КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ ДЛЯ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2016 года по МПК F23R3/14 

Настоящее изобретение относится к кольцевой камере сгорания турбомашины, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель.

Кольцевая камера сгорания содержит две коаксиальные кольцевые стенки, соответственно внутреннюю и внешнюю, соединенные между собой своими расположенными выше по потоку концами посредством кольцевой стенки дна камеры, содержащей отверстия, в каждом из которых установлена система впрыска топлива.

В заявках FR-A1-2918716, FR-A1-2925146 и FR-A1-2941288 приводятся описания систем впрыска топлива для таких кольцевых камер.

Классическая система впрыска содержит средства опоры и центрирования головки форсунки и первичную и вторичную закрутки, которые установлены ниже по потоку от средств опоры и соосно со средствами опоры и каждая из которых подает радиальные воздушные потоки ниже по потоку от форсунки для образования воздушно-топливной смеси, предназначенной для впрыскивания, а затем сжигания в камере сгорания. Воздух, выходящий из первичной закрутки, ускоряется в трубке Вентури, установленной между двумя закрутками. Смесительный барабан, имеющий форму усеченного конуса, установлен ниже по потоку от закруток для распыления воздушно-топливной смеси, подаваемой в камеру сгорания.

Каждая закрутка системы впрыска содержит по существу радиальные каналы, которые подают вихревой поток воздуха (“swirl” в англо-саксонской терминологии). Согласно настоящему уровню техники, эти каналы имеют квадратное или прямоугольное сечение с продольной осью, причем их расположенная выше по потоку и расположенная ниже по потоку стороны перпендикулярны этой продольной оси и соединены между собой боковыми сторонами, параллельными данной оси.

Камера сгорания снабжена кольцевым рядом топливных форсунок, который проходит вокруг продольной оси камеры. Каждая форсунка содержит один или два топливных трубопровода, каждый из которых обеспечивает подачу в винтовой канал, размещенный в головке форсунки; причем этот винтовой канал позволяет привести во вращение топливо вокруг продольной оси головки и образовать струю топлива, в которой все векторы скоростей распыленных капель топлива ориентированы в одном и том же направлении (по часовой или против часовой стрелки) относительно продольной оси головки форсунки и все образуют один и тот же угол относительно этой продольной оси. Этот угол по существу равен углу винтовой линии вышеупомянутого винтового канала, т.е. углу, образованному между прямой линией, касательной в одной точке винтового канала, и продольным углом головки форсунки.

Головка каждой форсунки вставлена в осевом направлении в вышеупомянутые средства опоры системы впрыска, причем эти средства опоры содержат осевые отверстия удаления воздуха, выходящие в радиальном направлении внутрь первичной закрутки для вентиляции трубки Вентури.

Согласно настоящему уровню техники, поток воздуха, выходящий из этих отверстий удаления, мешает вихревому потоку воздуха, подаваемому по первичной закрутке, что приводит к образованию завихрений и рециркуляции воздушно-топливной смеси в трубке Вентури и выражается в образовании налета сажи и кокса на внутренней поверхности трубки Вентури.

Этот налет может затруднять впрыскивание воздушно-топливной смеси в камеру и создавать местами участки перегрева внутри камеры, что способствует, в частности, выбросу вредных газов, таких как окиси азота (NOx).

Целью изобретения является, в частности, предложить простое, эффективное и экономически выгодное решение данной проблемы.

В связи с этим в нем предлагается кольцевая камера сгорания для турбомашины, содержащая две соосные кольцевые стенки, соответственно внутреннюю и внешнюю, соединенные на своих расположенных выше по потоку концах посредством кольцевой стенки, образующей дно камеры, и кольцевой ряд топливных форсунок, головки которых вставлены в системы впрыска топлива, установленные в отверстиях стенки дна камеры; причем каждая головка форсунки содержит, по меньшей мере, один винтовой канал прохождения топлива для приведения во вращение этого топлива вокруг продольной оси головки; а каждая система впрыска содержит, по меньшей мере, одну закрутку, соосную относительно распылительной головки форсунки и содержащую по существу радиальные каналы прохождения воздуха, имеющие продолговатое сечение, имеющее ось, при этом продольные оси сечений упомянутых каналов наклонены относительно продольной оси закрутки под углом, который по существу равен (±10°) углу винтовой линии вышеупомянутого винтового канала головки форсунки, приблизительно ±10°, и ориентированы в том же направлении, что и этот канал, вокруг продольной оси закрутки.

Оси сечений каналов закрутки по существу параллельны, приблизительно ±10°, векторам скоростей капель топлива, распыленных в системе впрыска, что позволяет потоку воздуха, подаваемого закруткой, отрезать струю топлива, ограничивая рециркуляцию воздушно-топливной смеси ниже по потоку от закрутки, а также риск образования налета кокса на внутренней поверхности трубки Вентури. В отдельном случае практической реализации изобретения, оси сечений каналов закрутки наклонены под углом, который по существу равен углу винтовой линии винтового канала головки форсунки.

Оси сечений каналов закрутки наклонены, например, под углом, составляющим приблизительно 20°-40°, относительно продольной оси закрутки.

Каждая топливная форсунка может содержать первый топливный трубопровод подачи в винтовой канал и второй независимый топливный трубопровод подачи в другой (внешний) винтовой канал, диаметр которого больше диаметра первого (внутреннего) винтового канала. Эти топливные трубопроводы обеспечивают подачу двух соосных струй топлива, имеющих форму конуса и различные углы раскрыва. Струя топлива с самым малым углом раскрыва может быть оптимизирована при запуске двигателя и при работе в режиме полного газа, а вторая струя с большим углом раскрыва может быть оптимизирована для диапазона от режима запуска до работы в режиме полного газа. Оси сечений каналов закрутки, предпочтительно, наклонены под тем же углом и в том же направлении, что и внешний винтовой канал образования струи топлива с большим углом раскрыва.

Каждый канал закрутки может иметь сечение квадратной, прямоугольной или ромбовидной формы.

Предпочтительно, закрутка выполнена в виде одной детали со средствами опоры системы впрыска.

Закрутка может содержать на своем расположенном ниже по потоку конце цилиндрический периферический выступ крепления на трубке Вентури, расположенной ниже по потоку от закрутки.

Каналы закрутки отделены друг от друга лопатками. Каждая из этих лопаток может содержать, по меньшей мере, одно сквозное отверстие прохождения воздуха, которое наклонено относительно продольной оси закрутки по существу под таким же углом и в том же направлении, что и оси сечений каналов, расположенных с одной и другой стороны данной лопатки. Эти отверстия соединены со сквозными отверстиями, выполненными в трубке Вентури, для обеспечения прохождения потока воздуха, предназначенного для прохождения вдоль внешней поверхности трубки Вентури и внутренней поверхности барабана.

Данные отверстия позволяют создать тонкий слой воздуха продувки из расширяющейся части барабана для того, чтобы помешать образованию в нем налета кокса и сажи. В осевые отверстия закрутки подается воздух, поступающий непосредственно из диффузора, что является предпочтительным. Действительно, согласно предшествующему уровню техники, тонкий слой воздуха поступает из радиальных отверстий, выполненных в цилиндрической стенке трубки Вентури; причем этот воздух должен огибать расположенную выше по потоку закрутку и подаваться в эти отверстия в статике, что снижает эффективность продувки барабана и создает благоприятные условия для рециркуляций воздуха.

Согласно варианту практической реализации изобретения, в котором каждая система впрыска содержит две закрутки, соответственно расположенную выше по потоку и расположенную ниже по потоку, и смесительный барабан содержит, по меньшей мере, один кольцевой ряд отверстий прохождения воздуха, предназначенного для смешивания с топливом, оси сечений каналов расположенной выше по потоку закрутки наклонены под таким же углом и в том же направлении, что и винтовой канал головки форсунки, а оси сечений каналов расположенной ниже по потоку закрутки ориентированы в том же направлении, что и винтового канала головки форсунки.

В случае, когда смесительный барабан содержит отверстия вышеупомянутого типа, действительно предпочтительно, чтобы воздушные потоки, подаваемые по закруткам, представляли собой прямоток относительно векторов скоростей капель струи топлива. Кроме того, угол между осями сечений каналов расположенной ниже по потоку закрутки и продольной осью закрутки может быть идентичен или отличаться от угла между осями сечений каналов расположенной выше по потоку закрутки и продольной осью.

Согласно варианту изобретения, в котором каждая система впрыска содержит две закрутки, соответственно расположенную выше по потоку и расположенную ниже по потоку, и смесительный барабан лишен отверстий прохождения воздуха, предназначенного для смешивания с топливом, оси сечений каналов расположенной выше по потоку закрутки наклонены под таким же углом и в том же направлении, что и винтовой канал головки форсунки, а оси сечений каналов расположенной ниже по потоку закрутки ориентированы в направлении, обратном винтовому каналу головки форсунки, вокруг продольной оси закрутки.

В случае, когда смесительный барабан лишен отверстий вышеупомянутого типа, действительно предпочтительно, чтобы поток воздуха, подаваемого по расположенной выше по потоку закрутке, представлял собой прямоток относительно векторов скоростей капель топлива, а поток воздуха, подаваемого по расположенной ниже по потоку закрутке, находился в противотоке к этим векторам скоростей таким образом, чтобы поток воздуха, подаваемого по расположенной ниже по потоку закрутке, обеспечивал устойчивость пламени в топочном пространстве камеры сгорания. Кроме того, угол между осями сечений каналов расположенной ниже по потоку закрутке и продольной осью закрутки может быть идентичен углу между осями сечений каналов расположенной выше по потоку закрутки и этой осью.

Каналы закрутки отделены друг от друга лопатками и могут быть расположены в радиальной плоскости. Задние кромки или радиально внутренние концы лопаток проходят, предпочтительно, на поверхности, имеющей форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении ниже по потоку, вокруг продольной оси системы впрыска.

Вихревой поток воздуха, подаваемого закруткой системы впрыска, предназначен для продувки и вентиляции головки форсунки и трубки Вентури и смешивания с топливом, впрыскиваемым в камеру. Закрутка обеспечивает, таким образом, дополнительно к своему основному назначению, осуществление функции, аналогичной функции отверстий продувки, согласно предшествующему уровню техники, и может, таким образом, рассматриваться в качестве «продувающей» закрутки. Таким образом, система впрыска, предпочтительно, не содержит отверстий продувки вышеупомянутого типа, что позволяет устранить образование турбулентных течений, связанных с взаимодействием потоков воздуха, выходящих из отверстий продувки и из закрутки, на основе предшествующего уровня техники, а также риски образования налета кокса на трубке Вентури, обусловленного такими турбулентными течениями.

Задняя кромка каждой лопатки закрутки может содержать изогнутую поверхность (вогнутую внутрь) и наклоненную, от расположенной выше по потоку части к расположенной ниже по потоку части, наружу. Поверхность, имеющая форму усеченного конуса, на которой размещены задние кромки, имеет угол раскрыва, например, от 45° до 65°, который соответствует по существу углу раскрыва струи топлива, распыляемого форсункой в системе. Задние кромки лопаток проходят, таким образом, параллельно внешней периферийной поверхности струи топлива, что облегчает смешивание воздуха с топливом в трубке Вентури.

Кроме того, ликвидация отверстий продувки позволяет уменьшить количество отверстий системы впрыска по сравнению с количеством отверстий на базе предшествующего уровня техники и увеличить диаметр оставшихся отверстий для обеспечения заданной проходимости системы (равна сумме рабочих сечений отверстий и каналов прохождения воздуха системы), что облегчает их механическую обработку, снижает их стоимость изготовления и позволяет осуществлять систему впрыска небольшого диаметра для малоразмерных турбин.

Каждая система впрыска может содержать трубку Вентури и смесительный барабан, расположенные ниже по потоку от закрутки; причем закрутка обеспечивает вентиляцию трубки Вентури путем направления потока воздуха, выходящего из закрутки, вдоль внутренней поверхности трубки Вентури.

Предпочтительно, закрутка содержит на своем расположенном ниже по потоку конце цилиндрический периферический выступ крепления на трубке Вентури.

Каждая система впрыска может содержать средства опоры и центрирования головки форсунки, причем эти средства опоры содержат внутреннюю цилиндрическую поверхность, которая предназначена для окружения головки форсунки и соединена своим расположенным ниже по потоку концом с расположенным выше по потоку концом меньшего диаметра вышеупомянутой поверхности, имеющей форму усеченного конуса.

Настоящее изобретение относится также к турбомашине, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, отличающейся тем, что она содержит кольцевую камеру сгорания, описание которой приведено выше.

Изобретение будет лучше понятно, а другие отличительные особенности, детали и преимущества станут более отчетливо видны после чтения нижеследующего описания, предложенного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера, со ссылкой на чертежи, на которых:

- фиг.1 представляет собой схематический вид, выполненный в осевом разрезе, половины диффузора и кольцевой камеры сгорания турбомашины, согласно предшествующему уровню техники;

- фиг.2 представляет собой схематический частичный вид осевого разреза топливной форсунки для камеры сгорания турбомашины;

- фиг.3 представляет собой вид в увеличенном масштабе системы впрыска, представленной на фиг.1;

- фиг.4 представляет собой вид в разрезе выполненной по линии IV-IV системы впрыска, представленной на фиг.3;

- фиг.5 представляет собой схематический частичный вид в перспективе головки форсунки и системы впрыска для камеры сгорания, согласно изобретению;

- фиг.6 и 7 изображают очень схематично направленности сечений каналов прохождения воздуха закруток системы впрыска, согласно вариантам практической реализации камеры сгорания согласно изобретению;

- фиг.8 представляет собой схематический вид осевого сечения системы впрыска, согласно изобретению;

- фиг.9 представляет собой схематический вид в перспективе (спереди и сбоку) системы впрыска, представленной на фиг.8;

- фиг.10 представляет собой схематический вид в перспективе (сзади и сбоку) закрутки системы впрыска, представленной на фиг.8;

- фиг.11 представляет собой вид расположенной ниже по потоку стороны закрутки, согласно варианту практической реализации системы впрыска согласно изобретению;

- фиг.12 представляет собой вид, соответствующий представленному на фиг.8, и изображает вариант практической реализации системы впрыска, показанный на фиг.11.

Фиг.1 изображает кольцевую камеру сгорания 10 турбомашины, такой как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель; причем данная камера расположена на выходе диффузора 12, который, в свою очередь, размещен на выходе компрессора (не показан).

Камера 10 содержит внутреннюю осесимметричную стенку 14 и внешнюю осесимметричную стенку 16, которые соединены выше по потоку кольцевой стенкой 18 дна камеры.

Кольцевой обтекатель 20 закреплен на расположенных выше по потоку концах стенок 14, 16 камеры и содержит отверстия 22 прохождения воздуха, расположенные по одной линии с отверстиями 24 стенки 18 дна камеры, в которых установлены системы 26 впрыска топлива; причем топливо подается через форсунки 28, равномерно рассредоточенные вокруг оси камеры.

Часть расхода воздуха 32, поступающего из компрессора и истекающего из диффузора 12, попадает в кольцевое пространство, ограниченное обтекателем 20, проходит в систему впрыска 26, а затем смешивается с топливом, подаваемым форсункой 28, и распыляется в камере сгорания 10.

Каждая форсунка 28 содержит головку 30 впрыска топлива, установленную в системе впрыска 26 и выровненную по оси отверстия 24 стенки дна камеры 18.

Фиг.2 изображает в увеличенном масштабе головку 30 топливной форсунки 28, содержащей два топливных трубопровода, тип которых подробно описан в заявке FR-A1-2817016 от имени заявителя.

Первый топливный трубопровод форсунки 28 содержит трубу 34 подачи, один конец которой вставлен и закреплен в цилиндрическом отверстии 36 цилиндрической детали 38, которая, в свою очередь, установлена внутри патрубка 40. Топливо по трубе подается в отверстие 36 детали 38, затем циркулирует в винтовых каналах 42, выходя на расположенном ниже по потоку свободном конце детали 38 для приведения во вращение топлива вокруг продольной оси XX головки форсунки. Расположенный ниже по потоку свободный конец патрубка 40 расположен ниже по потоку от цилиндрической детали 38 и содержит отверстие 43 эжекции топлива, часть расположенного ниже по потоку конца которого имеет сечение в форме усеченного конуса для формирования струи топлива в виде конуса, имеющего заданный угол раскрыва A.

Второй топливный трубопровод форсунки 28 содержит трубу 44 подачи, соосную с трубой 34 и имеющую больший диаметр, конец которой вставлен и закреплен в цилиндрическом отверстии 46 цилиндрической детали 38; причем данное отверстие 46 имеет сообщение по текучей среде с винтовыми каналами 48 вышеупомянутого патрубка 40. Эти каналы 48 образованы внешними винтовыми канавками, выполненными на внешней цилиндрической поверхности патрубка 40, и закрыты цилиндрическим наконечником 50, окружающим цилиндрическую деталь 38, патрубок 40 и части расположенных ниже по потоку концов труб 34, 44.

Топливо приводится во вращение вокруг продольной оси XX во время его прохождения в каналах 48, которые выходят на заднем конце патрубка 40. Расположенный ниже по потоку свободный конец наконечника 50 расположен ниже по потоку от патрубка 40 и содержит соосное отверстию 42 отверстие 52 эжекции топлива, часть расположенного ниже по потоку конца которого имеет сечение в форме усеченного конуса для формирования струи топлива в виде конуса, имеющего заданный угол раскрыва B (B больше A).

Каждая струя топлива, образуемая форсункой 28, состоит из множества капель, векторы скоростей которых ориентированы по существу одинаковым образом относительно продольной оси XX головки форсунки. Векторы скоростей этих капель образуют угол β (beta) с осью XX, причем данный угол β по существу равен углу винтовой линии упомянутых винтовых каналов 42 или 48, которые обеспечивают подачу струи топлива. Капли топлива имеют размер, составляющий приблизительно 10-100 микрон.

Система впрыска 26 в соответствии с существующим уровнем техники, лучше видимая на фиг.3, содержит две соосные закрутки: одну расположенную выше по потоку или внутреннюю закрутку 54 и одну расположенную выше по потоку или внешнюю закрутку 56, которые отделены друг от друга трубкой Вентури 58 и соединены спереди со средствами 60 опоры головки 30 форсунки 28, а сзади со смесительным барабаном 62, установленным в осевом направлении в отверстии 24 стенки 18 дна камеры.

Каждая закрутка 54, 56 содержит множество лопаток, проходящих по существу радиально вокруг оси XX закруток и равномерно рассредоточенных вокруг данной оси для обеспечения подачи вихревых потоков воздуха ниже по потоку от головки 30 впрыска. Лопатки разделяют между собой каналы для прохождения воздуха, которые наклонены или изогнуты вокруг оси XX закруток.

Средства 60 опоры головки 30 впрыска содержат кольцо 64, сквозь которое в осевом направлении проходит головка 30 впрыска и которое установлено скользящим в муфте 66, закрепленной на внутренней закрутке 54. Кольцо 64 содержит кольцевой выступ 68, радиально проходящий наружу и размещенный в кольцевой канавке муфты 66; причем внутренний диаметр кольцевой канавки муфты 66 больше внешнего диаметра выступа 68 кольца 64.

Выступ 68 кольца 64 содержит по существу осевые отверстия 70 продувки для обеспечения прохождения потока воздуха, предназначенного для очищения головки 30 форсунки для недопущения возвращения пламени к форсунке в процессе работы.

Смесительный барабан 62 содержит стенку, имеющую по существу форму усеченного конуса, расширенного в направлении ниже по потоку, и соединенную своим расположенным ниже по потоку концом с цилиндрическим выступом 72, проходящим в направлении выше по потоку и установленным в отверстии 24 стенки 18 дна камеры. Расположенный выше по потоку конец стенки барабана 62, которая имеет форму усеченного конуса, соединен с промежуточной кольцевой деталью 74, закрепленной на внешней закрутке 56.

Имеющая форму усеченного конуса стенка барабана 62 содержит кольцевой ряд отверстий 76 прохождения воздуха, размещенных вокруг оси XX. Барабан 62 содержит, кроме того, рядом со своим выступом 72 второй кольцевой ряд отверстий 78 прохождения воздуха; причем этот воздух предназначен для оказания воздействия на кольцевой буртик, радиально проходящий наружу от расположенного ниже по потоку конца имеющей форму усеченного конуса стенки барабана.

Трубка Вентури 58 в сечении имеет по существу форму L и содержит на своем расположенном выше по потоку конце внешний кольцевой выступ 80, радиально вытянутый наружу и расположенный в осевом направлении между двумя закрутками 54, 56. Трубка Вентури 58 проходит в осевом направлении ниже по потоку внутри внешней закрутки 56 и разделяет потоки воздуха, поступающие из внутренней 54 и внешней 56 закруток.

Трубка Вентури 58 внутренне разграничивает камеру предварительного смешивания, в которой часть впрыскиваемого топлива смешивается с потоком воздуха, подаваемого внутренней закруткой 54; причем данная, предварительно смешанная, воздушно-топливная смесь затем смешивается ниже по потоку трубки Вентури с потоком воздуха, поступающим по внешней закрутке 56, для образования конуса струи топлива, распыляемого внутри камеры.

Как это показано на фиг.4, количество лопаток внутренней закрутки 54 отличается от количества отверстий 70 продувки, а угловые положения отверстий и лопаток вокруг оси XX определены случайным образом.

В современном уровне техники каждый канал закруток 54, 56 имеет сечение в форме квадрата или прямоугольника и содержит расположенную выше по потоку сторону 86 и расположенную ниже по потоку сторону 88, которые соединены между собой посредством боковых сторон 90, расположенных параллельно оси XX системы впрыска.

Поток воздуха 82, подаваемый по закрутке, и поток воздуха, выходящий через отверстия 70 продувки, пересекаются, что создает рециркуляции 84 и азимутальную гетерогенность расхода воздуха, поступающего в трубку Вентури 58, причем срезание струи топлива потоком воздуха 68 не является, таким образом, оптимальным.

Изобретение позволяет устранить эти проблемы благодаря системе впрыска 126, как это изображено на фиг.5, в которой каналы 100 закрутки 154 (расположенной выше по потоку в случае системы с двумя закрутками) имеют продолговатые сечения с продольной осью, параллельной боковым сторонам 190 каналов, и наклонены под углом β' относительно оси XX закрутки; причем данный угол β' по существу равен (приблизительно ±10°) углу винтовой линии вышеупомянутых винтовых каналов 48 головки 30 форсунки и векторам скоростей капель топлива струи, образуемой посредством этих каналов.

Поток воздуха, подаваемого по закрутке 154, параллелен и представляет собой прямоток относительно векторов скоростей капель топлива струи, что позволяет данному потоку воздуха обрезать струю, ограничивая риски рециркуляции воздушно-топливной смеси и образования налета кокса на трубке Вентури (не показана), расположенной ниже по потоку от закрутки.

В представленном примере средства 160 опоры головки 30 форсунки выполнены из одной детали вместе с закруткой 154, которая содержит на своем расположенном ниже по потоку конце внешний периферический выступ 102 крепления на трубке Вентури.

Боковые стенки 190 каждого канала 100 закрутки 154 соединены между собой своими расположенными выше по потоку концами посредством расположенной выше по потоку стенки, перпендикулярной оси XX. Каналы 100 закрыты ниже по потоку радиальной расположенной выше по потоку стороной трубки Вентури, которая определяет расположенные ниже по потоку стенки каналов 100, причем эти расположенные ниже по потоку стенки каналов перпендикулярны оси XX.

Каналы 100 закрутки 154 отделены друг от друга по существу радиальными лопатками, в которых просверлены отверстия 104 продувки, проходящие сквозь закрутку по всему ее осевому размеру. Эти отверстия 104 продувки выходят своими расположенными выше по потоку концами на расположенную выше по потоку радиальную сторону закрутки 154, а их расположенные ниже по потоку концы сообщаются с соответствующими отверстиями трубки Вентури для обеспечения прохождения потока воздуха для продувки на внешнюю поверхность трубки Вентури и внутреннюю поверхность, имеющую форму усеченного конуса, смесительного барабана, расположенного ниже по потоку от трубки Вентури; причем трубка Вентури и смесительный барабан системы впрыска, согласно изобретению, аналогичны трубке Вентури и смесительному барабану, изображенным на фиг.3. Отверстия 104 продувки наклонены под таким же углом β' вокруг оси XX.

В случае, когда система впрыска, согласно изобретению, содержит две соосные закрутки и смесительный барабан (как это показано на фиг.3), оси сечений каналов закруток могут быть ориентированы в одном и том же направлении или в противоположных направлениях вокруг оси XX, как это схематически изображено на фиг.6 и 7.

Поперечные сечения канала расположенной выше по потоку закрутки и канала расположенной ниже по потоку закрутки схематически изображены на фиг.6 и 7 в виде прямоугольников.

На фиг.6 оси сечений каналов расположенной выше по потоку 254 и ниже по потоку 256 закруток ориентированы в одном и том же направлении и обеспечивают подачу потоков воздуха, прямоточных векторам скоростей капель струи топлива. Угол β₁ между осями сечений каналов расположенной выше по потоку закрутки 254 и углом XX по существу равен, приблизительно ±10°, вышеупомянутому углу между векторами скоростей капель и осью XX, а угол β₂ между осями сечений каналов расположенной ниже по потоку закрутки 256 и осью XX равен β₁ или отличается от угла β₁. Данный вариант практической реализации изобретения адаптирован, в частности, к системе впрыска, в которой смесительный барабан содержит отверстия прохождения воздуха, предназначенного для смешивания с топливом в процессе работы, т.е. отверстия типа отверстий, обозначенных цифровой позицией 76 на фиг.3.

На фиг.7 оси сечений каналов расположенных выше по потоку 354 и ниже по потоку 356 закруток ориентированы в противоположных направлениях и обеспечивают подачу потоков воздуха, соответственно, в прямотоке и противотоке относительно векторов скоростей капель струи топлива. Угол β₁' между осями сечений каналов расположенной выше по потоку закрутки 354 и осью XX по существу равен, приблизительно ±10°, вышеупомянутому углу между векторами скоростей капель и осью XX, а угол β₂' между боковыми сторонами 390 каналов расположенной ниже по потоку закрутки 256 и осью XX по существу равен углу β₁'. Данный вариант практической реализации, в частности, адаптирован для системы впрыска, в которой смесительный барабан лишен отверстий прохождения воздуха, предназначенного для смешивания с топливом во время работы, т.е. отверстий типа отверстий, обозначенных цифровыми позициями 76 на фиг.3. Поток воздуха, подаваемого по расположенной ниже по потоку закрутке, таким образом, предназначен для обеспечения устойчивости пламени в камере сгорания.

Вышеупомянутая система впрыска может содержать одну закрутку для продувки, предназначенную для одновременного очищения головки форсунки и внутренней поверхности трубки Вентури (и, таким образом, обеспечения функции очищения) и смешивания с топливом, подаваемым форсункой.

Закрутка для продувки, согласно изобретению, содержит по существу радиальные лопатки, радиально внутренние задние кромки которых наклонены от расположенной выше по потоку части к расположенной ниже по потоку части наружу и проходят по поверхности, имеющей форму усеченного конуса, расширяющейся в направлении ниже по потоку, вокруг оси A системы впрыска.

Закрутка для продувки находится в радиальной плоскости. Каналы закрутки содержат расположенные выше по потоку и ниже по потоку радиальные стороны, которые по существу параллельны между собой и в поперечной плоскости перпендикулярны оси A системы впрыска.

Согласно примеру, изображенному на фиг.8-10, средства 140 опоры головки 130 форсунки и расположенная выше по потоку 134, или внутренняя, закрутка выполнены в виде одной детали.

Средства 140 опоры содержат внутреннюю цилиндрическую поверхность 174, расположенный ниже по потоку конец которой соединен с расположенным выше по потоку концом поверхности 176, имеющей форму усеченного конуса, определенную задними кромками 178 лопаток 180 закрутки 134. Как это далее лучше видно на фиг.10, задняя кромка каждой лопатки 180 содержит вогнутую поверхность, изогнутую внутрь и наклоненную, от расположенной выше по потоку части к расположенной ниже по потоку части, наружу.

Средства 140 опоры содержат цилиндрическую стенку 184, определяющую внутри вышеупомянутую цилиндрическую поверхность 174, соединенную своим расположенным выше по потоку концом со стенкой 182, имеющей форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении выше по потоку, а своим расположенным ниже по потоку концом - с радиальной стенкой 186, проходящей наружу.

Лопатки 180 закрутки 134 соединены своими расположенными выше по потоку концами с радиальной стенкой 186 средств 140 опоры. Каналы 188, ограниченные лопатками 180 закрутки, образованы пазами, выходящими в осевом направлении ниже по потоку и закрытыми расположенной выше по потоку радиальной стороной трубки Вентури 138, разделяя закрутку 134 барабана 142.

Кроме того, лопатки 180 содержат на своих расположенных ниже по потоку концах внешний периферический выступ 189 цилиндрической формы, который служит для центрирования и крепления закрутки на трубке Вентури 138. Каждая лопатка 180 закрутки 134 содержит внешний периферический выступ на части цилиндра (фиг.9 и 10).

Как это изображено на фиг.8, задние кромки 178 лопаток закрутки 134 проходят параллельно внешней периферической поверхности струи топлива 191, которое подается через форсунку в виде конуса.

В случае, когда форсунка снабжена двумя топливными трубопроводами, она может осуществлять подачу двух соосных струй топлива, причем первая струя топлива 192 имеет форму конуса с углом раскрыва α1, а вторая коаксиальная струя топлива 191 имеет форму конуса с углом раскрыва α2 (больше угла α1). Первая струя топлива 192 может быть оптимизирована при запуске двигателя и для работы в режиме полного газа, а вторая струя 191 может быть оптимизирована для диапазона режимов от запуска до работы в режиме полного газа.

Предпочтительно, задние кромки 178 лопаток 180 закрутки 134 параллельны внешней периферической поверхности второй струи топлива 191 и образуют, таким образом, угол α2 с осью A, где α2 может составлять, например, 45°-65°.

Задние кромки 178 лопаток 180 расположены на одинаковом расстоянии от внешней периферической поверхности струи 191. Количество движений потока воздуха, подаваемого по закрутке 134, является величиной постоянной на протяжении всего осевого размера закрутки. Данный поток воздуха разрезает струю топлива 191 одинаковым образом на протяжении всего осевого размера закрутки. Кроме того, часть 194 потока воздуха, выходящего на уровне частей расположенных выше по потоку концов задних кромок 178 лопаток, предназначена для продувания конца головки 130 форсунки и разрезания струи топлива 191 без возмущающего воздействия.

Согласно изображенному примеру, каналы 188 закрутки 134 имеют сечение квадратной формы, которое является постоянным на протяжении всего радиального размера закрутки.

Как это показано на фиг.8-10, осевое отверстие 196 прохождения воздуха выполнено в каждой лопатке 180 и сообщается с осевым отверстием 197 прохождения воздуха трубки Вентури 138. Отверстия 196 выходят своими расположенными выше по потоку концами на расположенную выше по потоку радиальную сторону радиальной стенки 186 средств центрирования, а отверстия 197 выходят своими расположенными ниже по потоку концами в радиальном направлении наружу трубки Вентури 138. Воздух 198, который выходит из отверстий 197, предназначен для циркуляции на внешней поверхности трубки Вентури и образования тонкого слоя воздуха для продувания радиально внутренней поверхности барабана 142 для препятствования образованию налета кокса на данной поверхности.

Смесительный барабан 142 системы впрыска установлен ниже по потоку от закрутки 136 и содержит, как и в предшествующем уровне техники, стенку, которая имеет форму по существу усеченного конуса, расширяющегося в направлении ниже по потоку, и соединена своим расположенным ниже по потоку концом с цилиндрическим выступом 152, проходящим выше по потоку. Стенка, имеющая форму усеченного конуса, содержит кольцевой ряд отверстий 156 прохождения воздуха, расположенных вокруг оси A. Выступ 152 содержит кольцевой ряд отверстий 158 прохождения воздуха, причем этот воздух предназначен для воздействия на кольцевой буртик 159, проходящий в радиальном направлении наружу от расположенного ниже по потоку конца стенки барабана, имеющей форму усеченного конуса.

Ряды отверстий 156, 158 расположены на окружностях, диаметры которых по существу равны или больше максимального внешнего диаметра средств 140 опоры и закрутки 134. Поток воздуха 161, который подается в эти отверстия, не огибает, таким образом, систему впрыска, что ограничивает возмущающие воздействия данного потока и оптимизирует подачу в отверстия 156, 158.

Изобретение позволяет (за счет устранения отверстий продувки) для заданной проходимости системы впрыска оптимизировать с определенной точностью диаметр отверстий 156, 158 смесительного барабана и размеры каналов закруток 134, 136. Согласно частному случаю практической реализации изобретения, суммарные сечения отверстий 158 смесительного барабана и каналов внешней закрутки 136 составляют 20-30% общей проходимости системы, а суммарные сечения отверстий 156 смесительного барабана и каналов 188 внутренней закрутки 134 составляют 70-80% данной проходимости. Таким образом, 70-80% расхода воздуха, поступающего в систему впрыска, предназначено для смешивания с топливом, подаваемым форсункой.

Согласно варианту практической реализации, изображенному на фиг.11 и 12, система впрыска отличается от системы, описание которой было приведено ранее, тем, что каналы 288 ее внутренней закрутки 234 имеют сечение, которое уменьшается в радиальном направлении снаружи внутрь.

Ширина L1 или круговой размер каждого канала 288 на уровне расположенных ниже по потоку концов задних кромок 276 лопаток 280, расположенных с одной и другой сторон данного канала, больше ширины этого же канала на уровне расположенных выше по потоку концов вышеупомянутых задних кромок (фиг.11).

Выпускное сечение воздуха на уровне задних кромок 276 лопаток 280, таким образом, больше на уровне расположенных ниже по потоку концов задних кромок, чем на уровне расположенных выше по потоку концов. В связи с тем, что данное сечение является калибрующим, количество движений воздуха больше на расположенном ниже по потоку конце закрутки, чем на ее расположенном выше по потоку конце (стрелки 294), и оно равномерно увеличивается между ее расположенным выше по потоку концом и ее расположенным ниже по потоку концом ввиду увеличения ширины выхода каналов между этими концами.

Также согласно другому варианту, который не показан, сечение каналов внутренней закрутки системы впрыска может иметь прямоугольную или трапециевидную форму, а не квадратную, как в примерах, описание которых было приведено ранее. В случае, когда данное сечение имеет трапециевидную форму, каждая лопатка закрутки может содержать боковые стороны, сходящиеся от расположенной ниже по потоку части к расположенной выше по потоку части.

Кольцевая камера сгорания для турбомашины содержит соосные кольцевые внутреннюю стенку и внешнюю стенку, соединенные на своих расположенных выше по потоку концах посредством кольцевой стенки, образующей дно камеры, кольцевой ряд топливных форсунок, головки которых вставлены в системы впрыска топлива, установленные в отверстиях стенки дна камеры. Каждая головка форсунки имеет продольную ось и содержит, по меньшей мере, винтовой канал прохождения топлива для приведения во вращение этого топлива вокруг продольной оси головки форсунки. Каждая система впрыска содержит, по меньшей мере, одну закрутку, расположенную на той же продольной оси, что и головка форсунки, и содержащую по существу радиальные каналы прохождения воздуха, имеющие соответствующие продольные оси, вдоль которых каждый канал имеет продольное сечение. Продольные оси продольных сечений каналов наклонены относительно продольной оси закрутки под углом, который по существу равен, в пределах ±10°, углу винтовой линии винтового канала головки форсунки. Продольные оси сечений каналов ориентированы в том же направлении, что и указанный канал, вокруг продольной оси закрутки. Изобретение направлено на повышение эффективности и экономичности камеры сгорания. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Кольцевая камера (10) сгорания для турбомашины, содержащая соосные кольцевые внутреннюю стенку (14) и внешнюю стенку (16), соединенные на своих расположенных выше по потоку концах посредством кольцевой стенки (18), образующей дно камеры, кольцевой ряд топливных форсунок (28), головки (30) которых вставлены в системы (126) впрыска топлива, установленные в отверстиях (24) стенки дна камеры; причем каждая головка форсунки имеет продольную ось и содержит, по меньшей мере, винтовой канал (42, 48) прохождения топлива для приведения во вращение этого топлива вокруг продольной оси (XX) головки форсунки, а каждая система впрыска содержит, по меньшей мере, одну закрутку (154), расположенную на той же продольной оси, что и головка форсунки, и содержащую по существу радиальные каналы (100) прохождения воздуха, имеющие соответствующие продольные оси, вдоль которых каждый канал имеет продольное сечение, отличающаяся тем, что продольные оси упомянутых продольных сечений каналов (100) наклонены относительно продольной оси закрутки под углом (β′), который по существу равен, в пределах ±10°, углу винтовой линии (β) винтового канала головки форсунки, и продольные оси сечений каналов ориентированы в том же направлении, что и этот канал, вокруг продольной оси закрутки.

2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что оси сечений каналов (100) закрутки (154) наклонены под углом (β′), составляющим приблизительно 20°-40°, относительно продольной оси (XX) закрутки.

3. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каждая топливная форсунка (28) содержит топливный трубопровод подачи в первый винтовой канал (42) и другой независимый топливный трубопровод подачи во второй винтовой канал (48), диаметр которого больше диаметра первого винтового канала, причем оси сечений каналов закрутки наклонены под таким же углом и в том же направлении, что и этот второй винтовой канал.

4. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каждый канал (100) закрутки (154) имеет сечение квадратной, прямоугольной или ромбовидной формы.

5. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что закрутка (154) содержит на своем расположенном ниже по потоку конце цилиндрический периферический выступ (102) крепления на трубке Вентури.

6. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каналы (100) закрутки (154) отделены друг от друга лопатками, причем каждая из этих лопаток содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие (104) прохождения воздуха, которое наклонено относительно продольной оси (XX) закрутки под таким же углом (β′) и в том же направлении, что и оси сечений каналов, расположенных с одной и другой стороны этой лопатки.

7. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каждая система впрыска содержит две закрутки, соответственно расположенную выше по потоку (254) и расположенную ниже по потоку (256), и смесительный барабан, содержащий, по меньшей мере, один кольцевой ряд отверстий прохождения воздуха, предназначенного для смешивания с топливом; причем оси сечений каналов расположенной выше по потоку закрутки наклонены под таким же углом (β₁) и в том же направлении, что и винтовой канал головки форсунки, а оси сечений каналов расположенной ниже по потоку закрутки ориентированы в том же направлении, что и винтовой канал головки форсунки, вокруг продольной оси закрутки.

8. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каждая система впрыска содержит две закрутки, соответственно расположенную выше по потоку (354) и расположенную ниже по потоку (356), и смесительный барабан, лишенный отверстий прохождения воздуха, предназначенного для смешивания с топливом; причем оси сечений каналов расположенной выше по потоку закрутки наклонены под таким же углом (β₁′) и в том же направлении, что и винтовой канал головки форсунки, а оси сечений каналов расположенной ниже по потоку закрутки ориентированы в направлении, обратном винтовому каналу головки форсунки, вокруг продольной оси закрутки.

9. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каналы отделены друг от друга лопатками и расположены в радиальной плоскости; причем задние кромки (178) или радиально внутренние концы лопаток проходят на поверхности, имеющей форму усеченного конуса, расширяющегося в направлении ниже по потоку, вокруг продольной оси системы впрыска.

10. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каждая система впрыска содержит трубку Вентури (138) и смесительный барабан (142), расположенные ниже по потоку от закрутки; причем закрутка обеспечивает вентиляцию трубки Вентури путем направления потока воздуха, выходящего из закрутки, вдоль внутренней поверхности трубки Вентури.

11. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что закрутка (134) содержит на своем расположенном ниже по потоку конце цилиндрический периферический выступ (189) крепления на трубке Вентури (138).

12. Камера по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что каждая система впрыска содержит средства (140) опоры и центрирования головки форсунки (28); причем данные средства опоры содержат внутреннюю цилиндрическую поверхность (174), которая предназначена для окружения головки (130) форсунки и соединена своим расположенным ниже по потоку концом с расположенным выше по потоку концом меньшего диаметра вышеупомянутой поверхности, имеющей форму усеченного конуса.

13. Турбомашина, такая как авиационный турбореактивный или турбовинтовой двигатель, отличающаяся тем, что она содержит кольцевую камеру (10) сгорания по любому из предшествующих пунктов.