Вращающаяся форсунка (варианты) и способ впрыска текучей среды (варианты) - RU2333424C2
Код документа: RU2333424C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом относится к вращающимся (роторным) форсункам для впрыска первой текучей среды во вторую текучую среду, в частности впрыска топлива в основной газовый поток в форсажной камере газотурбинного двигателя.
Правительство США имеет оплаченную лицензию на данное изобретение и обладает правом потребовать в некоторых обстоятельствах от обладателя патента лицензировать его использование другими лицами на приемлемых условиях в соответствии с Контрактом №N00421-99-C-1390 с ВМФ США.
Уровень техники
Широко известно использование различных видов форсунок для впрыска первой текучей среды во вторую текучую среду, в частности впрыска топлива в основной газовый поток камеры сгорания газотурбинных двигателей. Для эффективного распыления топлива в камере сгорания требуется создание в обычно используемых напорных форсунках довольно высокого перепада давления между входом и выходом форсунок, что обычно требует относительно больших топливных насосов, что приводит к увеличению веса, стоимости и сложности двигателя.
Одно из решений этой проблемы предложено в патенте США №4870825, в котором представлена вращающаяся форсунка, посредством которой осуществляют впрыск топлива под действием центробежной силы. Однако это известное решение не достигает достаточно эффективного распыления и смешивания текучих сред, кроме того повышается вероятность забивания каналов форсунки.
Раскрытие изобретения
Предлагаемое изобретение направлено на устранение указанных недостатков уровня техники и посредством приведенной ниже совокупности признаков в первую очередь достигается улучшенное и более надежное распыление и смешивание впрыскиваемой текучей среды с текучей средой, в которую ее впрыскивают, без усложнения и утяжеления конструкции.
Согласно изобретению предлагается вращающаяся форсунка для впрыска первой текучей среды во вторую текучую среду, содержащая по меньшей мере одно отверстие, сообщающееся с источником первой текучей среды посредством связывающего их канала текучей среды. Форсунка содержит по меньшей мере одну консоль, установленную с возможностью вращения внутри протекающего поперек нее потока второй текучей среды и вытянутую в радиальном направлении относительно своей оси вращения, причем указанная консоль содержит группу площадок, расположенных с возможностью протекания поперек (по ширине) них потока второй текучей среды и при этом указанное отверстие расположено на каждой из указанных площадок, а по меньшей мере две из площадок размещены на различных радиальных расстояниях от указанной оси вращения.
В частных вариантах осуществления изобретения первая текучая среда может содержать газообразный окислитель, а вторая текучая среда - жидкое топливо.
Консоль может быть установлена с возможностью свободного вращения или вращения посредством привода.
По меньшей мере одна из площадок образует поверхность ступеньки в указанной консоли, расположенную на задней кромке относительно направления вращения указанной консоли.
Форсунка может дополнительно содержать затвор текучей среды, установленный между указанным источником первой текучей среды и указанным отверстием с возможностью вращения; коллектор и группу каналов текучей среды, связывающих по меньшей мере два из указанных отверстий с коллектором, при этом отверстия расположены на разных площадках на консоли.
По меньшей мере одна консоль имеет аэродинамический профиль, имеющий переднюю кромку и заднюю кромку относительно направления вращения.
Предлагается также способ впрыска первой текучей среды во вторую текучую среду, в котором осуществляют подачу первой текучей среды к группе отверстий, расположенных на соответствующей группе площадок, вращающихся относительно оси вращения, причем по меньшей мере две площадки расположены на разных радиальных расстояниях от оси вращения, а поток второй текучей среды пропускают поперек каждой из указанных площадок, при этом посредством вращения указанных площадок с соответствующими отверстиями вокруг указанной оси вращения вызывают впрыск первой текучей среды во вторую текучую среду из указанных отверстий и распыление первой текучей среды в результате ее взаимодействия со второй текучей средой снаружи указанных отверстий с получением распыленной первой текучей среды.
В частных вариантах осуществления изобретения дополнительно отделяют посредством вращающегося затвора текучей среды, первую область с давлением источника первой текучей среды от второй области с давлением первой текучей среды в указанном отверстии. При этом затвор текучей среды вращают вокруг указанной оси вращения синхронно с указанными площадками с соответствующими отверстиями. Вращение указанных площадок с соответствующими отверстиями осуществляют посредством взаимодействия указанной консоли со второй текучей средой. В одном из вариантов смешивают указанную распыленную первую текучую среду со второй текучей средой и осуществляют сжигание получившейся смеси.
Кроме того, предлагается вращающаяся форсунка, в которой указанная консоль содержит площадку, выполненную в виде уступа на задней кромке указанной консоли, а указанное отверстие расположено на указанной площадке с возможностью впрыска первой текучей среды в радиально нарастающем направлении от указанной площадки.
Указанная задняя кромка консоли содержит поднимающуюся поверхность, расположенную смежно с указанной площадкой с образованием уступа в указанной задней кромке, причем указанная площадка содержит канавку, расположенную между указанными отверстием и поднимающейся поверхностью, или указанное отверстие расположено на указанной площадке на расстоянии от указанной поднимающейся поверхности, обеспечивающим отделение первой текучей среды от указанных площадки и поднимающейся поверхности при выходе первой текучей среды из указанного отверстия.
В еще одном варианте осуществления изобретения предлагается вращающаяся форсунка, в которой указанная консоль имеет заднюю кромку, на которой расположено отверстие, а также имеется канавка, расположенная между указанным отверстием и частью указанной задней кромки в направлении увеличения радиального расстояния от указанного отверстия.
В следующем варианте осуществления изобретения предлагается способ впрыска первой текучей среды во вторую текучую среду, в котором осуществляют подачу первой текучей среды к отверстию, расположенному на задней кромке консоли, которая имеет в области указанного отверстия препятствие прохождению потока первой текучей среды из отверстия вдоль задней кромки в направлении увеличения радиального расстояния от отверстия, причем поток второй текучей среды пропускают поперек указанного отверстия и осуществляют впрыск первой текучей среды во вторую текучую среду из указанного отверстия посредством вращения указанной консоли вокруг оси вращения и распыление первой текучей среды в результате ее взаимодействия со второй текучей средой снаружи указанного отверстия с созданием распыленной первой текучей среды.
Указанное препятствие прохождению потока первой текучей среды обеспечивают посредством выполнения на указанной задней кромки площадки, образующей на ней уступ, причем указанное отверстие располагают на указанной площадке, или указанное препятствие обеспечивают посредством выполнения на указанной задней кромке канавки, размещенной между указанным отверстием и частью указанной задней кромки, расположенной относительно указанного отверстия в направлении увеличения радиального расстояния.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет вид фрагмента сечения газотурбинного двигателя, содержащего вращающуюся форсунку, приводимую в движение турбиной и расположенную в форсажной камере газотурбинного двигателя.
Фиг.2 представляет вид фрагмента сечения работающей вращающейся форсунки, в которой поток перекрыт.
Фиг.3 представляет вид фрагмента сечения работающей вращающейся форсунки, в которой поток не перекрыт.
Фиг.4 представляет вид фрагмента сечения работающей вращающейся форсунки, включающей вращающийся затвор текучей среды.
Фиг.5 представляет первый вид фрагмента сечения работающей вращающейся форсунки согласно первому варианту выполнения форсуночного отверстия и связанной с ним площадки.
Фиг.6 представляет второй вид фрагмента сечения работающей вращающейся форсунки согласно первому варианту выполнения форсуночного отверстия и связанной с ним площадки.
Фиг.7 представляет вид фрагмента сечения работающей вращающейся форсунки согласно второму варианту выполнения форсуночного отверстия и связанной с ним площадки.
Фиг.8 представляет вид фрагмента сечения работающей вращающейся форсунки согласно третьему варианту выполнения форсуночного отверстия и связанной с ним площадки.
Фиг.9 представляет вид фрагмента сечения работающей вращающейся форсунки согласно варианту выполнения форсуночного отверстия и связанной с ним канавки на задней кромке консоли.
Фиг.10 представляет изометрическое изображение вращающейся форсунки.
Фиг.11 представляет боковой вид вращающейся форсунки, показанной на Фиг.10.
Фиг.12 представляет вид сечения консоли вращающейся форсунки, показанной на Фиг.11, иллюстрирующий первый вариант выполнения системы распределения топлива.
Фиг.13 представляет второй вариант выполнения системы распределения топлива в консоли вращающейся форсунки, показанной на Фиг.11.
Фиг.14 представляет фрагмент изометрического изображения части газотурбинного двигателя, включающего вращающуюся форсунку.
Фиг.15 представляет фрагмент вида с торца части газотурбинного двигателя, показанного на Фиг.14.
Фиг.16 и 17 представляют виды сечений части газотурбинного двигателя, включающего вращающуюся форсунку свободного вращения, расположенной в форсажной камере газотурбинного двигателя.
Фиг.18 представляет вид сечения альтернативного варианта выполнения вращающейся форсунки.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения представлена вращающаяся форсунка 10, входящая в конструкцию газотурбинного двигателя 12. Газотурбинный двигатель 12 содержит компрессор 14, функционально соединенный с узлом 16 полого вала, приводимого во вращение соединенной с ним турбиной 18. Топливоотражатель 20, функционально соединенный с узлом 16 полого вала, инжектирует (впрыскивает) первую часть жидкого топлива 22.1 в камеру 24 сгорания, расположенную между компрессором 14 и турбиной 18. Например, топливоотражатель 20 может иметь конструкцию в соответствии с описанной в патенте США №4870825, который включен в настоящее описание путем ссылки. Компрессор 14 нагнетает первую часть воздуха 26.1 в камеру сгорания 24, который смешивается здесь с жидким топливом 22, разбрызгиваемым топливоотражателем 20 таким образом, чтобы создать горючую смесь, которая сначала поджигается воспламенителем 28, а затем сжигается в камере 24 сгорания, при этом создавая выхлопные газы 30, которые протекают через турбину 18 и вращают ее. Компрессор 14 нагнетает вторую часть воздуха 26.2 сквозь окружающий камеру 24 сгорания кольцевой зазор 32, образующий байпасный канал. Вторая часть воздуха 26.2 далее смешивается с выхлопными газами 30 и второй частью жидкого топлива 22.2, инжектируемого вращающейся форсункой 10, после чего получившаяся смесь может быть рассеяна, например, в диффузоре 34 газотурбинного двигателя 12, перед ее сжиганием в форсажной камере 36 газотурбинного двигателя 12.
Узел 16 полого вала присоединен подшипниками 38 с возможностью вращения к центральному валу 40, имеющему соответствующие каналы 42 текучей среды, которые приспособлены для подачи жидкого топлива 22 к топливоотражателю 20 и вращающейся форсунке 10 соответственно, как это более подробно описано ниже. Каждый канал 42 текучей среды функционально соединен с соответствующим клапаном 44 управления, который управляет прохождением жидкого топлива 22 от его источника 46, который может включать соответствующий насос, необходимый для подачи нужного количества жидкого топлива 22 под достаточным давлением.
Вращающаяся форсунка 10 содержит по крайней мере одну проходящую в радиальном направлении консоль 48, которая может вращаться вокруг оси 50 вращения, например центральной оси центрального вала 40 и узла 16 полого вала. В показанном на Фиг.1 варианте выполнения вращающаяся форсунка 10 приспособлена для вращения внутри потока выхлопных газов 30, выходящих из газотурбинного двигателя 18, которые смешаны со второй частью воздуха 26.2, поступающего из байпасного кольцевого зазора 32. Несколько площадок 52 расположены как на вершине (кончике) 54, так и ступенями на задней кромке 56 консоли 48. Каждая площадка имеет по крайней мере одно, пересекающее ее форсуночное отверстие 58, которое функционально связано соответствующим каналом 60 текучей среды, имеющим цилиндрическую канавку 62 на внутренней поверхности узла 16 полого вала. Разные форсуночные отверстия 58, расположенные соответственно в разных гранях 52, находятся на разных радиальных расстояниях от оси 50 вращения, что обеспечивает распределение второй части жидкого топлива 22.2, инжектируемого сквозь них, внутри потока выхлопных газов 30, смешанных со второй частью воздуха 26.2, благодаря чему улучшается его смешивание и сгорание в форсажной камере.
Как показано на Фиг.2, каждый канал 42 текучей среды в центральном валу 40 сообщается (функционально связан) с соответствующей канавкой 64, расположенной на валу. Цилиндрические канавки 64 на центральном валу 40 совмещены с соответствующими цилиндрическими канавками 62 на внутренней поверхности узла 16 полого вала, а между ними помещена втулка 66, прикрепленная к наружной части центрального вала 40 внутри узла 16 полого вала. На втулке 66 имеется несколько отверстий 68, которые совмещены с соответствующими цилиндрическими канавками 64 на центральном валу 40. Соответственно жидкое топливо 22, пропущенное в канал 42 текучей среды от источника 46 соответствующим клапаном 44, протекает к соответствующей цилиндрической канавке 64 на центральном валу 40, а поток таким образом перекрывается соответствующим отверстием 68 во втулке 66, что приводит к впрыску жидкого топлива 22, находящегося под давлением в цилиндрической канавке 64, из соответствующего отверстия 68 в соответствующую цилиндрическую канавку 62 на внутренней поверхности узла 16 полого вала. Впрыскиваемое жидкое топливо 70 собирается внутри вращающейся цилиндрической канавки 62, а центробежные силы, возникающие в результате вращения жидкого топлива 72, собранного во вращающемся узле 16 полого вала, сжимают собранное жидкое топливо 72 в цилиндрическую канавку 62. Для сбора достаточно большого количества жидкого топлива 72 его поток в связанный с ним канал 60 текучей среды может быть перекрыт, как это показано на Фиг.3. В другом случае собранное жидкое топливо 72 выходит свободно сквозь канал текучей среды, как это показано на Фиг.4.
Жидкое топливо 22 внутри соответствующего вращающегося канала 60 текучей среды находится под действием ускоряющего центробежного поля, величина которого увеличивается пропорционально квадрату расстояния от оси 50 вращения. Это ускоряющее поле заставляет жидкое топливо 22 двигаться внутри канала 60 текучей среды вдоль соответствующего пограничного слоя, толщина 6 которого связана обратной зависимостью с величиной соответствующего ускоряющего поля в этом месте. Говоря другими словами, жидкое топливо 22 ближе к центру канала 60 текучей среды тормозиться слабее и будет выбрасываться из канала 60 текучей среды быстрее, чем топливо, находящееся дальше от центра канала 60 текучей среды и, значит, ближе к его границе. При вращении вращающейся форсунки 10 со сравнительно высокой скоростью, характерной для нормального режима работы, жидкое топливо 22 выходит из канала 60 текучей среды в форсуночное отверстие 58 на площадке 52 в виде сравнительно тонкой пленки, которая разбрызгивается из форсуночного отверстия 58 под действием относительно высокой центробежной силы в этом месте. Выходящие из форсуночного отверстия 58 брызги жидкого топлива 74 взаимодействуют с поперечно направленным потоком 76, содержащим смесь потока выхлопных газов 30 со второй частью воздуха 26.2, при этом брызги жидкого топлива 74 распыляются под действием имеющихся здесь относительно высоких сил аэродинамического сдвига и поверхностного натяжения на брызгах жидкого топлива 74. В такой конфигурации обеспечивается беспрепятственное прохождение потока в конце канала 60 текучей среды и сквозь форсуночное отверстие 58, что способствует улучшенному распылению. Преимущество этой конфигурации состоит также и в том, что канал 60 текучей среды и форсуночное отверстие 58 являются самоочищающимися, то есть жидкое топливо 22 быстро выдувается из них при выключении газотурбинного двигателя 12, благодаря чему при использовании углеводородных топлив предотвращается коксование жидкого топлива 22 в канале 60 текучей среды или в форсуночном отверстии 58.
Как показано на Фиг.4, вращающаяся ловушка или затвор (гидрозатвор) 78 текучей среды, расположенный внутри канала 60 текучей среды, разделяет области с разным давлением у форсуночного отверстия 58 и на входе 80 канала 60 текучей среды. В некоторых вариантах использования, особенно в случаях, когда давление среды вокруг вращающейся форсунки 10 относительно велико, целесообразно изолировать область с одним давлением на форсуночном отверстии 58 от области с другим давлением на входе 80 канала 60 текучей среды, например, для того, чтобы обеспечить возможность подачи топлива на вращающуюся форсунку 10 от источника низкого давления, то есть используя в системе насосы низкого давления.
Как и в патенте США №4870825, включенном в настоящее описание путем ссылки, вращающийся затвор 78 текучей среды может содержать канал 82 текучей среды с входным отверстием 84 и выходным отверстием 86, связанных по каналу текучей средой, причем канал 82 текучей среды сделан таким образом, что когда вращающийся затвор 78 текучей среды вращается, центробежное ускорение в любой точке внутри канала 82 текучей среды превышает центробежное ускорение в любой точке входного отверстия 84 либо выходного отверстия 86. Соответственно когда вращающийся канал 82 текучей среды заполнен средой со сравнительно высокой плотностью, например жидким топливом 22, радиальные уровни на входном отверстии 84 и выходном отверстии 86 будут одинаковыми при отсутствии разности давлений между ними либо будут отличаться на величину, определяемую разностью давлений и скоростью вращения. Соответственно при относительно низком давлении от источника жидкого топлива 22 на входном отверстии 84 вращающегося затвора 78 текучей среды, подающего топливо в область сравнительно высокого давления у выходного отверстия 86 вращающегося затвора 78 текучей среды, может предотвратить возникновение обратного потока.
Как показано на Фиг.5 и 6, в первом варианте выполнения форсуночного отверстия 58 и связанной с ним площадки 52, площадка 52 и смежная с ней вертикальная или поднимающаяся поверхность 88 образуют уступ на задней кромке 56 консоли 48 вращающейся форсунки 10. Форсуночное отверстие 58 расположено на площадке 52 на достаточном расстоянии от поднимающейся поверхности 88, чтобы разбрызгиваемое жидкое топливо 74 из форсуночного отверстия 58 не попадало на поднимающуюся поверхность 88 перед взаимодействием с поперечным потоком 76, благодаря чему обеспечивается или улучшается распыление разбрызгиваемого жидкого топлива 74. В силу того, что поперечный поток 76 протекает параллельно стенкам 90 консоли 48, разбрызгиваемое жидкое топливо 74 может, по крайней мере, частично закрываться от него на короткое время частью консоли 48 выше поднимающейся поверхности 88, однако вращение 92 консоли 48 внутри поперечного потока 76 и образующиеся вследствие этого турбулентные струи за поднимающейся поверхностью 88 также создают круговой, относительно площадки 52 компонент 94 в поперечном потоке 76. Разбрызгиваемое жидкое топливо 74 целиком попадает в поперечный поток 76 при прохождении вращающейся поднимающейся поверхности 88 мимо места, где происходил впрыск разбрызгиваемого жидкого топлива 74.
На Фиг.7 показан второй вариант выполнения форсуночного отверстия 58 и связанной с ним площадки 52, причем площадка 52 и соседняя поднимающаяся поверхность 88 образуют уступ на задней кромке 56 консоли 48 вращающейся форсунки 10, а площадка дополнительно содержит канавку 96, расположенную между форсуночным отверстием 58 и поднимающейся поверхностью 88. В частности, канавка 96 проходит между поднимающейся поверхности 88 и форсуночным отверстием 58. При вращении консоли 48, для того чтобы жидкое топливо, выходящее из форсуночного отверстия 58, могло попасть в канавку 96, потребовалось бы увеличение его потенциальной энергии, что и предотвращается наличием такого барьера потенциальной энергии. Таким образом, канавка 96, расположенная между форсуночным отверстием 58 и поднимающейся поверхностью 88, предотвращает перетекание жидкого топлива 22, выходящего из форсуночного отверстия, к поднимающейся поверхности 88, благодаря чему улучшается распыление жидкого топлива 22, выходящего из форсуночного отверстия 58.
На Фиг.8 показан третий вариант выполнения форсуночного отверстия 58 и связанной с ним площадки 52, представляющий собой обобщенную форму второго варианта выполнения, показанного на Фиг.7. Здесь канавка 96 расположена на площадке 52 между форсуночным отверстием 58 и поднимающейся поверхностью 88, однако не обязательно вплотную к отверстию или поверхности. Обычно минимальное расстояние d между форсуночным отверстием 58 и задней кромкой 56 консоли 48 ограничено допусками на механическую обработку и величиной теплоемкости, которой должна обладать задняя кромка 56, чтобы не происходило ее выгорание при работе газотурбинного двигателя 12.
На Фиг.9, где представлен другой вариант выполнения, форсуночное отверстие 58 проходит сквозь заднюю кромку 56 консоли 48 и поэтому в этом месте его сечение наклонено относительно оси 50 вращения. Канавка 96 расположена на задней кромке 56 между форсуночным отверстием 58 и частью 98 задней кромки 56, удаляющейся от форсуночного отверстия 58 по радиусу относительно оси 50 вращения.
На Фиг.10, 11, 12 и 13 представлен вариант выполнения вращающейся форсунки 10.1, содержащий группу консолей 48, причем каждая консоль 48 включает три площадки 52, образующих уступы на ее задней кромке 56, и одну площадку 52 на своей вершине 54. Консоли 48 прикреплены к диску 100, который может вращаться вокруг оси 50 вращения. На диске 100 имеются отверстия 102 для приема жидкого топлива 22 от его источника 46.
Как показано на Фиг.11, каждая из консолей имеет аэродинамический профиль 104, содержащий переднюю кромку 106 и заднюю кромку 56, если смотреть относительно направления вращения 92, и установлена на диске 100 с образованием угла атаки относительно поперечного потока 76. В настоящем описании термином "аэродинамический профиль" обозначается профиль аэродинамически гладкой поверхности, нерегулярности которой достаточно малы, для того чтобы быть полностью скрытыми в связанном с ней ламинарном подслое. Кроме того, термин "аэродинамический профиль" относится к профилю лопатки без нарушений непрерывности, например площадок 52, связанных с ними поднимающихся поверхностей 88 и/или канавок 96, наличие которых обусловлено введением изменений, согласно настоящему изобретению необходимых для размещения связанных с ними форсуночных отверстий 58. Например, в одном из вариантов выполнения консоли 48 вращающейся форсунки 10.1, приводимой во вращение турбиной, сделаны аэродинамически нейтральными, то есть они не отбирают энергию у поперечного потока 76, не добавляют ее в него. Другими словами, в данном варианте выполнения консоли 48 ориентированы с пренебрежимо малым углом атаки относительно поперечного потока 76.
Как показано на Фиг.12, каждая площадка 52 на консоли 48 имеет форсуночное отверстие 58, которое функционально связано соответствующим каналом 60 текучей среды с коллектором 108, который функционально подсоединен к отверстиям 102 и получает от них жидкое топливо 22. Соответствующие каналы 60 текучей среды соединены с коллектором на приблизительно одинаковом радиальном расстоянии от оси вращения диска 100 таким образом, что каждый может получать жидкое топливо 22 из коллектора 108. В варианте выполнения, представленном на Фиг.12, это достигается таким расположением каналов 60 текучей среды, когда они пересекают поверхность коллектора 108 приблизительно в одном месте, в то время как в варианте выполнения на Фиг.13 это достигается расположением каналов текучей среды, когда они пересекают поверхность 110 коллектора в разных, но имеющих одинаковое радиальное расположение точках.
На Фиг.14 и 15 вращающаяся форсунка 10.2, расположенная в форсажной камере 36 газотурбинного двигателя 12, впрыскивает жидкое топливо 22 в поперечный поток 76, содержащий смесь основного потока выхлопных газов 30 с байпасным потоком 112 воздуха 26. Выхлопные газы 30 поступают из первого кольцевого зазора 114, образованного внутренним кожухом 116 и смесителем 118, а байпасный поток 112 подается из окружающего кольцевого зазора 32. Вращающаяся форсунка 10.2 содержит консоль 48, имеющую две площадки 52, которые образуют уступы в ее задней кромке 56, и одну площадку 52 на ее вершине 54. Для данного жидкого топлива 22 или обобщенно первой текучей среды, распыляемого в данном поперечном потоке 76 выхлопных газов 30, смешанных с воздухом 26, или обобщенно потоком второй текучей среды, процесс распыления и траектория 120 инжектируемого жидкого топлива 22 зависят от скорости вращения вращающейся форсунки 10.2, радиального расстояния точки впрыска от оси 50 вращения и скорости поперечного потока 76. На Фиг.14 и 15 показана траектория 120 инжектируемого жидкого топлива 22 в системе координат вращающейся форсунки 10.2, в то время как на Фиг.15 также показана траектория 120' в абсолютной системе координат, в которой инжектируемое жидкое топливо 22 продолжает двигаться в основном в направлении вращения после впрыска из вращающейся форсунки 10.2. Жидкое топливо 22, инжектируемое при большем радиальном расстоянии и поэтому при большей окружной скорости, обычно распыляется более мелко и его траектория может иметь больший угол α к касательной к точке впрыска, чем при впрыска в точке с меньшим радиальным расстоянием.
Средний диаметр Саутера (SMD) капелек в струе, инжектированной вращающейся форсункой 10, зависит от плотности текучей среды в поперечном потоке, плотности инжектированного жидкого топлива 22, геометрии форсуночного отверстия 58 на площадке и сильно зависит от окружной скорости на радиусе расположения площадки. SMD тем меньше, чем больше окружная скорость, поэтому средний диаметр капелек уменьшается либо при увеличении радиуса при данной скорости вращения либо при увеличении скорости вращения при данном радиусе расположения площадки. Вращающаяся форсунка 10 может создать поток капелек с очень малым SMD либо путем увеличения скорости вращения форсунки, либо за счет увеличения радиальных расстояний до соответствующих площадок 52, на которых расположены связанные с ними форсуночные отверстия 58.
Следует иметь в виду, что процесс впрыска во вращающейся форсунке 10 не связан с большим перепадом давления на форсуночном отверстии 58. Тогда как в известном способе впрыска жидкости в поперечные потоки внешнего и/или центрального контура используется несколько нагнетательных форсунок, установленных на форсунках планках, где используется относительно высокий перепад давления на форсуночном отверстии. Степень распыления или соответствующий SMD инжектируемых капелек у нагнетательных форсунок является функцией вязкости, плотности и характеристик поверхностного натяжения инжектируемой жидкости, плотности текучей среды в поперечном потоке и перепада давления на форсуночном отверстии, поэтому SMD инжектируемых капелек тем меньше, чем больше перепад давления. Плотность жидкого топлива плохо поддается изменению, поэтому напорные форсунки требуют очень высокого перепада давления для получения малых значений среднего диаметра Саутера капелек, например, порядка десятков микрон. Для этого, в свою очередь, необходимы относительно большие топливные насосы, что приводит к увеличению веса, стоимости и сложности двигателя, где они используются.
Как показано на Фиг.16 и 17, вращающаяся форсунка 10.3 свободного вращения, установленная в задней части газотурбинного двигателя 12, приспособлена для впрыска жидкого топлива 22 в поперечный поток 76, содержащий смесь основного потока выхлопных газов 30 и байпасного потока 112 воздуха 26. Выхлопные газы 30 протекают сквозь первый кольцевой зазор 114, который образован внутренним кожухом 116 и смесителем 118. Прямой кольцевой смеситель 118, показанный на Фиг.16, может быть заменен лепестковым смесителем, смесителем с треугольными выступами, фестонными и любыми другими. Байпасный поток 112 протекает по окружающему кольцевому зазору 32, который ограничивается наружной стенкой 122 газотурбинного двигателя 12. Вращающаяся форсунка 10.3 содержит диск 126, прикрепленный к двум валам 128 по обе его стороны.
Валы 128 могут вращаться вокруг центрального вала 130 на двух роликовых подшипниках 132, а центральный вал 130 консольно выступает назад от распорки 134, прикрепленной к наружной стенке 122 газотурбинного двигателя 12 и проходящей сквозь кольцевой зазор 136 между внутренним кожухом 116 и наружной стенкой 122 в части диффузора 138 газотурбинного двигателя 12, внутри которого выхлопные газы 30 смешиваются с байпасным потоком 112 воздуха 26 перед впрыском сюда жидкого топлива 22 вращающейся форсункой 10.3.
Концы валов 128 включают лабиринтные герметизирующие поверхности 140, которые взаимодействуют с соответствующими лабиринтными герметизирующими оболочками 142. Задняя защитная стенка 144 функционально соединена с центральным валом 130 на одном его конце, а на центральном валу 130 имеется центральная камера 146, функционально связанная на другом конце центрального вала соответствующим трубопроводом 148 с источником 150 охлаждающего воздуха. Каналы 152.1 текучей среды первой группы направлены от центральной камеры 146 в пространство 154 между роликовыми подшипниками 132 и лабиринтными герметизирующими оболочками 142 для поддержания давления в пространстве 154, чтобы предотвратить проникновение туда выхлопных газов 30. Каналы 152.2 текучей среды второй группы направлены от центральной камеры 146 в пространство 156 снаружи от лабиринтной герметизирующей оболочки 140.1, спереди от вращающейся форсунки 10.3 для поддержания повышенного давления в пространстве 156, чтобы предотвратить попадание туда выхлопных газов 30. Каналы 152.3 текучей среды третьей группы направлены от центральной камеры 146 в заднюю камеру 158 для создания давления в задней камере 158 и для охлаждения при необходимости задней стенки. Защитная задняя стенка 144 может охлаждаться с использованием схемы ударного охлаждения или эффузионного охлаждения.
На центральном валу 130 имеется первая 160.1 и вторая 160.2 цилиндрические канавки, которые функционально связаны с соответствующими каналами 162 текучей среды в центральном валу 130, которые, в свою очередь, запитываются от источника 46 жидкого топлива 22 по соответствующим трубопроводам 164.1, 164.2. Передний и задний роликовые подшипники 132 охлаждаются соответственно посредством разбрызгивания находящегося под давлением жидкого топлива 22 в первом 160.1 и втором 160.2 цилиндрических канавках через соответствующие отверстия 166.1, 166.2 во втулке 167, окружающей центральный вал 130 между парой роликовых подшипников 132.
Центральный вал 130 дополнительно имеет шесть цилиндрических канавок 168.1, 168.2, 168.3, 168.4, 168.5 и 168.6, которые функционально связаны с соответствующими каналами 170 текучей среды в центральном валу 130, которые, в свою очередь, запитываются от источника 46 жидкого топлива 22 через соответствующие клапаны 172.1, 172.2, 172.3, 172.4, 172.5 и 172,6 управления через соответствующие трубопроводы 174.1, 174.2,174.3, 174.4, 174.5 и 174.6.
По аналогии с вариантом выполнения, показанном на Фиг.2 и 3, цилиндрические канавки 168.1, 168.2, 168.3, 168.4, 168.5 и 168.6 на центральном валу 130 совмещены с соответствующими цилиндрическими канавками 176.1, 176.2, 176.3, 176.4, 176.5 и 176.6 в канале 177 в диске 126.
Втулка 167, помещенная между центральным валом 130 и диском 126, имеет несколько отверстий 178.1, 178.2, 178.3, 178.4, 178.5 и 178.6, которые совмещены с соответствующими цилиндрическими канавками 168.1, 168.2, 168.3, 168.4, 168.5 и 168.6 на центральном валу 130. Соответственно жидкое топливо 22, пропущенное в канал 170 текучей среды от источника 46 соответствующим клапаном 172.1, 172.2, 172.3, 172.4, 172.5 или 172,6 управления, протекает к соответствующим цилиндрическим канавкам 168.1, 168.2, 168.3, 168.4, 168.5 или 168.6 на центральном валу 130, а поток перекрывается соответствующим отверстием 178.1, 178.2,178.3, 178.4,178.5 или 178.6 на втулке 167, в результате чего находящееся под давлением в цилиндрической канавке 168.1, 168.2, 168.3, 168.4, 168.5 или 168.6 жидкое топливо 22 впрыскивается из соответствующего отверстия 178.1,178.2,178.3, 178.4, 178.5 или 178.6 в соответствующей цилиндрической канавке 176.1, 176.2, 176.3, 176.4, 176.5 или 176.6 в канале 177 в диске 126. Впрыскиваемое жидкое топливо 22 собирается внутри вращающейся цилиндрической канавки 176.1, 176.2, 176.3, 176.4, 176.5 или 176.6, а центробежные силы, развивающиеся в результате вращения собранного жидкого топлива 22 во вращающемся диске 126, сжимают собранное жидкое топливо 22 в цилиндрических канавках 176.1, 176.2, 176.3, 176.4, 176.5 и 176.6, которые функционально связаны через соответствующие каналы 180.1, 180.2, 180.3, 180.4, 180.5 и 180.6 текучей среды с соответствующими форсуночными отверстиями 182.1, 182.2, 182.3, 182.4, 182.5 и 182.6, расположенными на последовательно увеличивающихся радиальных расстояниях на задней кромке и вершине каждой радиально вытянутой консоли 184 вращающейся форсунки 10.3. Для обеспечения достаточно большого количества жидкого топлива 22, собранного в соответствующих цилиндрических канавках 176.1, 176.2, 176.3, 176.4, 176.5 или 176.6, его поток в связанные каналы 180.1, 180.2, 180.3, 180.4, 180.5 или 180,6 текучей среды может быть здесь перекрыт, как показано на Фиг.2, либо быть открытым, как показано на Фиг.3.
Конфигурация каналов 180.1, 180.2, 180.3, 180.4, 180.5 и 180.6 текучей среды и форсуночных отверстий 182.1, 182.2, 182.3, 182.4, 182.5 и 182.6 схематически показана на Фиг.16. В то время как самые дальние форсуночные отверстия 182.6 расположены на соответствующих площадках 52 и вершине 54 соответствующих консолей 184, остальные форсуночные отверстия 182.1, 182.2, 182.3, 182.4 и 182.5 расположены на задних кромках 56 соответствующих консолей 184 согласно любому из вариантов выполнения, показанных в деталях на Фиг.5-9, то есть конфигурация границы раздела такова, чтобы затруднить вытекание жидкого топлива 22 из форсуночного отверстия 182.1, 182.2, 182.3, 182.4 и 182.5 вдоль соответствующей задней кромки 56 по радиусу вверх. Более того, один или более из каналов 180.1, 180.2, 180.3, 180.4, 180.5 или 180.6 текучей среды могут включать вращающийся затвор 78 текучей среды, например, как показано на Фиг.4; либо еще где-либо на пути текучей среды между источником 46 жидкого топлива 22 и одним или более форсуночных отверстий 182.1, 182.2, 182.3, 182.4 или 182.5.
Консоли 184 имеют аэродинамический профиль 104 и ориентированы относительно поперечного потока 76 под углом атаки, достаточным для вращения под действием выхлопных газов 30, проходящих через консоли 184 вращающейся форсунки 10.3 со скоростью, необходимой для впрыска и распыления подводимого жидкого топлива 22.
В процессе работы выхлопные газы 30, выходящие из камеры сгорания и турбины газотурбинного двигателя 12, ударяют в консоль 184 вращающейся форсунки 10.3, заставляя вращающуюся форсунку 10.3 вращаться вокруг оси 50 вращения. Жидкое топливо 22 из источника 46 подается через клапаны 172.1, 172.2, 172.3, 172.4, 172.5 и 172,6 управления и соответствующие трубопроводы 174.1, 174.2, 174.3, 174.4, 174.5 и 174.6 и связанные с ними каналы 170 текучей среды к соответствующим цилиндрическим канавкам 168.1, 168.2, 168.3, 168.4, 168.5 и 168.6 на наружной поверхности центрального вала 130. Жидкое топливо 22 разбрызгивается из них в соответствующие цилиндрические канавки 176.1, 176.2, 176.3, 176.4, 176.5 и 176.6 в канале 177 диска 126 вращающейся форсунки 10.3 сквозь соответствующие отверстия 178.1, 178.2, 178.3, 178.4, 178.5 и 178.6 в расположенной поверх центрального вала 130 втулке 167. Разбрызгиваемое жидкое топливо 22 вращается вместе с цилиндрическими канавками 176.1, 176.2, 176.3, 176.4, 176.5 и 176.6 и захватывается ими под действием центробежных сил, благодаря чему отпадает необходимость герметизировать иным путем цилиндрические канавки 176.1, 176.2, 176.3, 176.4, 176.5 и 176.6 один от другого. Жидкое топливо 22 протекает от цилиндрических канавок 176.1, 176.2, 176.3, 176.4, 176.5 и 176.6 в соответствующие каналы 180.1, 180.2, 180.3, 180.4, 180.5 и 180.6 текучей среды в вращающейся форсунке 10.3, внутри которых жидкое топливо 22 ускоряется так, что двигается в основном вдоль их стенок. Затем жидкое топливо 22 инжектируется в поперечный поток 76 из связанных форсуночных отверстий 182.1, 182.2, 182.3, 182.4, 182.5 и 182.6, расположенных на каждом из соответствующих радиальных расстояний и с соответствующими траекториями 116 и качеством распыления, например, определяемым размером и дисперсией распределения размеров капелек, зависящим от радиального расстояния точки впрыска форсуночных отверстий 182.1, 182.2, 182.3, 182.4, 182.5 и 182.6, скорости вращения вращающейся форсунки 10.3 и скорости поперечного потока 76. Смесь жидкого топлива 22, инжектируемого вращающейся форсункой 10.3, с поперечным потоком 76 сжигается в форсажной камере 36 газотурбинного двигателя 12.
Как показано на Фиг.18, альтернативный вариант выполнения вращающейся форсунки 10.4 содержит диск 126, соединенный с парой валов 128 по обеим его сторонам, которые могут вращаться вокруг центрального вала 130 на паре роликовых подшипников 132, по аналогии с вариантом выполнения, показанном на Фиг.16 и 17. На концах валов имеются лабиринтные герметизирующие поверхности 140, которые взаимодействуют с соответствующими лабиринтными герметизирующими оболочками 142. Внутри обода 186 диска 126 имеется несколько цилиндрических канавок 188.1, 188.2, 188.3, 188.4, 188.5 и 188.6, которые функционально с связаны каналами 190.1, 190.2, 190.3, 190.4, 190.5 и 190.6 текучей среды с форсуночными отверстиями 192.1, 192.2, 193.3, 194.4. 195.5 и 196.6, расположенными на непрерывно нарастающем радиальном расстоянии на задней кромке 56 и вершине 54 каждой направленной по радиусу консоли 194 на вращающейся форсунке 10.3. Распределитель 198 топлива имеет несколько отверстий 196.1, 196.2, 196.3, 196.4, 196.5 и 196.6, которые соответственно взаимодействуют с цилиндрическими канавками 188.1,188.2, 188.3, 188.4, 188.5 и 188.6. Распределитель 198 топлива функционально соединен через, по крайней мере, один клапан 200 управления с источником 46 жидкого топлива и обеспечивает распределение жидкого топлива 22 от отверстий 196.1, 196.2, 196.3, 196.4, 196.5 и 196.6 к соответствующим цилиндрическим канавкам 188.1, 188.2, 188.3, 188.4, 188.5 и 188.6 в ободе 186 диска 126, которые, в свою очередь, подводят топливо к соответствующим форсуночным отверстиям 192.1, 192.2, 193.3, 194.4. 195.5 и 196.6 через связанные с ними каналы 190.1, 190.2, 190.3, 190.4, 190.5 и 190.6 текучей среды. Распределитель 198 топлива может быть выполнен различными способами. Например, в варианте выполнения, показанном на Фиг.18, распределитель 198 топлива содержит коллектор 202, например, содержащий по крайней мере либо одну трубу либо цилиндрическую гильзу, например, закрепленную относительно газотурбинного двигателя 12, где относительное распределение жидкого топлива среди отверстий 196.1,196.2, 196.3, 196.4, 196.5 и 196.6 фиксируется относительными размерами и расположением соответствующих отверстий 196.1, 196.2, 196.3, 196.4, 196.5 и 196.6. В другом варианте отверстия 196.1, 196.2, 196.3, 196.4, 196.5 и 196.6 распределителя 198 топлива могут быть независимо соединены через отдельные каналы текучей среды с отдельными соответствующими клапанами 200 управления, с тем, чтобы обеспечить независимое управление связанными с ними потоками жидкого топлива 22 к соответствующим отверстиям 196.1, 196.2, 196.3, 196.4, 196.5 и 196.6, как это было в варианте выполнения, показанном на Фиг.16 и 17.
Настоящее изобретение было проиллюстрировано в настоящем описании несколькими вариантами выполнения устройства для впрыска жидкого топлива в форсажную камеру турбореактивного или турбовентиляторного двигателя. Необходимо понимать, что данные варианты выполнения и применения служат только для иллюстрации и не ограничивают этим объем изобретения. Например, настоящее изобретение может быть использовано либо в виде форсунки с приводом либо форсунки свободного вращения для подачи топлива в камеру сгорания турбины промежуточной ступени. Кроме того, хотя настоящее изобретение было проиллюстрировано на примере газотурбинного двигателя, использующего байпасный поток, следует иметь в виду, что настоящее изобретение может быть использовано и без байпайсного потока. Далее настоящее изобретение может быть использовано для подачи жидкого топлива в главную камеру сгорания газотурбинного двигателя прямо из его компрессорных лопаток, благодаря чему не потребуется отдельный топливоотражатель в главной камере сгорания. Консоли вращающейся форсунки могут представлять собой отдельные компоненты, которые функционально связаны с диском либо могут быть частью его в виде диска с лопастями, выполненными как одно целое.
Более того, настоящее изобретение не сводится к распылению жидкости в поперечном потоке газа. Например, настоящее изобретение может быть частью вращающейся форсунки, предназначенной для инжектирования первой жидкости в поперечный поток, содержащий в общем случае текучую среду, например жидкость, и смешивания первой жидкости с текучей средой.
В то время как частные варианты выполнения были детально описаны в приведенном выше подробном описании и проиллюстрированы приложенными чертежами, для обычного специалиста должно быть понятно, что в свете приведенной общей концепции изобретения детали изобретения могут быть подвергнуты различным изменениям и модификациям.
Соответственно конкретные конфигурации были раскрыты лишь для иллюстрации и не ограничивают области притязаний изобретения, которая во всей полноте определяется признаками, приведенными в формуле изобретения, и любыми их эквивалентами.
Реферат
Изобретение относится к роторным форсункам. Вращающаяся форсунка для впрыска первой текучей среды во вторую текучую среду содержит, по меньшей мере, одно отверстие, сообщающееся с источником первой текучей среды посредством связывающего их канала текучей среды. Форсунка содержит, по меньшей мере, одну консоль, установленную с возможностью вращения внутри протекающего поперек нее потока второй текучей среды и вытянутую в радиальном направлении относительно своей оси вращения, причем указанная консоль содержит группу площадок, расположенных с возможностью протекания поперек них потока второй текучей среды, и при этом указанное отверстие расположено на каждой из указанных площадок, а по меньшей мере, две из площадок размещены на различных радиальных расстояниях от указанной оси вращения. Указанная консоль установлена с возможностью свободного вращения или вращения посредством привода. По меньшей мере, одна из указанных площадок образует поверхность ступеньки в указанной консоли. По меньшей мере, одна указанная ступенька расположена на задней кромке относительно направления вращения указанной консоли. Форсунка дополнительно содержит затвор текучей среды, установленный между указанным источником первой текучей среды и указанным отверстием с возможностью вращения. Форсунка содержит коллектор и группу каналов текучей среды, связывающих, по меньшей мере, два из указанных отверстий с коллектором, при этом указанные отверстия расположены на разных площадках на указанной консоли. По меньшей мере одна консоль имеет аэродинамический профиль, имеющий переднюю кромку и заднюю кромку относительно направления вращения. Изобретение позволяет обеспечить эффективное распыление и смешивание текучих сред. 5 н. и 24 з.п. ф-лы, 18 ил.
