ДВУХКОНТУРНАЯ ФОРСУНКА ДЛЯ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ ТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2017 года по МПК F23R3/30 F23R3/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к форсункам камеры сгорания турбинных двигателей, в частности, к форсункам запуска горения.

Изобретение также относится к турбинным двигателям, оснащенным такими форсунками.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как видно на фиг. 1, турбинные двигатели 1 обычно содержат камеру 10 сгорания и распределитель 20, расположенные в кожухе 30, причем камера сгорания ограничена внешней 14 и внутренней 12 стенками вращения, одна из которых проходит внутри другой и которые соединены посредством кольцевой нижней стенки 16 камеры.

Кожух также имеет внутреннюю стенку 32 и внешнюю стенку 31, к которым соответственно прикреплены внутренняя 12 и внешняя 14 стенки камеры сгорания.

Смесь воздуха и топлива впрыскивается в камеру сгорания посредством множества форсунок 18, установленных на нижней стенке камеры и распределенных по всей ее окружности.

В камере сгорания расположено несколько типов форсунок, включающих в себя пусковые форсунки, которые содержат распылитель, впрыскивающий смесь воздуха и топлива, и свечу зажигания, зажигающую эту смесь.

В качестве характеристики форсунок используется величина, называемая Числом Потока (Flow Number (FN)), равным расходу в литрах в час форсунки, поделенному на давление в бар впрыскиваемой смеси. Пусковые форсунки обычно имеют число потока в диапазоне 1,2-1,5.

Другие форсунки относятся к скоростям после запуска: к скоростям переходного ускорения и замедления и к скоростям в полете. Эти форсунки имеют гораздо большее число потока, в диапазоне 9-10, то есть их расход впрыскивания топлива выше.

Эти форсунки содержат распылители, выбрасывающие смесь воздуха и топлива на горячую стенку камеры сгорания, причем эта стенка ранее нагрета посредством пусковой форсунки, так что топливо зажигается при соприкосновении с ней.

Обычные пусковые форсунки имеют некоторые недостатки, включающие в себя значительный эффект сдувания, связанный с потоком воздуха в камере сгорания, который предотвращает запуск или повторный запуск двигателя, поскольку последний не замедлился до 20% своей мощности или ниже. Следовательно, только что выключенный двигатель не может быть сразу же повторно запущен.

Двигатели также становятся более хрупкими из-за потребности в двух окнах на каждую форсунку в камере сгорания и в кожухе, поскольку распылитель и свеча зажигания должны входить вовнутрь камеры.

Также, во время запуска двигателя вся камера сгорания должна быть зажжена одновременно. Но, как известно, поскольку расход потока пусковых форсунок является низким, необходимо располагать большое количество форсунок по всей окружности нижней стенки камеры сгорания. Это прибавляет двигателю вес и увеличивает стоимость его производства.

В документе US 2949012 описана камера сгорания, содержащая пусковую форсунку, расположенную в пространстве камеры сгорания, принимающем поток воздуха из упомянутой камеры. Топливо, подожженное посредством этой форсунки, нагревает стенку, в направлении которой топливо впрыскивается через главную форсунку, так что топливо зажигается при соприкосновении со стенкой.

Этот агрегат в камере сгорания не корректирует эффект сдувания, поскольку, в частности, пусковая форсунка обнажена для потока воздуха камеры сгорания. Следовательно, в случае высокой скорости двигателя запустить зажигание топлива невозможно.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Цель изобретения заключается в устранении по меньшей мере одного из упомянутых выше недостатков. В частности, цель изобретения заключается в разработке форсунки камеры сгорания для запуска камеры независимо от скорости двигателя.

Другая цель изобретения заключается в обеспечении более быстрого зажигания камеры сгорания, что, соответственно, увеличивает экономию топлива.

В этом отношении, целью изобретения является пусковая форсунка для камеры сгорания турбинного двигателя, выполненная так, чтобы быть установленной на стенке камеры сгорания и оканчиваться в последней через окно стенки, причем пусковая форсунка содержит:

- контур впрыска топлива,

- контур зажигания топлива, содержащий топливную форсунку, питаемую посредством контура впрыска топлива, и свечу зажигания впрыснутого топлива,

причем пусковая форсунка отличается тем, что она дополнительно содержит:

- разделенную оболочку, содержащую первый отсек, в котором происходит зажигание топлива посредством свечи зажигания, и второй отсек, отделенный от первого посредством теплопроводной перегородки, и

- главный контур запуска горения, содержащий по меньшей мере одну топливную форсунку, питаемую посредством упомянутого контура впрыска топлива и оканчивающуюся во втором отсеке оболочки с возможностью впрыскивания топлива в направлении упомянутой стенки.

Преимущественно, хотя и необязательно, изобретение может также содержать один из следующих отличительных признаков:

- контур впрыска топлива содержит вход подачи топлива и разгрузочный клапан, блокирующий питание контура запуска горения, когда давление топлива меньше, чем заданная пороговая величина,

- пороговая величина давления, ниже которой разгрузочный клапан блокирует питание контура запуска горения, лежит в диапазоне 2,5-3 бар,

- топливная форсунка контура запуска представляет собой форсунку с предварительным испарением, выполненную с возможностью испарения топлива,

- разделенная оболочка содержит отверстие выхода топлива, общее для обоих отсеков,

- свеча зажигания представляет собой свечу накаливания или свечу зажигания,

- оболочка имеет внешнюю стенку, оснащенную отверстиями подачи воздуха.

Другой целью изобретения является агрегат горения для турбинного двигателя, содержащий камеру сгорания турбинного двигателя и по меньшей мере одну пусковую форсунку согласно изобретению.

Наконец, целью изобретения является турбинный двигатель, содержащий камеру сгорания и по меньшей мере одну форсунку согласно изобретению.

Преимущественно, хотя и необязательно, турбинный двигатель согласно изобретению содержит кожух, в котором расположена камера сгорания, и форсунка прикреплена к упомянутому кожуху так, что:

- разделенная оболочка входит вовнутрь камеры сгорания через кожух и стенку упомянутой камеры,

- отверстие выхода топлива упомянутой оболочки оканчивается в камере сгорания, и

- отверстия подачи воздуха стенок упомянутой оболочки оканчиваются в промежутке между кожухом и камерой сгорания.

Разработанная согласно изобретению форсунка имеет множество преимуществ.

Благодаря тому, что контур зажигания топлива расположен в оболочке, форсунка гораздо меньше подвержена воздействию феномена сдувания, поскольку оболочка выполняет функцию предварительной камеры сгорания, стенки которой сдерживают воздух. Следовательно, зажигание топлива происходит быстрее и значительно уменьшает потребление топлива при запуске.

Также, защита от сдувания позволяет запускать или повторно запускать камеру сгорания, даже когда последняя только что была остановлена, без необходимости ожидания замедления двигателя до 20% его мощности.

Благодаря своему главному пусковому контуру форсунка имеет большее количество топлива, чем традиционная пусковая форсунка. Это количество зажигает большую часть камеры сгорания, и, следовательно, уменьшается количество форсунок, которые нужно использовать и зажигать одновременно. Турбинный двигатель зажигается и, следовательно, является более дешевым в производстве и более экономичным по топливу.

Наконец, форсунка согласно изобретению является компактной, поскольку она содержит единственный контур впрыска топлива, который питает оба контура зажигания топлива, благодаря чему в стенках кожуха и камеры сгорания требуется только одно окно на форсунку.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие характеристики и преимущества изобретения будут понятны из последующего описания, являющегося исключительно иллюстративным и неограничивающим и которое следует читать совместно с прилагаемыми чертежами, на которых:

- фиг. 1 представляет собой вид в разрезе кожуха турбинного двигателя на уровне камеры сгорания;

- на фиг. 2 показан вариант осуществления форсунки согласно изобретению;

- на фиг. 3 схематично показан контур впрыска топлива форсунки с фиг. 2;

- на фиг. 4a-4c показаны виды в разрезе форсунки, показанной на фиг. 2, причем фиг. 4a является видом в разрезе по оси AA, показанной на фиг. 4c, и фиг. 4b является видом в разрезе по оси BB, показанной на фиг. 4c;

- на фиг. 5 показан вид снизу форсунки с фиг. 2;

- на фиг. 6 показана иллюстрация форсунки в камере сгорания турбинного двигателя;

- на фиг. 7 показана хронология зажигания камеры сгорания посредством форсунки согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обратимся к фиг. 2, на которой проиллюстрирована пусковая форсунка 100 камеры сгорания турбинного двигателя. Она содержит свечу 101 зажигания топлива и вход 102 топлива.

Свеча 101 зажигания может быть свечой зажигания или предпочтительно свечой накаливания, размер которой меньше по сравнению со свечой зажигания, что уменьшает объем форсунки 100.

Как видно на фиг. 3, форсунка 100 содержит контур 120 впрыска топлива, находящийся в сообщении по текучей среде с входом 102 топлива и с двумя контурами 130 и 140, предназначенными для зажигания камеры сгорания.

Как, опять же, видно на фиг. 2, контур впрыска топлива расположен в корпусе 103 форсунки, выполненном с возможностью закрепления на кожухе 30 турбинного двигателя 1, например, посредством болтового соединения.

Из корпуса 103 выступает оболочка 104, в которой происходит зажигание топлива перед вхождением последнего в камеру сгорания. Как видно на фиг. 4a-4c, форсунка прикреплена к кожуху 30 так, что эта оболочка 104 входит вовнутрь кожуха 30 через окно 33, расположенное на последнем.

Также она входит вовнутрь камеры 10 сгорания через окно 11, расположенное во внешней стенке 14 последней, причем это окно обращено к окну 33 кожуха.

Оболочка 104 оканчивается внутри камеры 10 сгорания через выходное отверстие 109 для горящего топлива.

Как видно на фиг. 4a-4c, оболочка 104 содержит стенку 105, образующую теплопроводную перегородку между двумя отсеками 106 и 107. Эта стенка 105 преимущественно выполнена из металла, например, стали.

Как видно на фиг. 6, на которой показан вид снизу форсунки 100, и на фиг. 4a и 4c, стенка 105 не разделяет полностью два отсека 106 и 107.

На самом деле, отсек 106 имеет выходное отверстие 108 для зажигаемого топлива, причем это отверстие оканчивается в отсеке 107, преимущественно рядом с выходным отверстием 109 для горящего топлива этого отсека 107.

“Рядом с отверстием 109” означает, что отверстие 108 оканчивается в отсеке 107 в зоне, достаточно близкой к отверстию 109 для того, чтобы содержать только зажигаемое топливо, причем зажигание топлива происходит дальше вверх по потоку в отсеке 107 относительно траектории топлива в этом отсеке.

Следовательно, отверстие 108 первого отсека 106 сообщается со вторым отсеком 107 так, чтобы все подожженное топливо выходило из форсунки 100 через отверстие 109 второго отсека 107.

Стенка 105, образующая перегородку между двумя отсеками 106, 107, удерживается на месте посредством множества проставок 110, которые проходят через отсек 106, между стенкой 105 и стенкой 111 разделенной оболочки 104, расположенной напротив последней.

Промежутки между этими проставками 110 образуют отверстие 108 первого отсека 106.

Наконец, стенка 112 разделенной оболочки, проходящая напротив стенки 111 относительно стенки 105, имеет множество окон 113 подачи воздуха, обеспечивающих горение топлива в отсеке 107.

Одна из стенок, охватывающих отсек 106, например стенка 111, или одна из стенок, смежных с последней, также содержит окна 114 подачи воздуха, видимые на фиг. 5.

Эти окна оканчиваются в промежутке 50, который расположен между внешней стенкой 14 камеры сгорания и соответствующей стенкой 31 кожуха и в котором циркулирует поток воздуха.

Теперь будут описаны два контура зажигания камеры 10 сгорания. На фиг. 4a показан первый контур 130 зажигания камеры сгорания.

Этот контур представляет собой контур зажигания топлива. В этом отношении, он содержит топливную форсунку 132, которая питается топливом посредством контура 110 впрыска топлива и которая выбрасывает топливо в первый отсек 106 разделенной оболочки 104. Топливо, впрыснутое в отсек 106, зажигается посредством конца свечи 101 зажигания, который входит вовнутрь отсека 106.

Подожженное топливо нагревает стенки разделенной оболочки, окружающие отсек 107, и, в частности, перегородку 105, отделяющую первый отсек 106 от второго отсека 107.

Будучи подожженным, топливо выходит в камеру сгорания через отверстие 108, затем через отверстие 109 отсека 107.

Как видно на фиг. 4b и 4c, второй контур 140 зажигания камеры сгорания, называемый главным контуром запуска горения, поскольку он имеет большое количество топлива, вызывающего зажигание камеры сгорания, содержит по меньшей мере одну топливную форсунку 142, предпочтительно две форсунки 142, также питаемые посредством того же контура 120 впрыска топлива.

Эти форсунки 142 представляют собой форсунки с предварительным испарением, которые выбрасывают вовнутрь отсека 107 топливо в форме пара, в котором соприкосновение с достаточно горячими стенками оболочки 104 вызывает зажигание топлива. Предпочтительно, форсунки 142 ориентированы к перегородке 105, нагреваемой посредством контура 130 зажигания, для выбрасывания топлива к этой перегородке и так, чтобы топливо зажигалось при соприкосновении с этой перегородкой.

Будучи подожженным, топливо входит в камеру 10 сгорания через отверстие 109 отсека 107.

На фиг. 6 проиллюстрирована форсунка 100, расположенная на камере 10 сгорания. Форсунка расположена на внешней кольцевой стенке 14 камеры сгорания и оканчивается в последней через отверстие 109. Также предусмотрены стержни 40 предварительного испарения для зажигания большего количества топлива из подожженного топлива, впрыскиваемого посредством форсунок 100. Эти стержни предварительного испарения расположены на задней стенке 16 камеры 10 сгорания.

Как, опять же, видно на фиг. 3, контур 120 впрыска топлива является общим для обоих контуров 130 и 140 зажигания камеры сгорания. Для обеспечения подачи топлива, приспособленной для каждого контура, контур впрыска топлива содержит питающий выход 121 топливной форсунки 132 первого контура 130 зажигания и один или более выходов 122 для питания такого же количества форсунок 142 второго контура 140.

Также, разгрузочный клапан 123 блокирует выходы 122 топлива при давлении топлива, меньшем, чем заданная пороговая величина, например, лежащая в диапазоне 2,5-3 бар, так, чтобы при таком давлении топливо текло только к топливной форсунке 132.

Когда давление топлива превышает упомянутую пороговую величину, разгрузочный клапан 123 освобождает отверстия 122 для питания форсунок второго контура 140.

Для этого разгрузочный клапан 123 содержит первый канал 125, проходящий от отверстия 102 подачи топлива, оканчивающийся у выхода 121, а также у второго канала 126, имеющего больший диаметр, чем первый канал 125. Из-за этого второй канал 126 имеет периферийный обод 127 на уровне соединения с первым каналом 125.

Шар 128, диаметр которого больше, чем диаметр первого канала 125, но меньше, чем диаметр второго канала 126, расположен во втором канале 126 с возможностью сдвига относительно последнего.

Он упирается в кольцевой обод 127 посредством пружины 129, настройка которой, то есть давление, оказываемое ею для противодействия возвращающей силе и сжатию пружины, соответствует упомянутой выше пороговой величине давления для освобождения питающих отверстий 122 форсунок второго контура 140.

Таким образом, когда давление топлива меньше, чем, например, 2,5 бар, шар 128 упирается в обод 127, и благодаря своему диаметру, который больше, чем диаметр канала 125, он блокирует последний. Топливо течет только к отверстию 121. Когда давление топлива повышается и превышает настройку пружины (лежащую в диапазоне 2,5-3 бар), это давление является достаточным для сдвигания шара 128 и обеспечения потока топлива к отверстиям 122.

В этой последней ситуации топливо течет к отверстиям 122 и к отверстию 121 одновременно так, чтобы продолжалось питание контура 130 зажигания.

Изложенное выше устройство контура 120 впрыска топлива и двух форсунок 130, 140 начинает цикл зажигания камеры сгорания. Главные этапы этого цикла показаны на фиг. 7. Ячейки, содержащие термины “OK”, означают, что объект соответствующего столбца приведен в действие или работает.

На этапе 200 зажигается свеча 101 зажигания, и топливо под давлением, которое ниже, чем настройка пружины, циркулирует в контуре впрыска топлива.

На этапе 210 топливо входит в контур зажигания и зажигается благодаря свече зажигания.

На этапе 220 давление топлива повышается так, что топливо продолжает входить в контур зажигания и зажигаться, тогда как топливо также впрыскивается во второй отсек 107 и зажигается при соприкосновении с перегородкой 105. Затем подожженное топливо входит в камеру сгорания.

На этапе 230 количество подожженного топлива, впрыснутого в камеру 10 сгорания, вызывает зажигание последней.

На этапе 240 свеча зажигания и подача топлива останавливаются, тогда как камера сгорания зажигается повторно.

Наконец, на этапе 250 как контур зажигания двух камер, так и контур впрыска топлива продуваются.

Затем цикл повторяется с этапа 200.

Изобретение относится к пусковой форсунке для камеры сгорания турбинного двигателя. Пусковая форсунка содержит контур впрыска топлива, контур зажигания топлива, включающий в себя топливную форсунку, питаемую посредством контура впрыска топлива, а также свечу зажигания для зажигания впрыснутого топлива. Пусковая форсунка также содержит разделенную оболочку, включающую в себя первый отсек, в котором топливо зажигается посредством свечи зажигания, и второй отсек, отделенный от первого отсека теплопроводной перегородкой. Кроме того, пусковая форсунка содержит главный контур запуска горения, который включает в себя одну дополнительную топливную форсунку, питаемую посредством контура впрыска топлива, и при этом открывающуюся во второй отсек оболочки так, чтобы впрыскивать топливо в направлении стенки. Изобретение также относится к агрегату сгорания и к турбинному двигателю, каждый из которых содержит по меньшей мере одну такую пусковую форсунку. Изобретение позволяет реализовать запуск камеры сгорания независимо от скорости двигателя, а также обеспечивает быстрое зажигание топлива, что увеличивает экономию топлива. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Пусковая форсунка (100) для камеры сгорания турбинного двигателя, выполненная так, чтобы быть установленной на стенке камеры сгорания и оканчиваться в последней через окно стенки, причем пусковая форсунка содержит:

- контур (120) впрыска топлива,

- контур (130) зажигания топлива, содержащий топливную форсунку (132), питаемую посредством контура (120) впрыска топлива, и свечу (101) зажигания впрыснутого топлива,

причем пусковая форсунка отличается тем, что она дополнительно содержит:

- разделенную оболочку (104), содержащую первый отсек (106), в котором происходит зажигание топлива посредством свечи (101) зажигания, и второй отсек (107), отделенный от первого посредством теплопроводной перегородки (105), и

- главный контур (140) запуска горения, содержащий по меньшей мере одну топливную форсунку (142), питаемую посредством упомянутого контура (120) впрыска топлива и оканчивающуюся во втором отсеке (107) оболочки с возможностью впрыскивания топлива в направлении упомянутой стенки (105).

2. Пусковая форсунка по п. 1, в которой контур (120) впрыска топлива содержит вход подачи топлива и разгрузочный клапан (123), блокирующий питание контура запуска горения, когда давление топлива меньше, чем заданная пороговая величина.

3. Пусковая форсунка по п. 2, в которой пороговая величина давления, ниже которой разгрузочный клапан (123) блокирует питание контура запуска горения, лежит в диапазоне 2,5-3 бар.

4. Пусковая форсунка по п. 1, в которой топливная форсунка контура (142) запуска представляет собой форсунку с предварительным испарением, выполненную с возможностью испарения топлива.

5. Пусковая форсунка по п. 1, в которой разделенная оболочка (104) содержит отверстие (109) выхода топлива, общее для обоих отсеков.

6. Пусковая форсунка по п. 1, в которой свеча (101) зажигания представляет собой свечу накаливания или свечу зажигания.

7. Пусковая форсунка по п. 1, в которой оболочка имеет внешнюю стенку, оснащенную отверстиями (113, 114) подачи воздуха.

8. Агрегат горения для турбинного двигателя, содержащий камеру (10) сгорания турбинного двигателя и по меньшей мере одну пусковую форсунку (100) по п. 1.

9. Турбинный двигатель (1), содержащий камеру (10) сгорания и по меньшей мере одну пусковую форсунку (100) по п. 1.

10. Турбинный двигатель (1) по п. 9, содержащий пусковую форсунку (100), в которой разделенная оболочка (104) содержит отверстие (109) выхода топлива, общее для обоих отсеков, и внешнюю стенку, оснащенную отверстиями (113, 114) подачи воздуха, причем турбинный двигатель содержит кожух (30), в котором расположена камера (10) сгорания, и пусковая форсунка прикреплена к упомянутому кожуху так, что:

- разделенная оболочка (104) входит вовнутрь камеры (10) сгорания через кожух (30) и одну стенку (14) упомянутой камеры,

- отверстие (109) выхода топлива упомянутой оболочки (104) оканчивается в камере (10) сгорания, и

- отверстия (113, 114) подачи воздуха стенок упомянутой оболочки оканчиваются в промежутке между кожухом и камерой сгорания.