ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к зажиганию в камерах сгорания турбомашин, в частности турбомашин летательных аппаратов, таких как турбореактивные двигатели и турбовинтовые двигатели самолетов.
Изобретение относится, в частности, к устройству зажигания для камеры сгорания турбомашины, содержащему два электрода, образующих свечу зажигания, и модуль для электрического питания данных электродов.
Оно также относится к камере сгорания, снабженной подобным устройством, к турбомашине, содержащей камеру сгорания данного типа, а также к способу зажигания в подобной камере сгорания.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Фиг.1 показывает упрощенный пример авиационной турбомашины 10 известного типа, содержащей - вдоль основного направления потока газа, начиная выше по потоку в направлении ниже по потоку, - компрессор 12, камеру 14 сгорания и турбину 16, выполненную с возможностью приведения компрессора 12 в действие посредством общего вала 18 под действием тяги, создаваемой газами из камеры 14 сгорания, хорошо известным образом.
Камера 14 сгорания, проиллюстрированная на фиг.1, представляет собой камеру кольцевого типа, но настоящее изобретение, само собой разумеется, может быть применено для других типов камер сгорания, как станет более понятно в дальнейшем.
Подобная камера 14 сгорания включает в себя топливные форсунки 20, распределенные по окружности вокруг оси 22 камеры сгорания, и средства подачи воздуха для образования пелены газовой смеси из воздуха и топлива внутри камеры, а также, по меньшей мере, одну свечу 24 зажигания, чтобы вызывать воспламенение данной газовой смеси.
Свеча 24 зажигания, как правило, установлена на наружном кожухе 26, ограничивающем пространство 28, в котором размещена камера 14 сгорания. Более точно, свеча 24 зажигания имеет конец 30, снабженный двумя электродами, предназначенными для образования электрической дуги под действием электрического напряжения, обеспечиваемого модулем 32 электропитания. Свеча 24 обычно проходит через отверстие, выполненное в радиально наружной стенке 34 камеры сгорания, так, что конец 30 свечи находится на одном уровне со стенкой 34 или, как в примере, проиллюстрированном на фиг.1, выступает внутрь камеры от стенки 34. Как правило, конец 30 свечи таков, что он пересекает пелену 36 из воздуха и топлива, создаваемую определенной топливной форсункой 20, обычно называемой пусковой форсункой.
В вышеуказанную пусковую форсунку 20 обычно подается топливо под давлением, отбираемое из топливного бака 38 летательного аппарата посредством контура регулирования, включающего в себя, по меньшей мере, один насос 40 и управляемый клапан 42.
Модуль 32 электропитания для свечи 24 зажигания, как правило, включает в себя одну или несколько аккумуляторных батарей, а также трансформатор напряжения для подачи высокого напряжения к электродам свечи 24.
Однако подобный модуль электропитания имеет большой габаритный размер, который желательно уменьшить, в особенности в случае двигателей самолетов со сравнительно уменьшенными размерами, таких как двигатели, предназначенные для оснащения самолетов, используемых в бизнес-авиации.
Кроме того, модули электропитания вносят свой вклад в возникновение рисков отказа свечей зажигания.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одна задача изобретения состоит, в частности, в разработке простого, экономичного и эффективного решения данных проблем.
С этой целью в соответствии с изобретением предложено устройство зажигания для камеры сгорания турбомашины, содержащее, по меньшей мере, два электрода, образующие свечу зажигания, и модуль для электрического питания данных электродов.
В соответствии с изобретением модуль электропитания включает в себя пьезоэлектрический элемент, электрически соединенный с вышеуказанными электродами, и средства для периодического приложения усилия к пьезоэлектрическому элементу для создания между данными электродами электрического напряжения, достаточного для образования электрической дуги между данными электродами, при этом данные средства содержат:
- проточную камеру для текучей среды, включающую в себя, по меньшей мере, два отверстия, предназначенные для соединения камеры с контуром для течения текучей среды под давлением и образующие соответственно, по меньшей мере, одно впускное отверстие и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для указанной текучей среды;
- клапан для герметизации впускного отверстия;
- поршень, ограничивающий вышеуказанную камеру и выполненный с возможностью перемещения в двух противоположных направлениях, соответствующих увеличению и уменьшению объема указанной камеры соответственно;
- упругие средства, смещающие поршень в указанном направлении уменьшения объема камеры и воздействующие на пьезоэлектрический элемент; и
- средства для управления клапаном, сконфигурированные так, чтобы:
- закрыть клапан, когда поршень достигнет первого заданного положения за счет перемещения в указанном направлении увеличения объема камеры под давлением текучей среды, принятой в камеру посредством впускного отверстия, в результате чего упругие средства сжимаются так, что они прикладывают указанное усилие к пьезоэлектрическому элементу; и
- открыть клапан, когда поршень выходит за второе заданное положение за счет перемещения в указанном направлении уменьшения объема камеры под давлением упругих средств, в результате чего вызывая выталкивание текучей среды из камеры через выпускное отверстие.
Таким образом, модуль электропитания в устройстве согласно изобретению обеспечивает возможность подачи электрической энергии к электродам, образующим свечу зажигания, за счет использования пьезоэлектрического эффекта для преобразования механической энергии, которая передается текучей средой, в электрическую энергию.
Следует отметить, что текучая среда и контур ее циркуляции не являются, строго говоря, частью устройства зажигания в рамках терминологии настоящего изобретения, но они образуют источник механической энергии, с которым устройство должно быть соединено для обеспечения его работы.
Точнее, когда модуль электропитания соединен с контуром для течения текучей среды под достаточным давлением посредством впускного и выпускного отверстий камеры данного модуля, поршень спонтанно начинает выполнять колебания, которые обусловлены чередующимися открытиями и закрытиями клапана для герметизации впускного отверстия, которые вызваны посредством вышеуказанных средств управления данным клапаном. Подобные колебания приводят к чередующимся сжатиям и расширениям упругих средств, которые, таким образом, обеспечивают периодическое приложение усилия к пьезоэлектрическому элементу.
Действительно, всасывание текучей среды вызывает перемещение поршня, приводящее к увеличению объема камеры и сжатию упругих средств. Когда поршень достигнет его первого заданного положения, средства управления клапаном вызывают его закрытие. Поскольку вскоре после этого давление текучей среды больше не будет достаточным для уравновешивания усилия, действующего на поршень со стороны упругих средств, поршень начинает перемещаться в противоположном направлении и, следовательно, уменьшает объем камеры за счет эффекта расширения упругих средств. Уменьшение объема камеры вызывает выталкивание части текучей среды, содержащейся в данной камере, через выпускное отверстие камеры. Когда поршень выходит за вышеуказанное второе положение, средства управления клапаном вызывают его открытие. Вскоре после этого усилие, действующее на поршень со стороны упругих средств, становится достаточно малым относительно давления всасывания текучей среды, и, таким образом, поршень идет назад в обратном направлении. Следовательно, поршень совершает возвратно-поступательное движение.
Текучая среда и контур ее циркуляции, само собой разумеется, влияют на работу устройства зажигания, в частности на частоту колебаний поршня. Действительно, данная частота колебаний зависит, в частности, от плотности данной текучей среды.
Проточная камера для текучей среды может включать в себя только два отверстия для текучей среды, образующие, тем самым, одно впускное отверстие и одно выпускное отверстие.
В альтернативном варианте данная проточная камера для текучей среды может включать в себя более двух отверстий, следовательно, она будет иметь несколько впускных отверстий и/или несколько выпускных отверстий.
Следует отметить, что первое и второе заданные положения поршня предпочтительно являются одинаковыми.
Таким образом, частота колебаний поршня может быть сравнительно высокой и достигает, например, нескольких десятков Герц.
Действительно, в этом случае клапан снова открывается, как только поршень начинает перемещаться в направлении уменьшения объема камеры, так что продолжительность и длина данного перемещения являются минимальными.
В альтернативном варианте оба заданных положения поршня могут находиться на расстоянии друг от друга, когда желательно уменьшить частоту колебаний поршня.
Действительно, в этом случае клапан удерживается закрытым, когда поршень проходит расстояние, разделяющее его два заданных положения.
С другой стороны, вышеуказанный контур для потока текучей среды может представлять собой замкнутый контур, например масляный контур, но он предпочтительно представляет собой открытый контур, в частности топливный контур, как станет более понятно в дальнейшем.
Кроме того, упругие средства предпочтительно содержат пружину сжатия.
Подобная пружина имеет преимущество, заключающееся в простоте ее выполнения.
В альтернативном варианте упругие средства могут содержать замкнутый объем газа, также называемый газовой пружиной.
Упругие средства данного типа имеют преимущество, заключающееся в очень малом износе с течением времени. Само собой разумеется, газ должен быть выбран таким, чтобы он обладал сжимаемостью, достаточной для обеспечения возможности выполнения колебаний поршня, подобных описанным выше.
Кроме того, устройство зажигания предпочтительно содержит корпус удлиненной формы, предназначенный для по меньшей мере частичного проникновения внутрь камеры сгорания или для размещения его заподлицо с ее наружной стенкой, при этом данный корпус ограничивает пространство, в котором внутренний электрод свечи простирается на удалении от данного корпуса, при этом указанный корпус образует наружный электрод свечи.
Оболочка, выполненная из электроизоляционного материала, например, типа керамики, предпочтительно размещена в вышеуказанном пространстве так, чтобы взаимно изолировать оба электрода свечи.
Устройство может содержать средства для установки на наружном кожухе камеры сгорания, при этом данные средства имеют, например, форму пластины. Следует напомнить, что под наружным кожухом камеры сгорания понимается кожух, ограничивающий замкнутое пространство, в котором размещена камера сгорания.
Таким образом, устройство может быть установлено на наружном кожухе камеры сгорания аналогично тому, как установлены обычные свечи зажигания.
С другой стороны, клапан для герметизации вышеуказанного впускного отверстия может представлять собой клапан с электрическим управлением, но предпочтительно представляет собой клапан с механическим управлением, как станет более понятно в дальнейшем.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанный клапан включает в себя герметизирующий элемент, который механически соединен с поршнем посредством средств управления клапаном и который выполнен с возможностью перемещения между положением для герметизации впускного отверстия и положением для открытия данного впускного отверстия под действием перемещения указанного поршня.
Таким образом, клапан представляет собой клапан с механическим управлением, так что модуль электропитания не требует для своей работы никакой подачи электрической энергии извне. Кроме того, клапан данного типа имеет преимущество, заключающееся в том, что он является очень простым и особенно надежным.
Средства управления клапаном предпочтительно включают в себя шток, имеющий первый конец, образующий одно целое с поршнем, и второй противоположный конец, который несет герметизирующий элемент клапана.
Таким образом, данный герметизирующий элемент перемещается вдоль того же направления, что и поршень. Соединение герметизирующего элемента клапана с поршнем посредством подобного штока имеет преимущество, заключающееся в том, что оно является простым и надежным.
Герметизирующий элемент клапана представляет собой, например, заслонку, которая устанавливается на седле клапана в положении для герметизации впускного отверстия и которая перемещается в сторону от вышеуказанного седла в положение для открытия впускного отверстия. В этом случае герметизирующий элемент образует в положении для герметизации впускного отверстия элемент для удерживания поршня от поступательного перемещения.
В альтернативном варианте герметизирующий элемент может иметь форму герметизирующего поршня, плотно установленного с возможностью скольжения в вентиляционном элементе, открывающемся в проточную камеру для текучей среды и имеющем, по меньшей мере, одно боковое отверстие, открывающееся снаружи указанной камеры и образующее указанное впускное отверстие, при этом в положении герметизации герметизирующий элемент будет находиться напротив указанного бокового отверстия так, что он будет плотно закрывать данное отверстие, а в положении открытия он будет смещен от указанного бокового отверстия вдоль направления скольжения герметизирующего элемента для обеспечения возможности впуска текучей среды через вышеуказанное боковое отверстие. В этом случае герметизирующий элемент не удерживает поршень устройства, когда данный элемент находится в его положении герметизации, так что перемещение подвижного узла, включающего в себя поршень и герметизирующий элемент, полностью определяется свойствами упругих средств, текучей среды, поршня и проточной камеры для текучей среды.
Как правило, модуль электропитания в устройстве предпочтительно содержит кожух, который ограничивает проточную камеру для текучей среды и в котором поршень установлен с возможностью скольжения.
В частности, в предпочтительном варианте осуществления изобретения модуль электропитания содержит кожух, который ограничивает указанную проточную камеру для текучей среды и
- в котором размещен пьезоэлектрический элемент,
- в котором поршень установлен с возможностью скольжения между указанной камерой, которую он ограничивает, и пьезоэлектрическим элементом;
- в котором размещены упругие средства, при этом они расположены между поршнем и пьезоэлектрическим элементом.
Данная конфигурация имеет преимущество, заключающееся в исключительной компактности и простоте конструкции, что также обеспечивает хорошую общую надежность, в частности, вследствие того, что поршень, пьезоэлектрический элемент и упругие средства могут быть выровнены, таким образом, вдоль направления скольжения поршня.
В альтернативном варианте пьезоэлектрический элемент может быть предусмотрен не на одной линии с поршнем вдоль направления скольжения поршня и может быть предусмотрен, например, снаружи конструкции, в которой данный поршень установлен с возможностью скольжения.
В этом случае упругие средства не расположены непосредственно между поршнем и пьезоэлектрическим элементом, но могут воздействовать на оба элемента посредством более сложного механизма. В зависимости от расположения пьезоэлектрического элемента может быть предпочтительным, чтобы упругие средства прикладывали к данному пьезоэлектрическому элементу усилие, имеющее направление, противоположное направлению усилия, приложенного поршнем к данным упругим средствам. В данном случае вышеуказанный механизм может, например, содержать рычаг и две пружины сжатия, поджатые соответственно к обоим концам рычага, при этом одна из них смещает поршень, а другая воздействует на пьезоэлектрический элемент.
Кроме того, в альтернативном варианте пьезоэлектрический элемент может образовывать указанный поршень.
В этом случае упругие средства могут быть расположены, например, между пьезоэлектрическим элементом, установленным с возможностью скольжения в вышеуказанном кожухе, и нижней частью данного кожуха, электрически соединенной с внутренним электродом свечи, в то время как боковая стенка кожуха электрически соединена с наружным электродом свечи и электрически изолирована от вышеуказанной нижней части кожуха. В подобном приведенном в качестве примера варианте осуществления электрическая связь между скользящим пьезоэлектрическим элементом и внутренним электродом свечи может быть обеспечена самими упругими средствами или посредством гибкого электрического провода.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство дополнительно содержит, по меньшей мере, одну топливную форсунку, соединенную с выпускным отверстием проточной камеры для текучей среды.
В этом случае устройство выполнено с возможностью его соединения с открытым контуром циркуляции текучего топлива, частью которого является вышеуказанная форсунка. Точнее, таким образом, предусмотрено то, что впускное отверстие проточной камеры для текучей среды устройства будет соединено со средствами подачи топлива под давлением.
Топливная форсунка предпочтительно сконфигурирована так, чтобы подавать пелену топлива, «омывающую» электроды, образующие свечу зажигания в устройстве.
Кроме того, устройство предпочтительно включает в себя накопительную камеру, вход которой соединен с выпускным отверстием проточной камеры и выход которой соединен с вышеуказанной топливной форсункой, и которая предназначена для сглаживания скачков потока топлива из выпускного отверстия, которые обусловлены колебаниями поршня, и, таким образом, обеспечения возможности получения по существу установившегося потока топлива в форсунке.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения вышеуказанные электроды, модуль электропитания и форсунка размещены в одном и том же корпусе устройства.
Таким образом, изобретение обеспечивает возможность объединения пусковой форсунки и соответствующей свечи в общей конструкции.
Таким образом, устройство имеет определенный уменьшенный общий объем и при этом обеспечивает значительную простоту сборки/разборки.
Вышеуказанный корпус предпочтительно включает в себя первую часть удлиненной формы, предназначенную для по меньшей мере частичного проникновения в камеру сгорания и предназначенную для соответствующего образования и размещения обоих электродов так, как описано выше, а также вторую часть цилиндрической формы, предназначенную для того, чтобы оставаться снаружи камеры сгорания.
Первая часть корпуса предпочтительно включает в себя канал, который открывается на конце корпуса, предусмотренном для образования электрических дуг между вышеуказанными электродами, и который образует указанную форсунку.
Что касается второй части корпуса, то она предпочтительно ограничивает полость для размещения пьезоэлектрического элемента, упругих средств и поршня устройства.
В альтернативном варианте форсунка устройства может быть отделена от свечи устройства.
Форсунка может представлять собой, например, обычную форсунку, предназначенную для установки в нижней части камеры сгорания, вдали от корпуса устройства, в котором размещаются электроды, образующие свечу, а также модуль электропитания, при этом в отношении данного корпуса следует отметить, что он предназначен для установки на наружном кожухе камеры сгорания описанным выше образом.
В этом случае устройство может иметь каналы для обеспечения сообщения по текучей среде между форсункой и проточной камерой для текучей среды устройства, и форсунка предпочтительно может быть выполнена с возможностью подачи пелены топлива, омывающей электроды, образующие свечу зажигания.
Изобретение также относится к камере сгорания турбомашины, содержащей, по меньшей мере, одно устройство зажигания описанного выше типа.
Кроме того, изобретение относится к турбомашине, такой как авиационный турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, содержащей камеру сгорания описанного выше типа, а также управляемые средства для подачи текучей среды под давлением, которые соединены с указанным впускным отверстием проточной камеры для текучей среды устройства зажигания для данной камеры сгорания.
Как разъяснено выше, текучая среда может представлять собой текучую среду любого типа, в частности смазочное масло, и предпочтительно топливо.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения указанная текучая среда представляет собой топливо, и устройство зажигания для камеры сгорания представляет собой устройство такого типа, которое содержит топливную форсунку, соединенную с указанным выпускным отверстием проточной камеры для текучей среды, как описано выше.
Таким образом, изобретение позволяет получить преимущество от использования давления топлива, подаваемого в пусковую форсунку, для генерирования электрической энергии, необходимой для работы свечи зажигания, связанной с данной форсункой.
Изобретение также относится к способу зажигания в камере сгорания в турбомашине описанного выше типа, в котором указанные средства для подачи текучей среды под давлением приводят в действие, чтобы попеременно вызывать в устройстве зажигания для камеры сгорания:
- фазу впуска указанной текучей среды в указанную проточную камеру для текучей среды через указанное впускное отверстие, в течение которой указанный поршень сжимает указанные упругие средства под давлением текучей среды так, что указанные упругие средства прикладывают к указанному пьезоэлектрическому элементу усилие, достаточное для того, чтобы последний привел к появлению - между указанными электродами, образующими свечу, - электрического напряжения, обеспечивающего возможность образования электрической дуги, до тех пор, пока поршень не достигнет указанного первого заданного положения, такого, при котором указанные средства управления вызывают закрытие клапана для герметизации указанного впускного отверстия, и
- фазы выпуска указанной текучей среды, в течение которой указанные упругие средства расширяются и толкают поршень в обратном направлении так, чтобы вызвать выталкивание текучей среды из указанной проточной камеры для текучей среды через указанное выпускное отверстие, и так, что указанные средства управления вызывают открытие указанного клапана.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения турбомашина представляет собой турбомашину описанного выше типа, в которой указанная текучая среда представляет собой топливо и в которой устройство зажигания для камеры сгорания представляет собой устройство такого типа, которое содержит топливную форсунку, соединенную с указанным выпускным отверстием проточной камеры для текучей среды устройства, и указанная фаза выпуска включает подачу топлива в форсунку из проточной камеры для текучей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Лучшее понимание изобретения будет обеспечено и дополнительные детали, преимущества и отличительные признаки изобретения станут очевидными при чтении нижеприведенного описания, выполненного в качестве неограничивающего примера и со ссылкой на приложенные чертежи, в которых:
- фиг.1, уже описанная, представляет собой выполненный в аксиальном сечении, частичный схематический вид половины авиационной турбомашины известного типа;
- фиг.2 представляет собой выполненный в аксиальном сечении, частичный схематический вид половины авиационной турбомашины, содержащей устройство зажигания в соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления изобретения;
- фиг.2а представляет собой выполненный в большем масштабе вид части IIa на фиг.2, иллюстрирующий устройство зажигания для турбомашины;
- фиг.3 представляет собой выполненный в аксиальном сечении, частичный схематический вид устройства зажигания в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления.
На всех фигурах идентичные ссылочные позиции могут обозначать идентичные или аналогичные элементы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг.2 и 2а иллюстрируют турбомашину, например авиационный турбореактивный двигатель, содержащий устройство 44 зажигания для ее кольцевой камеры 14 сгорания, в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.
В дальнейшем аксиальное и радиальное направления заданы относительно продольной оси 22 турбомашины.
Устройство 44 зажигания включает в себя корпус 46, соединяющий в одно целое свечу зажигания, модуль для электрического питания данной свечи, а также пусковую форсунку, как станет более понятно в дальнейшем.
Корпус 46 содержит удлиненную первую часть 48 цилиндрической формы, которая имеет, например, вращательную симметрию относительно оси 49 и которая проходит через отверстие 50 наружного кожуха 26 камеры сгорания и отверстие 52 наружной стенки 34 данной камеры сгорания.
Корпус 46 дополнительно содержит пластину 54, соединенную с радиально наружным концом вышеуказанной первой части 48 и обеспечивающую возможность прикрепления данного корпуса 46 к наружной поверхности наружного кожуха 26 камеры сгорания посредством крепежных винтов 55.
Кроме того, корпус 46 включает в себя вторую часть 56 цилиндрической формы, возможно имеющую вращательную симметрию и простирающуюся радиально наружу от пластины 54.
Первая часть 48 корпуса 46 выполнена из электропроводящего материала и образует наружный электрод свечи устройства. Данная первая часть 48 корпуса 46 окружает изоляционную оболочку 57, которая выполнена, например, из керамического материала и в центре которой проходит внутренний электрод 58 свечи. Данная изоляционная оболочка 57 обеспечивает электрическую изоляцию, а также выполняет функцию непроницаемого барьера. Внутренний электрод 58 проходит параллельно оси 49 и выступает за радиально внутренний конец первой части 48 корпуса 46.
Кроме того, первая часть 48 корпуса 46 включает в себя канал 60, образованный внутри стенки корпуса 46 и проходящий параллельно вышеуказанной оси 49 и, таким образом, параллельно внутреннему электроду 58. Данный канал 60 открывается у радиально внутреннего конца первой части 48 корпуса 46 и образует топливную форсунку, также называемую пусковой форсункой, как станет более понятно в дальнейшем.
Пластина 54 включает в себя канал 62, сообщающийся с каналом 60 первой части 48 корпуса 46.
Вторая часть 56 корпуса 46 образует кожух, ограничивающий полость для размещения модуля электропитания устройства.
Данный модуль электропитания содержит дискообразный пьезоэлектрический элемент 64, размещенный в радиально внутренней нижней части вышеуказанной полости, поршень 66, также дискообразный и установленный с возможностью скольжения в средней части данной полости, и цилиндрическую винтовую пружину 68, расположенную между пьезоэлектрическим элементом 64 и поршнем 66 и образующую упругие средства в соответствии с терминологией настоящего изобретения.
Кроме того, вторая часть 56 корпуса 46 включает в себя впускной канал 70 для топлива, выполненный в радиально наружной верхней стенке 71 данной второй части 56 и оборудованный клапаном 72 с заслонкой.
Вторая часть 56 корпуса 46 дополнительно включает в себя канал 74, выполненный в боковой стенке данной второй части 56 и сообщающийся, с одной стороны, с каналом 62, выполненным в пластине 54, и, с другой стороны, с проточной камерой 76 для текучей среды, в которую открывается впускной канал 70. Данная проточная камера 76 для текучей среды образована внутри полости, ограниченной второй частью 56 корпуса 46, радиально снаружи по отношению к поршню 66, который ограничивает данную камеру 76. Канал 74 соединен с проточной камерой 76 для текучей среды посредством выпускного отверстия 77 в соответствии с терминологией настоящего изобретения.
Клапан 72 включает в себя заслонку 78 и седло 80 (фиг.2а), образованное из кольцевого ребра, которое выступает внутрь в качестве выступа во впускном канале 70 и которое ограничивает впускное отверстие 82 для топлива. Заслонка 78 образует герметизирующий элемент в соответствии с терминологией настоящего изобретения.
Заслонка 78 образует одно целое с поршнем 66 посредством штока 84, проходящего вдоль оси 49 второй части 56 корпуса 46, которая такая же, как ось первой части 48 данного корпуса 46, и относительно которой сцентрирован впускной канал 70, в частном примере, показанном на фиг.2 и 2а. Шток 84 представляет собой часть средств управления клапаном 72 в соответствии с терминологией настоящего изобретения.
Впускной канал 70 соединен со средствами подачи топлива турбомашины, включающими в себя отсечной клапан 42, насос 40 и топливный бак 38, которые представляют собой, например, устройства обычного типа.
Элементы, которые образуют модуль электропитания, выполнены с такими размерами, что в то время, когда пружина 68 находится в состоянии покоя, заслонка 78 клапана 72 смещена от его седла 80 так, что впускное отверстие 82 для топлива открыто.
Устройство 44 зажигания обеспечивает возможность зажигания в камере 14 сгорания в соответствии со способом, который будет описан далее.
Выполнение данного способа зажигания начинается с приведения в действие средств подачи топлива, соединенных с впускным каналом 70, в частности, посредством открытия отсечного клапана 42.
После этого топливо проходит в проточную камеру 76 через впускное отверстие 82 и заполняет данную камеру.
Давление топлива выбирают достаточно высоким так, чтобы заполнение проточной камеры 76 данным топливом вызывало перемещение поршня 66 радиально внутрь или - в более общем случае - в направлении увеличения объема камеры 76, показанном стрелкой 85 на фиг.2а.
Подобное перемещение поршня 66 вызывает сжатие пружины 68, что приводит к приложению увеличивающегося усилия к радиально наружной поверхности 86 и внутренней поверхности 88 пьезоэлектрического элемента 64. В результате за счет пьезоэлектрического эффекта появляется электрическое напряжение между электродами 48 и 58, с которыми пьезоэлектрический элемент 64 электрически соединен.
Во время данного перемещения поршня 66 топливо также может проходить через выпускное отверстие 77 в канал 74 и затем в каналы 62 и 60, которые совместно образуют форсунку устройства.
Перемещение поршня 66 продолжается до тех пор, пока заслонка 78 клапана 72 не упрется в его седло 80, и после этого удерживает поршень 66 , при этом указанный поршень занимает первое заданное положение в соответствии с терминологией изобретения.
Устройство выполнено с такой конструкцией, что напряжение между электродами 48 и 58 достигает напряжения пробоя среды, имеющейся между данными электродами, так что электрическая дуга возникает до того, как заслонка 78 достигнет предназначенного для нее седла 80.
Затем, поскольку впуск топлива прерван, пружина 68 начинает расширяться, вызывая перемещение поршня 66 радиально наружу или - в более общем случае - в направлении уменьшения объема проточной камеры 76 для текучей среды, показанном стрелкой 87 на фиг.2а, из указанного первого положения, которое в данном случае является таким же, как второе заданное положение, как это определено выше.
Подобное перемещение поршня 66 вызывает выталкивание части топлива, содержащегося в проточной камере 76 для текучей среды, через выпускное отверстие 77 до форсунки устройства, образованной каналами 74, 62 и 60.
Кроме того, поршень 66 приводит в движение заслонку 78 клапана 72 во время его перемещения и, таким образом, вызывает открытие данного клапана 72, что снова делает возможным впуск топлива в проточную камеру 76 для текучей среды.
Следовательно, имеют место протекающие попеременно фазы впуска и выпуска топлива, приводящие к колебаниям поршня 66, при этом каждое колебание приводит к образованию электрической дуги между электродами 48 и 58 устройства.
Длина траектории, по которой проходит топливо в каналах 74, 62 и 60, образующих устройство-форсунку, позволяет «сгладить» расход топлива на выходе данной форсунки. Данное сглаживание является более заметным, когда устройство за счет своих размеров обеспечивает ускорение потока некоторого количества топлива из проточной камеры 76 для текучей среды к форсунке во время фазы впуска.
Когда это представляет интерес, устройство может дополнительно включать в себя накопительную камеру, предусмотренную на траектории прохода топлива между проточной камерой 76 для текучей среды и выходом форсунки устройства, для дополнительного повышения равномерности расхода топлива на выходе форсунки.
Само собой разумеется, устройство 44 по фиг.2 и 2а представляет собой только иллюстративный пример, выбранный из разных возможных конфигураций по настоящему изобретению.
Таким образом, как разъяснено выше, упругие средства 68 могут представлять собой средства другого типа, например типа газовой пружины.
Кроме того, относительное расположение поршня 66 и пьезоэлектрического элемента 64 может быть другим. В частности, пьезоэлектрический элемент может сам образовывать поршень, когда это представляет интерес.
С другой стороны, форсунка устройства 44 может быть образована снаружи корпуса 46 и, таким образом, может быть отделена от свечи устройства. В этом случае форсунка может представлять собой, например, форсунку такого же типа, как форсунка 20 по фиг.1, при этом топливо будет подаваться в нее из выпускного отверстия 77 устройства посредством использования соответствующих каналов.
Кроме того, клапан 72 может представлять собой клапан типа, отличающегося от описанного выше.
Таким образом, на фиг.3 показано устройство 44 зажигания, предназначенное для кольцевой камеры 14 сгорания авиационной турбомашины, в соответствии со вторым предпочтительным вариантом осуществления изобретения, которое в основном аналогично устройству, описанному выше, но в котором герметизирующий элемент клапана 72 принимает вид герметизирующего поршня 90, плотно установленного с возможностью скольжения в вентиляционном канале 92, образующем одно целое с корпусом 46 устройства.
Вышеуказанный вентиляционный канал 92 открывается в проточную камеру 76 для текучей среды и имеет множество впускных отверстий 82, распределенных вокруг оси 49 корпуса 46, соответствующей оси скольжения герметизирующего поршня 90.
Герметизирующий поршень 90 выполнен с возможностью перемещения между положением для открытия впускных отверстий 82, таких как показанные на фиг.3, при этом данный герметизирующий поршень 90 смещен от данных отверстий 82 вдоль направления оси 49 его скольжения для обеспечения возможности прохода потока текучей среды через данные отверстия 82, и положением для герметизации впускных отверстий 82, при этом герметизирующий поршень 90 будет находиться напротив данных отверстий 82 для предотвращения любого потока текучей среды через данные отверстия.
В данном втором варианте осуществления изобретения поршень 66 устройства 44 может продолжать свое перемещение в направлении увеличения объема проточной камеры 76 для текучей среды даже тогда, когда клапан 72 будет закрыт, при этом данный поршень 66 не будет удерживаться герметизирующим элементом 90 клапана 72.
Вследствие отсутствия элемента, образующего упор, у подвижного узла, содержащего поршень 66, колебания данного поршня 66 могут быть в высокой степени равномерными.
Следует отметить, что движение данного подвижного узла в этом случае определяется в основном жесткостью упругих средств 68, массой данного подвижного узла и давлением текучей среды, а также трением, возникающим во время движения данного подвижного узла.
Само собой разумеется, возможны другие конфигурации клапана 72 без отхода от объема настоящего изобретения.
В целом устройство 44 зажигания в соответствии с изобретением имеет преимущество, заключающееся в том, что оно не требует подводимой извне электрической энергии, как в случае устройств зажигания, известных из предшествующего уровня техники, что, в частности, позволяет устройству согласно изобретению обеспечивать существенно увеличенную надежность.
Кроме того, данное устройство зажигания может иметь заметно уменьшенный общий объем, и, следовательно, оно является особо предпочтительным для оснащения авиационных двигателей, имеющих сравнительно уменьшенный размер, таких как двигатели, предназначенные для оснащения самолетов бизнес-авиации.
Изобретение относится к энергетике. Способ зажигания в камере сгорания турбомашины включает в себя фазу впуска текучей среды в камеру через впускное отверстие, в течение которой поршень сжимает упругие средства под давлением текучей среды так, что указанные упругие средства прикладывают к пьезоэлектрическому элементу усилие, достаточное для того, чтобы последний вызвал появление между электродами электрического напряжения, обеспечивающего возможность образования электрической дуги, до тех пор, пока поршень не достигнет заданного положения для закрытия клапана для герметизации указанного впускного отверстия, и фазу выпуска указанной текучей среды, в течение которой указанные упругие средства толкают поршень назад так, чтобы вызвать выталкивание текучей среды из указанной камеры через выпускное отверстие, и указанный клапан открывается. Изобретение позволяет повысить эффективность зажигания в камере сгорания турбомашины. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
1. Устройство (44) зажигания для камеры сгорания турбомашины, содержащее два электрода (48, 58), образующие свечу зажигания, и модуль электропитания для электрического питания указанных электродов, отличающееся тем, что указанный модуль электропитания включает в себя пьезоэлектрический элемент (64), электрически соединенный с указанными электродами (48, 58), и средства для периодического приложения усилия к указанному пьезоэлектрическому элементу (64) для создания между указанными электродами (48, 58) электрического напряжения, достаточного для образования электрической дуги между ними, при этом указанные средства для периодического приложения усилия содержат:
- проточную камеру (76) для текучей среды, включающую в себя, по меньшей мере, два отверстия для соединения указанной проточной камеры для текучей среды с контуром (74, 62, 60) для течения текучей среды под давлением, при этом указанные, по меньшей мере, два отверстия образуют соответственно, по меньшей мере, одно впускное отверстие (82) и, по меньшей мере, одно выпускное отверстие (77) для указанной текучей среды;
- клапан (72) для герметизации указанного впускного отверстия (82);
- поршень (66), ограничивающий указанную камеру (76) и выполненный с возможностью перемещения в двух противоположных направлениях (85, 87), соответствующих увеличению и уменьшению объема указанной камеры (76) соответственно;
- упругие средства (68), смещающие указанный поршень (66) в
направлении (87) уменьшения объема камеры (76) и воздействующие на указанный пьезоэлектрический элемент (64); и
- средства (84) для управления указанным клапаном (72), сконфигурированные так, чтобы закрыть указанный клапан (72), когда указанный поршень (66), перемещающийся в указанном направлении (85) увеличения объема камеры (76) под давлением текучей среды, принятой в указанную камеру (76) посредством указанного впускного отверстия (82), и, таким образом, сжимающий указанные упругие средства (68) так, что указанные упругие средства (68) прикладывают указанное усилие к указанному пьезоэлектрическому элементу (64), достигнет первого заданного положения, и так, чтобы открыть указанный клапан (72), когда указанный поршень (66), перемещающийся в указанном направлении (87) уменьшения объема камеры (76) под давлением указанных упругих средств (68), и, таким образом, вызывающий выталкивание текучей среды из указанной камеры (76) через указанное выпускное отверстие (77), выходит за второе заданное положение.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанный клапан (72) включает в себя герметизирующий элемент (78), который механически соединен с указанным поршнем (66) посредством указанных средств (84) для управления клапаном, и который выполнен с возможностью перемещения между положением для герметизации указанного впускного отверстия (82) и положением для открытия указанного впускного отверстия (82) под действием перемещения указанного поршня (66).
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанный модуль электропитания содержит кожух (56), который ограничивает
указанную проточную камеру (76) для текучей среды и в котором:
- размещен указанный пьезоэлектрический элемент (64),
- указанный поршень (66) установлен с возможностью скольжения между указанной камерой (76) и указанным пьезоэлектрическим элементом (64); и
- размещены указанные упругие средства (68), при этом они расположены между указанным поршнем (66) и указанным пьезоэлектрическим элементом (64).
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит, по меньшей мере, одну топливную форсунку (74, 62, 60), соединенную с указанным выпускным отверстием (77) указанной проточной камеры (76) для текучей среды.
5. Устройство по предшествующему пункту, отличающееся тем, что указанные электроды (48, 58), указанный модуль (64, 66, 68, 70, 72) электропитания и указанная топливная форсунка (74, 62, 60) размещены в одном и том же корпусе (46) указанного устройства.
6. Камера (14) сгорания для турбомашины, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, одно устройство (44) зажигания по любому из предшествующих пунктов.
7. Турбомашина (10), такая как авиационный турбореактивный двигатель или турбовинтовой двигатель, отличающаяся тем, что она содержит камеру (14) сгорания по предшествующему пункту, а также управляемые средства (38, 40, 42) для подачи текучей среды под давлением, которые соединены с указанным впускным отверстием (82) указанной проточной камеры (76) для текучей среды устройства (44) зажигания для указанной камеры (14) сгорания.
8. Турбомашина по предшествующему пункту, отличающаяся тем, что указанная текучая среда представляет собой топливо, и тем, что указанное устройство (44) зажигания для указанной камеры (14) сгорания содержит, по меньшей мере, одну топливную форсунку (74, 62, 60), соединенную с указанным выпускным отверстием (77) указанной проточной камеры (76) для текучей среды.
9. Способ зажигания в камере (14) сгорания в турбомашине (10) по п. 7 или 8, в котором указанные средства (38, 40, 42) для подачи текучей среды под давлением приводят в действие, чтобы попеременно вызывать:
- фазу впуска указанной текучей среды в указанную проточную камеру (76) для текучей среды через указанное впускное отверстие (82), в течение которой указанный поршень (66) сжимает указанные упругие средства (68) под давлением текучей среды так, что указанные упругие средства (68) прикладывают к указанному пьезоэлектрическому элементу (64) усилие, достаточное для того, чтобы последний привел к появлению - между указанными электродами (48, 58) - электрического напряжения, обеспечивающего возможность образования электрической дуги, до тех пор, пока поршень (66) не достигнет указанного первого заданного положения, такого, при котором указанные средства (84) управления вызывают закрытие клапана (72) для герметизации указанного впускного отверстия (82), и
- фазу выпуска указанной текучей среды, в течение которой указанные упругие средства (68) расширяются и толкают поршень (66) в обратном направлении так, чтобы вызвать выталкивание текучей среды из указанной проточной камеры (76) для текучей
среды через указанное выпускное отверстие (77), и так, что указанные средства (84) управления вызывают открытие указанного клапана (72).
10. Способ по предшествующему пункту, в котором указанная текучая среда представляет собой топливо и указанное устройство (44) зажигания для указанной камеры (14) сгорания содержит, по меньшей мере, одну топливную форсунку (74, 62, 60), соединенную с указанным выпускным отверстием (77) указанной проточной камеры (76) для текучей среды, и указанная фаза выпуска включает подачу указанного топлива в указанную форсунку (74, 62, 60) из указанной проточной камеры (76) для текучей среды.
| Установка для исследования параметров потока в отборах турбины | 1982 |
|
SU1038490A1 |
