15а-15d, управляется посредством электроклапана или клапана 50. Электроклапан принимает два возможных положения: положение открытия и положение ограниченного пропуска, позволяющее создать потерю нагрузки в соответствующем канале. Когда через отверстия отбора не производится отбор воздуха, электроклапан открыт. Совокупность инжекторов функционирует аналогичным образом. Когда происходит отбор, электроклапан находится в положении, обеспечивающем создание потери нагрузки в канале подачи топлива в инжекторы 15а-15d. В результате такой потери нагрузки происходит существенное уменьшение поступающего в инжекторы топлива.

В случае если порядок регулировки функционирования отбора носит более сложный характер, то устанавливается регулируемый клапан, который регулируется в зависимости от количества отбираемого воздуха с целью оптимизации выравнивания насыщенности инжекторов на всех этапах полета.

Представленные примеры не носят ограничительного характера, и возможны другие варианты осуществления изобретения. Таким образом, предлагаемое изобретение не ограничивается отбором посредством выполненных на корпусе двух отверстий, возможны другие варианты компоновки.

Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит: корпус, по меньшей мере, с одним отверстием отбора воздуха, которое размещается на входе в камеру; устройство подачи топлива в камеру. Устройство подачи топлива в камеру включает в себя множество расположенных по окружности инжекторов, среди которых, по меньшей мере, один расположен рядом с данным отверстием отбора. Устройство подачи топлива содержит средство уменьшения количества поступающего топлива в инжектор, расположенный рядом с отверстием отбора, чем другие топливные инжекторы. Изобретение позволяет уменьшить горячие точки в зоне после камеры сгорания, образуемые в результате отбора. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Кольцевая камера сгорания газотурбинного двигателя содержит: корпус, по меньшей мере, с одним отверстием отбора воздуха, которое размещается на входе в камеру; устройство подачи топлива в камеру, которое включает в себя множество расположенных по окружности инжекторов, среди которых, по меньшей мере, один расположен рядом с данным отверстием отбора, отличающаяся тем, что устройство подачи топлива содержит средство уменьшения количества поступающего топлива в инжектор, расположенный рядом с отверстием отбора, чем другие топливные инжекторы.

2. Камера сгорания по п.1, в которой вышеупомянутое средство уменьшения количества поступающего топлива устанавливается для подачи топлива в инжектор, расположенный рядом с отверстием отбора воздуха, меньше на 3-10%, чем в другие инжекторы.

3. Камера сгорания по п.1, в которой средство уменьшения количества подаваемого топлива является неподвижно установленной в питательной линии инжектора мембраной.

4. Камера сгорания по п.1, в которой топливные инжекторы содержат источник питания для работы в режиме холостого хода и источник питания для работы в режиме на полную мощность с устройством управления подачи в источник питания в режиме работы на полную мощность, при этом средство уменьшения количества подаваемого топлива установлено для оказания воздействия на данное средство управления.

5. Камера сгорания по п.4, в которой устройством управления является клапан, возвращаемый в исходное положение пружиной, при этом средство уменьшения количества подаваемого топлива образовано пружиной, обладающей заданным коэффициентом упругости.

6. Камера сгорания по п.1, в которой устройство подачи содержит коллектор, с которым соединены отдельные питательные линии инжекторов, при этом питательная линия инжектора, расположенного рядом с отверстием отбора, управляется посредством клапана, положение которого определено таким образом, чтобы сократить подачу топлива по сравнению с другими инжекторами.

7. Камера сгорания по п.6, в которой клапаном является электроклапан.

8. Камера сгорания по п.6, в которой клапан отрегулирован в зависимости от количества отбираемого воздуха.

9. Газотурбинный двигатель содержит камеру сгорания по любому из пп.1-8.