УСТРОЙСТВО ВПРЫСКИВАНИЯ И КАМЕРА СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ, ОБОРУДОВАННАЯ ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ ВПРЫСКИВАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F23K3/12 

Предлагаемое изобретение относится к устройству впрыскивания, выполненному с возможностью подавать соответствующую смесь воздуха и топлива, которая будет затем воспламеняться в камере сгорания газотурбинного двигателя. Предлагаемое изобретение относится также к камере сгорания, оборудованной таким устройством впрыскивания.

В каждой камере сгорания газотурбинного двигателя по меньшей мере одна форсунка обеспечивает подачу топлива, которое затем смешивается с воздухом в устройстве впрыскивания, закрепленном на донной стенке этой камеры сгорания. При этом воздух поступает из последней ступени компрессора газотурбинного двигателя и вводится в устройство впрыскивания кольцевым образом. Топливо вводится спереди по потоку при помощи сопла, сформированного на конце топливного трубопровода, и регулируется в направляющем устройстве центрирования, которым оборудовано устройство впрыскивания. При этом воздух и топливо смешиваются между собой, после чего эта смесь воспламеняется в камере сгорания для того, чтобы открыто произвести газообразные продукты сгорания.

Как это проиллюстрировано на фиг.1а, введение воздуха в устройство 1 впрыскивания классическим образом реализуется через завихритель 4, образованный двумя кольцевыми деталями 12 и 14, каждая из которых представляет ячейки 15 всасывания воздуха, распределенные по ее окружности. Кольцо удержания, или крышка 16, позволяет, путем присоединения при помощи сварки к передней по потоку, то есть по направлению течения топлива, детали 12, соединить трубку 17 впрыскивания топлива с упомянутыми содержащими ячейки деталями.

Эти содержащие ячейки детали 12 и 14 располагаются друг за другом в осевом направлении и соединены между собой при помощи сварки. Ячейки образуют множество щелей 15, которые проходят в радиальном направлении и располагаются на окружности каждой детали. Сварные швы 18 и 19, обеспечивающие соединение между этими деталями, образуют радиальные стенки для этих щелей 15. Упомянутые щели ориентированы, от одной детали к другой, вдоль двух направлений, образующих противоположные углы по отношению к любому радиусу, центрированному на оси. Воздушные вихри противоположного направления образуют в трубках Вентури слои воздуха, которые накладываются один на другой, и в которых частицы топлива будут смешиваться однородным образом, что благоприятствует формированию смеси воздуха с топливом.

Данное устройство впрыскивания содержит, таким образом, три кольцевых сварных шва, а именно сварные швы 18 и 19, присоединяющие каждую кольцевую деталь, и сварной шов 20, выполненный между кольцом 16 удержания и первой деталью 12. Реализация сварных швов, располагающихся наиболее близко к щелям 15, требует разработки специфических и достаточно дорогостоящих средств, предназначенных для того, чтобы ограничить деформацию щелей в процессе изготовления устройства.

Действительно, как это показано на фиг.1b, сварные швы с 18 по 20 устройства впрыскивания 1 оказываются трудными в реализации и не обладают воспроизводимым характером. В частности, сварные швы 18 и 19 могут деформировать щели, что неблагоприятным образом сказывается на течении потока воздуха.

Предлагаемое изобретение имеет задачей устранить эти недостатки и реализовать по существу более простое в изготовлении, более прочное и менее дорогостоящее устройство впрыскивания.

Для решения этой задачи в данном изобретении предлагается формировать детали с возможностью их вставления одна в другую, без необходимости выполнения сварного соединения между содержащими ячейки деталями.

Более конкретно, объектом предлагаемого изобретения является устройство впрыскивания смеси топлива с воздухом, имеющее в своем составе следующие центрированные на одной и той же оси элементы: завихритель, содержащий по меньшей мере две кольцевые детали, внутреннюю и наружную, обеспечивающие всасывание воздуха, направляющую центрирования и кольцо удержания, причем в этом устройстве упомянутые кольцевые детали представляют альвеолярные каналы, открывающиеся в две коаксиальные трубки Вентури, наружную и внутреннюю, образованные внутренними осевыми стенками. Эти детали монтируются коаксиальным образом, причем внутренняя деталь способна быть самоцентрирующейся в наружной детали в результате вхождения в механический контакт их осевых и радиальных стенок. Кольцо удержания, наружная деталь и внутренняя деталь соединены между собой при помощи сварки в одной и той же радиальной плоскости вдоль радиальных поверхностей, располагающихся против друг друга, причем кольцо удержания накрывает направляющую центрирования для того, чтобы удерживать ее в радиальном ложементе. Предпочтительным образом соединительный сварной шов делает внутреннюю деталь неподвижной по вращательному движению.

В соответствии с вариантами реализации предлагаемого устройства впрыскивания:

- воздушные каналы наружной детали равномерно распределяются на двух венцах перпендикулярно по отношению к оси, причем эти воздушные каналы одного венца могут быть ориентированы под углом противоположного направления или же под углом того же самого направления, по сравнению с углом ориентации воздушных каналов другого венца, по отношению к радиусу, исходящему из оси;

- углы ориентации противоположного направления имеют величину в диапазоне от ±20º до ±40º;

- каналы внутренней детали располагаются в продолжение каналов одного венца наружной детали и открываются во внутренней трубке Вентури, причем каналы другого венца наружной детали открываются в пространство, сформированное между внутренней и наружной трубками Вентури;

- каналы внутренней детали могут быть реализованы в продолжение каналов одного венца наружной детали после центрирования внутренней детали в наружной детали и их соединения при помощи сварки с кольцом удержания;

- каналы имеют поперечное сечение по существу одного и того же размера в по меньшей мере двух перпендикулярных направлениях, и, в частности, эти каналы являются цилиндрическими с круглым или квадратным поперечным сечением;

- количество каналов в венцах является идентичным, причем каналы одного венца смещены на половину шага между ними на периферийной части наружной детали;

- кольцо удержания представляет радиальную скошенную кромку, способную облегчить позиционирование внутренней детали на наружной детали;

- направляющая центрирования, которая принимает сопло впрыскивания топлива, является адаптируемой по положению в радиальном ложементе, сформированном между радиальной стенкой кольца удержания и радиальной стенкой внутренней детали в результате соответствующего определения размерных параметров кольца удержания и/или ободка, сформированного на направляющей центрирования.

Предлагаемое изобретение также относится к камере сгорания, оборудованной устройством впрыскивания определенного выше типа. Такая камера сгорания содержит кольцевую стенку и донную стенку, причем средства крепления упомянутого устройства впрыскивания располагаются в донной стенке камеры сгорания, которая представляет отверстие, предназначенное для прохождения сопла впрыскивания топлива, соединенного с направляющей центрирования.

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из описания примера его осуществления, приводимого со ссылками на приведенные в приложении чертежи, на которых:

- фиг.1а и 1b представляют собой виды в изометрии примера реализации устройства впрыскивания в соответствии с существующим уровнем техники, в процессе его изготовления и после завершения его изготовления (эти фигуры уже были прокомментированы выше);

- фиг.2 представляет собой вид в изометрии примера реализации устройства впрыскивания в соответствии с предлагаемым изобретением;

- фиг.3 представляет собой вид в продольном разрезе предшествующего примера реализации;

- фиг.4а и 4b представляют собой виды в разрезе по плоскостям YY и ZZ, показанным на фиг.3.

Термины "внутренний", "располагающийся с внутренней стороны" или эквивалентные им и термины "наружный", "располагающийся с наружной стороны" или эквивалентные им относятся, соответственно, к локализации эквивалентных частей элемента или элементов, располагающихся, соответственно, ближе всего или дальше всего от оси Х'Х симметрии. Термины "передний по потоку" и "задний по потоку" или эквивалентные им обозначают части элемента по отношению к направлению течения потока топлива в устройстве впрыскивания вдоль оси Х'Х.

Как это можно видеть на представленном на фиг.2 виде в изометрии примера реализации устройства впрыскивания в соответствии с предлагаемым изобретением, существует один единственный кольцевой соединительный сварной шов 30 между первой содержащей ячейки деталью 22 завихрителя 40, или так называемой наружной деталью, и кольцом 21 удержания устройства 2 впрыскивания. Вторая содержащая ячейки деталь 24 завихрителя 40, или так называемая внутренняя деталь, является коаксиальной по отношению к этой первой детали и формирует со стороны, ориентированной в направлении камеры сгорания 100, внутреннюю трубку Вентури 26, располагающуюся в отверстии 29 наружной трубки Вентури 28, сформированной внутренней стенкой первой детали 22. Ячейки детали 22 представляют собой цилиндрические каналы 25а и 25а', имеющие круглое поперечное сечение, равномерно распределенные вдоль двух кольцевых венцов С1 и С2 и ориентированные соответственно вдоль двух направлений, образующих два угла противоположного направления по отношению к любому радиусу, перпендикулярному к оси Х'Х симметрии устройства 2 впрыскивания. Количество каналов в каждом венце является идентичным, и эти каналы смещены на половину шага распределения этих каналов на наружной периферийной части детали 22.

Вид в продольном разрезе, представленный на фиг.3, иллюстрирует взаимное соединение между различными элементами, образующими это устройство 2 впрыскивания. Продольная стенка 220 наружной детали 22 обладает наружной поверхностью 22е, параллельной к оси Х'Х, и внутренней поверхностью 22i, параллельной, в ее передней по потоку части, к оси Х'Х, причем эта внутренняя поверхность стягивается, в ее задней по потоку части, к отверстию 29, ориентированному в направлении камеры 100 сгорания. Эта стягивающаяся часть образует наружную трубку Вентури 28.

Внутренняя поверхность 22i и наружная поверхность 22е наружной детали 22 в их передней по потоку части связаны между собой при помощи радиальной поверхности 22р, перпендикулярной к оси Х'Х. Вторая деталь 24, или внутренняя деталь, коаксиальная и концентрическая по отношению к наружной детали 22, обладает так называемой радиальной стенкой 241, перпендикулярной к оси Х'Х, и так называемой продольной стенкой 240, проходящей вдоль этой оси симметрии. Радиальная стенка 241 обладает задней по потоку поверхностью 24а, и продольная стенка 240 обладает наружной поверхностью 24е, располагающимися, соответственно, против поверхностей 22р и 22i детали 22. Каналы 25а первого венца детали 22 продолжаются каналами 25b, сформированными в продолжение этих первых каналов 25а. Эти каналы реализуются после осуществления соединения, когда две детали 22 и 24 завихрителя уже вставлены одна в другую при помощи их располагающихся против друг друга поверхностей и присоединены при помощи сварки к кольцу 21 удержания, что обеспечивает их точное выравнивание по одной линии.

Наружная поверхность 24е стенки 240 внутренней детали 24 остается против внутренней поверхности 22i наружной детали только в их передней по потоку части. В своей задней по потоку части стенка 240 не остается параллельной оси Х'Х, но стягивается в направлении этой оси для того, чтобы сформировать против своей внутренней поверхности 24i внутреннюю трубку Вентури 26 и сформировать, исходя из своей наружной поверхности 24е, межтрубочное пространство Е, располагающееся между двумя трубками Вентури 26 и 28. В это пространство Е открываются каналы 25а' второго венца детали 22.

Спереди по потоку радиальная стенка 241 накрыта кольцом 21 удержания, наружная кольцевая поверхность 21С которого проходит в продолжение наружной кольцевой поверхности 22е наружной детали 22 и параллельно оси Х'Х симметрии. Кольцо 21 удержания содержит кольцевую стенку 210 и радиальную стенку 211. Радиальный ложемент L определяется между радиальными стенками 211 и 241 и предназначен для размещения в нем ободка 27с направляющей 27 центрирования. Этот радиальный ложемент L имеет размеры, превышающие размеры ободка 27с в результате соответствующего определения размерных параметров радиальной стенки 211 и кольцевой стенки 210 кольца, так что направляющая 27 адаптируется в заданном положении в результате перемещения в плоскости этого ложемента L. Альтернативным образом, соответствующее определение размерных параметров ободка 27с направляющей 27 центрирования также позволяет предложить двойную степень свободы для этой направляющей.

В то же время, кольцевая стенка 210 предпочтительным образом представляет скошенную кромку 21С на внутренней поверхности для того, чтобы позиционировать деталь 24 на детали 22.

После соединения деталь 22 присоединяется при помощи сварки к кольцу 21 удержания и к внутренней детали 24 с использованием сварного шва 30, накладываемого в одной и той же радиальной плоскости Р между радиальной поверхностью 22р наружной детали 22, с одной стороны, и радиальными поверхностями 21а кольца 21 удержания и 24а внутренней детали 24, располагающимися против друг друга, с другой стороны. По меньшей мере одна из соединяемых при помощи сварки стенок предпочтительным образом имеет скошенную кромку для того, чтобы обеспечить реализацию этого сварного соединения. Внутренняя деталь 24 при этом является самоцентрирующейся на двух перпендикулярных стенках в результате ее вставления в первую деталь 22, и соединительный сварной шов 30 делает эту деталь неподвижной по вращательному движению.

Виды в разрезе устройства 2 впрыскивания, представленные на фиг.4а и 4b, иллюстрируют ориентацию противоположного направления двух совокупностей каналов 25а и 25b, с одной стороны, и каналов 25а', с другой стороны. На этих видах в разрезе также можно видеть наружную и внутреннюю детали 22 и 24, внутреннюю трубку Вентури 26, а также пространство Е, располагающееся между двумя трубками Вентури (см. фиг.4b). Углы А и А' противоположного направления, которые эти каналы формируют по отношению к радиусам R и R', проходящим через ось Х'Х симметрии и через центр каналов 25а и 25а' на периферийной части устройства 2 впрыскивания, имеют величину в диапазоне от ±20º до ±40º.

Затем это устройство впрыскивания закрепляется в камере сгорания, которая содержит кольцевую стенку и донную стенку. Средства крепления устройства впрыскивания располагаются в донной стенке камеры сгорания, которая представляет проходное отверстие для сопла впрыскивания топлива, подлежащего соединению с направляющей центрирования.

В процессе функционирования топливо подается в каждое устройство впрыскивания через сопло, находящееся в соединении с направляющей 27 центрирования (см. фиг.3), и воздух подается через кольцевые каналы. Так, например, при работе двигателя на максимальной мощности при взлетном режиме воздух поступает со скоростью 25 г/с, или примерно 245 м/с, и топливо поступает со скоростью 5 г/с, или примерно 50 м/с. Завихрения воздуха формируют во внутренней трубке Вентури 26 и в пространстве Е, между двумя трубками Вентури, слои воздуха, движущиеся в противоположных направлениях, которые взаимно перекрываются на входе в камеру сгорания. В каждом слое воздуха частицы впрыскиваемого топлива смешиваются однородным и текучим образом, что позволяет получить высококачественную смесь воздуха с топливом.

Предлагаемое изобретение не ограничивается описанным выше и представленным на приведенных в приложении фигурах примером его реализации. Так, например, имеется возможность сформировать больше, чем два венца каналов, например, использовать четыре таких венца, каналы двух из которых открываются на поверхности, располагающейся между двумя трубками Вентури, а каналы двух других венцов открываются во внутренней трубке Вентури. В то же время эффект вращения потока, производимый этими трубками Вентури, уравновешивается в различных венцах каналов путем соответствующей адаптации углов наклона этих каналов.

Устройство впрыскивания смеси топлива с воздухом содержит центрированные на одной и той же оси (Х'Х) элементы: завихритель, содержащий по меньшей мере одну наружную кольцевую деталь и одну внутреннюю кольцевую деталь, обеспечивающие всасывание воздуха, направляющую центрирования и кольцо удержания. Упомянутые кольцевые детали содержат альвеолярные каналы, открывающиеся в две коаксиальные трубки Вентури, внутреннюю и наружную, образованные внутренними осевыми стенками. Указанные кольцевые детали устанавливаются коаксиально. Внутренняя деталь выполнена самоцентрирующейся в наружной детали в результате вхождения в механический контакт их осевых стенок и их радиальных стенок. Кольцо удержания, наружная деталь и внутренняя деталь соединены между собой при помощи сварки в одной и той же радиальной плоскости вдоль радиальных поверхностей, располагающихся против друг друга. Кольцо удержания накрывает направляющую центрирования для того, чтобы удерживать ее в радиальном ложементе. Изобретение направлено на уменьшение стоимости устройство впрыскивания для камеры сгорания, сделав его более устойчивым в изготовлении и более надежным в использовании, посредством обеспечения специфического вставления деталей одна в другую, позволяющее отказаться от использования сварного соединения между собой альвеолярных деталей. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство (2) впрыскивания смеси топлива с воздухом, содержащее следующие центрированные на одной и той же оси (Х'Х) элементы: завихритель (40), содержащий по меньшей мере одну наружную кольцевую деталь (22) и одну внутреннюю кольцевую деталь (24), обеспечивающие всасывание воздуха, направляющую (27) центрирования и кольцо (21) удержания, отличающееся тем, что упомянутые кольцевые детали (22, 24) содержат альвеолярные каналы (25а, 25а', 25b), открывающиеся в две коаксиальные трубки Вентури, внутреннюю (26) и наружную (28), образованные внутренними осевыми стенками (22i, 24i), причем указанные кольцевые детали устанавливаются коаксиально, внутренняя деталь (24) выполнена самоцентрирующейся в наружной детали (22) в результате вхождения в механический контакт их осевых стенок (22i, 24е) и их радиальных стенок (22р, 24а), а кольцо (21) удержания, наружная деталь (22) и внутренняя деталь (24) соединены между собой при помощи сварки в одной и той же радиальной плоскости (Р) вдоль радиальных поверхностей (21а, 22р, 24а), располагающихся против друг друга, причем кольцо (21) удержания накрывает направляющую (27) центрирования для того, чтобы удерживать ее в радиальном ложементе (L).

2. Устройство впрыскивания по п.1, в котором воздушные каналы (25а, 25а') наружной детали (22) являются цилиндрическими и равномерно распределяются на двух венцах (С1, С2) перпендикулярно к оси (Х'Х), причем эти воздушные каналы (25а, 25а') одного венца (С1, С2) могут быть ориентированы под углом (А, А') противоположного направления, по сравнению с углом ориентации воздушных каналов (25а', 25а) другого венца (С2, С1), по отношению к радиусу (R, R'), исходящему из оси (Х'Х).

3. Устройство впрыскивания по п.1, в котором углы (А, А') противоположных направлений, образованные между упомянутыми каналами (25а, 25а') и радиусами (R', R), проходящими через ось (Х'Х) симметрии и через центр этих каналов (25а, 25а') на периферийной части устройства (2) впрыскивания, имеют величину в диапазоне от ±20° до ±40°.

4. Устройство впрыскивания по п.1, в котором каналы (25b) внутренней детали (24) располагаются в продолжение каналов (25а) одного венца (С1) наружной детали (22) и открываются во внутренней трубке Вентури (26), причем каналы (25а') другого венца (С2) наружной детали (22) открываются в пространство (Е), сформированное между внутренней трубкой Вентури (26) и наружной трубкой Вентури (28).

5. Устройство впрыскивания по п.4, в котором каналы (25b) внутренней детали (24) реализуются в продолжение каналов (25а) венца (С1) наружной детали (22) после центрирования внутренней детали (24) в наружной детали (22) и их соединения при помощи сварки с кольцом (21) удержания.

6. Устройство впрыскивания по п.2, в котором каналы (25а, 25а', 25b) имеют поперечное сечение по существу одного и того же размера в по меньшей мере двух перпендикулярных направлениях.

7. Устройство впрыскивания по п.2, в котором количество каналов одного венца (С1) равно количеству каналов другого венца (С2), и эти каналы смещены на половину шага между этими каналами на периферийной части наружной детали (22).

8. Устройство впрыскивания по п.1, в котором кольцо (21) удержания имеет скошенную кромку (21С), облегчающую позиционирование внутренней детали (24) на наружной детали (22).

9. Устройство впрыскивания по п.1, в котором направляющая (27) центрирования является адаптируемой по положению в радиальном ложементе (L), сформированном между радиальной стенкой (211) кольца (21) удержания и радиальной стенкой (241) внутренней детали (24) в результате соответствующего определения размерных параметров кольца (21) удержания и/или ободка (27с) направляющей (27) центрирования.

10. Камера сгорания, оборудованная устройством впрыскивания в соответствии с п.9, отличающаяся тем, что содержит кольцевую стенку и донную стенку, причем средства крепления упомянутого устройства (2) впрыскивания располагаются в донной стенке этой камеры сгорания, которая представляет отверстие для прохождения сопла впрыскивания топлива, соединенного с направляющей (27) центрирования устройства (2) впрыскивания.