Двухконтурный модульный трубопровод впрыска

Двухконтурный модульный трубопровод впрыска

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

Настоящее изобретение относится к области турбомашин и, в частности, к области узлов трубопровода впрыска для турбомашин.

В настоящем контексте термин «турбомашина» включает любую машину, в которой энергия может передаваться между потоком текучей среды и по меньшей мере одним набором лопаток, таких как, например, компрессор, насос, турбина или, кроме того, совокупность по меньшей мере двух из них. Некоторые турбомашины внутреннего сгорания, например, газовые турбины, турбовальные двигатели, турбовентиляторы или турбореактивные двигатели, или турбовинтовые двигатели обеспечивают преобразование химической энергии топлива в механическую энергию посредством сгорания топлива в рабочей текучей среде, причем сгорание происходит в камере сгорания. Обычно такие турбомашины содержат по меньшей мере один компрессор, расположенный перед камерой сгорания, и по меньшей мере одну турбину, расположенную после камеры сгорания и соединенную с компрессором для того, чтобы приводить его в действие посредством частичного расширения рабочей текучей среды при нагревании посредством сгорания топлива. Таким образом, обычно остаток тепловой энергии рабочей текучей среды может быть восстановлен в виде механической энергии посредством реактивного сопла и/или по меньшей мере одной дополнительной турбины, соединенной с приводным валом. Выражения «расположенный перед» (выше по потоку) и «расположенный после» (ниже по потоку) определяются относительно нормального направления потока рабочей текучей среды через турбомашину.

Для того чтобы обеспечивать то, что сгорание происходит внутри камеры сгорания равномерно, топливо обычно вводится в нее с помощью множества инжекторов. Когда камера сгорания является кольцеобразной, эти инжекторы обычно распределены вокруг камеры сгорания и обеспечиваются топливом с помощью по меньшей мере одного узла трубопровода впрыска.

При запуске турбомашины для того, чтобы получать смесь, которая является достаточно насыщенной по меньшей мере локально для обеспечения зажигания, даже при общей скорости потока топлива, которая первоначально является небольшой, может быть необходимым или по меньшей мере предпочтительным ограничение подачи топлива только некоторым инжекторам. Тем не менее это обычно требует узлов трубопровода впрыска, которые являются более сложными, так как они включают параллельно с главным контуром вспомогательный контур для использования при запуске турбомашины. Эта дополнительная сложность делает изготовление узлов трубопровода впрыска сложнее и дороже, а также делает их более сложными в обслуживании.

Задача и сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на устранение этих недостатков и, в частности, на создание узла трубопровода впрыска для турбомашины, который является простым для сборки, и который, тем не менее, обеспечивает подачу топлива выборочно некоторым инжекторам с помощью вспомогательного контура параллельно с главным контуром. Так как однородность сгорания при запуске является менее важной, чем во время нормального функционирования турбомашины, возможно ограничение подачи топлива при запуске только первому набору инжекторов.

С этой целью узел трубопровода впрыска для турбомашины по меньшей мере в одном варианте выполнения изобретения содержит первый набор труб передачи, соединенных так, чтобы образовывать главный контур для подачи топлива по меньшей мере первому и второму наборам инжекторов, второй набор труб передачи, соединенных параллельно первому набору труб передачи так, чтобы образовывать вспомогательный контур для подачи топлива указанному первому набору инжекторов, по меньшей мере одно двойное соединение и по меньшей мере одно одиночное соединение. Двойное соединение включает по меньшей мере один первый наконечник, принимающий один конец трубы передачи главного контура, второй наконечник, принимающий один конец трубы передачи вспомогательного контура, и поверхность установки с первым отверстием, находящимся в сообщении по потоку текучей среды с первым наконечником, и вторым отверстием, находящимся в сообщении по потоку текучей среды со вторым наконечником, причем указанная поверхность установки двойного соединения является подходящей для соединения двойного соединения с инжектором указанного первого набора инжекторов. Одиночное соединение включает по меньшей мере одно одиночное соединение, включающее по меньшей мере первый наконечник, принимающий один конец трубы передачи главного контура, и поверхность установки с отверстием, находящимся в сообщении по потоку текучей среды с первым наконечником, причем указанная поверхность установки одиночного соединения является подходящей для соединения одиночного соединения с инжектором указанного второго набора инжекторов. В частности, указанное одиночное соединение необязательно включает какой-либо наконечник, находящийся в сообщении по потоку текучей среды со вспомогательным контуром. Таким образом, соединения обеспечивают простую сборку узла трубопровода впрыска, имеющего два параллельных контура, просто вставкой концов труб передачи в соответствующие наконечники, таким образом, для вспомогательного контура является возможной подача топлива только инжекторам первого набора для запуска, тогда как главный контур также подает топливо инжекторам второго набора для того, чтобы лучше распределять топливо во всей камере сгорания при нормальной скорости функционирования турбомашины.

В частности, для того, чтобы обеспечивать удлинение главного контура двойное соединение также может включать третий наконечник, принимающий один конец второй трубы передачи главного контура и также находящийся в сообщении по потоку текучей среды с первым отверстием.

В частности, для того, чтобы обеспечивать удлинение главного контура, указанное одиночное соединение также может включать второй наконечник, принимающий один конец другой трубы передачи главного контура и также находящийся в сообщении по потоку текучей среды с отверстием в поверхности установки одиночного соединения.

В частности, для того, чтобы облегчать обеспечение главного контура топливом, узел трубопровода может дополнительно включать соединение подачи, подходящее для соединения с первым источником топлива и включающее по меньшей мере первый наконечник, принимающий один конец трубы передачи главного контура для обеспечения его топливом от указанного первого источника. В частности, для того, чтобы увеличивать количество инжекторов при ограничении количества компонентов в узле трубопровода, указанное соединение подачи также может включать поверхность установки с отверстием, находящимся в сообщении по потоку текучей среды с первым наконечником соединения подачи, причем указанная поверхность установки соединения подачи является подходящей для соединения соединения подачи с инжектором, и в частности, с инжектором указанного второго набора инжекторов для обеспечения его топливом от указанного первого источника. Указанное соединение подачи также может являться подходящим для соединения со вторым источником топлива параллельно с первым источником и также может включать по меньшей мере один второй наконечник, принимающий один конец трубы передачи вспомогательного контура для обеспечения его топливом от указанного второго источника, тем самым способствуя, в частности, упрощению обеспечения вспомогательного контура топливом.

Настоящее изобретение также обеспечивает камеру сгорания, включающую такой узел трубопровода впрыска, и турбомашину, включающую такую камеру сгорания.

Краткое описание чертежей

Изобретение может быть лучше понято и его преимущества лучше проявлены при прочтении следующего далее подробного описания варианта его выполнения, приведенного со ссылкой на неограничивающий пример. Описание имеет отсылку на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 представляет собой схематический вид продольного сечения турбомашины;

Фиг. 2A представляет собой вид в перспективе узла трубопровода впрыска в варианте выполнения изобретения, соединенного с множеством инжекторов;

Фиг. 2B представляет собой вид в разрезе узла трубопровода впрыска и инжекторов с Фиг. 2A;

Фиг. 3А и 3B представляют собой вид сбоку и вид в продольном сечении трубы передачи в узле трубопровода впрыска с Фиг. 2A и 2B;

Фиг. 4A, 4B, 4C и 4D представляют собой соответственно виды сверху и снизу и сечения по линиям IVC-IVC и IVD-IVD, показывающие соединение подачи узла трубопровода впрыска на Фиг. 2A и 2B;

Фиг. 5A, 5B, 5C и 5D представляют собой соответственно виды сверху и снизу и сечения по линиям VC-VC и VD-VD двойного соединения узла трубопровода впрыска с Фиг. 2A и 2B;

Фиг. 6A, 6B и 6C представляют собой соответственно вид сверху и снизу и вид в сечении по линии VIC-VIC, показывающие первый тип одиночного соединения для узла трубопровода впрыска с Фиг. 2A и 2B;

Фиг. 7A, 7B и 7C представляют собой соответственно вид сверху и снизу и вид в сечении по линии VIIC-VIIC, показывающие второй тип одиночного соединения для узла трубопровода впрыска с Фиг. 2A и 2B; и

Фиг. 8a и 8b представляют собой соответственно вид спереди и вид в сечении уплотняющей прокладки с С-образным поперечным сечением, подходящей для использования в вышеупомянутых соединениях.

Подробное описание изобретения

Турбомашины, в частности турбовальный двигатель 1, показана на Фиг. 1. Двигатель 1 содержит аксиальный компрессор 4, радиальный компрессор 5, кольцеобразную камеру 6 сгорания, первую газовую турбину 7 сгорания и первый вращающийся вал 8 с центральной осью X для соединения вместе при вращении дисков первой газовой турбины 7 сгорания и компрессоров 4 и 5 таким образом, что вращение турбины служит для приведения в действие компрессоров 4 и 5 при функционировании двигателя 1. Двигатель 1 также имеет вторую газовую турбину 9 сгорания, известную как «свободная» турбина, и второй вращающийся вал 10, подобным образом выровненный с центральной осью X и соединяющий свободную турбину 9 с выходом мощности. Таким образом, вращение диска свободной турбины 9 при функционировании двигателя 1 может использоваться для приведения в действие внешнего устройства, такого как винт вертолета, например.

Для того, чтобы впрыскивать топливо в камеру 6 сгорания, камера сгорания имеет множество инжекторов 100, 100', распределенных по всей камере 6 сгорания и соединенных с источниками топлива (не показаны) узлом 101 трубопровода впрыска, как показано на Фиг. 2A и 2B. Это множество инжекторов 100, 100' содержит первый набор инжекторов 100 и второй набор инжекторов 100'. Инжекторы 100 первого набора являются подходящими для впрыскивания, в дополнение к потоку топлива, поступающему от первого источника топлива, потоку топлива, поступающему от второго источника топлива, тогда как узел 101 трубопровода соединяет инжекторы 100' второго набора только с первым источником топлива. С этой целью узел 101 трубопровода впрыска параллельно содержит два контура топлива: главный контур, соединяющий первый источник топлива с инжекторами 100, 100' первого и второго наборов, и вспомогательный контур, соединяющий второй источник топлива исключительно с инжекторами 100 первого набора.

Узел 101 трубопровода впрыска является модульным и содержит множество труб 102 передачи, соединенных посредством соединений 103, 104, 105, 106 различных типов так, чтобы образовывать указанный первый и второй контуры. Как показано, в частности, на Фигуре 2B, каждое соединение между трубой 102 передачи и соединением 103, 104, 105 или 106 выполняется просто вставкой одного конца трубы 102 передачи в соответствующий наконечник соединения 103, 104 105 или 106. Эти соединения уплотнены уплотнительными кольцами 107, принимаемыми в кольцеобразные канавки 108 в наружных поверхностях на концах труб 102 передачи, причем каждое закрывает пространство между соответствующей внешней поверхностью и внутренней поверхностью соответствующего наконечника. Канавки 108 можно увидеть, в частности, на Фиг. 3А и 3B, на которых также может увидеть, что концы каждой из труб 102 передачи увеличены для того, чтобы закреплять трубы 102 передачи. Как показано на Фиг.2B и 3B, каждая труба 102 передачи является полой, чтобы позволять топливу протекать от одного конца трубы 102 передачи к другому концу.

Первое соединение 103, называемое соединение «подачи», расположено в центральном положении в узле 101 трубопровода и подробно показано на Фиг. 4A-4D. Соединение 103 подачи имеет первый и второй впуски 405, 406 топлива, подходящие для соединения соответственно с указанным первым и вторым источниками топлива, и оно включает обе стороны первого наконечника 401 для приема одного конца трубы 102 передачи главного контура для обеспечения трубы топливом от указанного главного источника, и второго наконечника 402 для приема одного конца трубы 102 передачи вспомогательного контура для обеспечения трубы топливом от указанного второго источника. Первые наконечники 401 находятся в сообщении по потоку текучей среды с первым впуском 405 топлива с помощью первой полости 407 соединения 103 подачи для того, чтобы обеспечивать главный контур и оба набора инжекторов 100, 100' топливом, тогда как указанные вторые наконечники 402 находятся в сообщении по потоку текучей среды со вторым впуском 406 топлива с помощью второй полости 408 для того, чтобы обеспечивать вспомогательный контур и первый набор инжекторов 100 топливом параллельно с главным контуром. Полости 407 и 408 отделены друг от друга внутри соединения 103 подачи, и они не сообщаются непосредственно друг с другом.

В дополнение соединение 103 подачи также имеет пластину 409 основания на его основании. Пластина 409 основания служит не только для установки соединения 103 подачи на внешнюю стенку камеры 6 сгорания посредством болтов 109, но она также обеспечивает установку инжектора 100' второго набора с пластиной 110' основания, помещенной между пластиной 409 основания соединения 103 подачи и внешней стенкой камеры 6 сгорания. Пластина 409 основания имеет поверхность 410 установки с отверстием 411, находящимся в сообщении по потоку текучей среды с первым впуском 405 топлива и с указанным первым наконечником 401 посредством первой полости 407 соединения 103 подачи. Таким образом, эта поверхность 410 установки служит не только для установки инжектора 100' указанного второго набора, но она также служит для обеспечения его топливом, поступающим от первого источника топлива. Отверстие 411 окружено местной выемкой 413 в поверхности 410 установки, подходящей для приема уплотнительного кольца 801 с С-образным поперечным сечением, которое может, например, быть изготовлено из металла для того, чтобы предотвращать просачивание топлива между пластинами 409 и 110' основания. Такая прокладка 801 показана на Фиг. 8A и 8B. В показанном варианте выполнения эта местная выемка 410 образована посредством цекования, выполненного в материале соединения 103. Тем не менее, также могут предполагаться другие альтернативные решения, такие как, например, прием уплотняющей прокладки в разделитель с плоской нижней поверхностью, который помещен между пластинами 409 и 110' основания.

На любой из сторон соединения 103 подачи противоположные концы труб 102 передачи, которые непосредственно соединены с соединением 102 подачи, принимаются в соответственные наконечники соединений второго типа, называемого «двойное» соединение 104. Такое двойное соединение 104 более подробно показано на Фиг. 5A-5D. Двойное соединение 104 имеет первый наконечник 501, второй наконечник 502 и третий наконечник 503. Первый наконечник 501 принимает конец трубы 102 передачи, противоположный ее концу, принимаемому в первый наконечник 401 соединения 103 подачи, тогда как второй наконечник 502 принимает конец трубы 102 передачи, который является противоположным ее концу, принимаемому во второй наконечник 402 соединения 103 подачи. Третий наконечник 503 расположен на стороне, противоположной первому наконечнику 501, и он принимает один конец другой соединительной трубы 102 для продолжения главного контура за пределы двойного соединения 104. С этой целью первый и второй наконечники 501 и 503 находятся в сообщении по потоку текучей среды посредством первой полости 507 двойного соединения 104.

В дополнение двойное соединение 104 также включает пластину 509 основания на ее основании. Эта пластина 509 основания служит не только для установки двойного соединения 104 на внешнюю стенку камеры 6 сгорания с помощью болтов 109, но она также служит для установки инжектора 100 первого набора, имеющего пластину 110 основания, помещенную между пластиной 509 основания двойного соединения 104 и внешней стенкой камеры 6 сгорания. Пластина 509 основания включает поверхность 510 установки с первым отверстием 511, находящимся в сообщении по потоку текучей среды с указанными первым и третьим наконечниками 501, 503 посредством указанной первой полости 507 двойного соединения 104, и также вторым отверстием 512, находящимся в сообщении по потоку текучей среды со вторым наконечником 502 посредством второй полости 508 двойного соединения 104. Полости 507 и 508 могут быть отделены друг от друга внутри двойного соединения 104 без непосредственного контакта между друг другом. Таким образом, поверхность 510 установки служит не только для установки инжектора 100 указанного первого набора, но она также параллельно служит для обеспечения его топливом, поступающим от первого и второго источников топлива. Каждое из отверстий 511 и 512 окружено местной выемкой 513, 514 в поверхности 510 установки, позволяющей установку уплотняющих прокладок 801 с С-образным поперечным сечением для предотвращения просачивания топлива между пластинами 509 и 110 основания.

За пределами двойных соединений 104 первый контур продолжается посредством труб 102 передачи, последовательно соединенных вместе одиночными соединениями 105. Одно такое одиночное соединение 105 показано более подробно на Фиг. 6A-6C. Одиночное соединение 105 включает первый наконечник 601 и второй наконечник 603. Первый наконечник 601 принимает один конец трубы 102 передачи главного контура, тогда как второй наконечник 603, расположенный на стороне, противоположной первому наконечнику 601, принимает один конец другой трубы 102 передачи главного контура. Эти первый и второй наконечники 601 и 603 находятся в сообщении по потоку текучей среды посредством полости 607 в соединении 105.

Одиночное соединение 105 также включает пластину 609 основания на его основании. Эта пластина 609 основания служит не только для установки одиночного соединения 105 на внешнюю стенку камеры 6 сгорания с помощью болтов 109, но она также служит для установки инжектора 100' второго набора, имеющего пластину 110' основания, помещенную между пластиной 609 основания одиночного соединения 105 и внешней стенкой камеры 6 сгорания. Пластина 609 основания включает поверхность 610 установки с отверстием 611, находящимся в сообщении по потоку текучей среды с указанными первым и вторым наконечниками 601, 603 посредством полости 607 в одиночном соединении 105. Таким образом, эта поверхность 610 установки служит не только для установки инжектора 100' указанного второго набора, но она также служит для обеспечения его топливом, поступающим от второго источника топлива через главный контур узла 101 трубопровода. Отверстие 611 окружено местной выемкой 613 в поверхности 610 установки, позволяющей установку уплотняющей прокладки (не показана) с С-образным поперечным сечением для того, чтобы исключать просачивание топлива между пластинами 609 и 110' основания.

Узел 110 трубопровода впрыска 110 также имеет концевые одиночные соединения 106, образующие концы первого контура. Одно такое концевое одиночное соединение 106 более подробно показано на Фиг. 7A-7C. Эта концевое одиночное соединение 106 включает один наконечник 701, который принимает один конец последней трубы 102 передачи на любой из сторон главного контура. Концевое одиночное соединение 106 также включает пластину 709 основания на его основании. Эта пластина 709 основания служит не только для установки концевого одиночного соединения 106 на внешней стенке камеры 6 сгорания с помощью болтов 109, но она также служит для установки инжектора 100' второго набора, имеющего пластину 110' основания, помещенную между пластиной 709 основания концевого одиночного соединения 106 и внешней стенкой камеры 6 сгорания. Пластина 709 основания включает поверхность 710 установки с отверстием 711, находящимся в сообщении по потоку текучей среды с указанным первым наконечником 701 посредством полости 707 в концевом одиночном соединении 106. Таким образом, эта поверхность 710 установки служит не только для установки инжектора 100' указанного второго набора, но она также служит для обеспечения его топливом, поступающим от первого источника топлива через главный контур узла 101 трубопровода. Отверстие 711 окружено местной выемкой 713 в поверхности 710 установки, позволяющей установку уплотняющей прокладки 801 с С-образным поперечным сечением для того, чтобы исключать просачивание топлива между пластинами 709 и 110' основания.

Следует отметить, что двойные соединения 104, одиночные соединения 105 и концевые одиночные соединения 106 на любой из сторон соединения 103 подачи не являются идентичными, а точнее являются симметричными с соответствующими соединениями на противоположной стороне. Таким образом, двойное соединение 104, показанное на Фиг. 5A-5D, соответствует только двойному соединению 104 на одной стороне соединения 103 подачи, однако двойное соединение на противоположной стороне является по существу симметричным ему. То же самое применяется для одиночного соединения 105, показанного на Фиг. 6A-6C, и для концевого одиночного соединения 106, показанного на Фиг. 7A-7C.

При функционировании, когда двигатель 1 запускается, поток топлива доставляется только инжекторам 100 первого набора от второго источника топлива и через второй впуск 406 топлива и вторую полость 408 соединения подачи, трубы 102 передачи вспомогательного контура и вторые полости 508 двойных соединений 104. После запуска двигателя увеличение скорости потока топлива доставляется обоим наборам инжекторов 100 и 100' от первого источника топлива через первый впуск 405 топлива и первую полость 407 соединения 103 подачи, трубы 102 передачи главного контура, первые полости 507 двойных соединений 104 и одиночные соединения 105 и концевые одиночные соединения 106. Наконец, как только турбина достигает заданной рабочей скорости, каждый из инжекторов 100 и 100' впрыскивает топливо по существу на идентичной скорости в камеру 6 сгорания. Таким образом, на этой заданной скорости скорость потока, доставляемого главным и вспомогательным контурами каждому из инжекторов 100 первого набора, является по существу идентичной скорости потока, доставляемого контуром каждому из инжекторов 100' второго набора.

Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретный вариант выполнения, понятно, что различные преобразования и изменения могут быть выполнены в этих вариантах выполнения, не выходя за пределы общего объема охраны изобретения, который определен формулой изобретения. В дополнение отдельные характеристики различных отмеченных вариантов выполнения могут быть объединены в дополнительные варианты выполнения. Вследствие этого описание и чертежи могут рассматриваться в определенном смысле, который является иллюстративным, а не ограничивающим.

1. Узел (101) трубопровода впрыска для турбомашины, содержащий:

первый набор труб (102) передачи, соединенных так, чтобы образовывать главный контур для подачи топлива к по меньшей мере первому набору и второму набору инжекторов (100, 100');

второй набор труб (102) передачи, соединенных параллельно первому набору так, чтобы образовывать вспомогательный контур для подачи топлива к первому набору инжекторов (100); и

по меньшей мере одно двойное соединение (104), включающее в себя по меньшей мере один первый наконечник (501), принимающий один конец трубы (102) передачи главного контура, второй наконечник (502), принимающий один конец трубы (502) передачи вспомогательного контура, и поверхность (510) установки с первым отверстием (511), находящимся в сообщении по потоку текучей среды с первым наконечником (501), и вторым отверстием (512), находящимся в сообщении по потоку текучей среды со вторым наконечником (502), причем поверхность (510) установки двойного соединения (104) является подходящей для соединения двойного соединения (104) с инжектором первого набора инжекторов (100);

по меньшей мере одно одиночное соединение (105, 106), включающее в себя по меньшей мере первый наконечник (601, 701), принимающий один конец трубы (102) передачи главного контура, и поверхность (610, 710) установки с отверстием (611, 711), находящимся в сообщении по потоку текучей среды с первым наконечником (601, 701), причем поверхность (610, 710) установки одиночного соединения (105, 106) является подходящей для соединения одиночного соединения с инжектором (100') второго набора инжекторов (100').

2. Узел (101) трубопровода впрыска по п. 1, в котором одиночное соединение (105, 106) выполнено без какого-либо наконечника, находящегося в сообщении по потоку текучей среды со вспомогательным контуром.

3. Узел (101) трубопровода впрыска по п. 1, в котором двойное соединение (104) также включает в себя третий наконечник (503), принимающий один конец второй трубы (102) передачи главного контура и также находящийся в сообщении по потоку текучей среды с первым отверстием (511).

4. Узел (101) трубопровода впрыска по п. 1, в котором одиночное соединение (105) также включает в себя второй наконечник (603), принимающий один конец другой трубы (102) передачи главного контура и также находящийся в сообщении по потоку текучей среды с отверстием (611) в поверхности (610) установки одиночного соединения (105).

5. Узел (101) трубопровода впрыска по п. 1, дополнительно включающий в себя соединение (103) подачи, подходящее для соединения с первым источником топлива и имеющее по меньшей мере первый наконечник (401), принимающий один конец трубы (102) передачи главного контура для обеспечения его топливом от первого источника.

6. Узел (101) трубопровода впрыска по п. 5, в котором соединение (103) подачи также включает в себя поверхность (410) установки с отверстием (411), находящимся в сообщении по потоку текучей среды с первым наконечником (401) соединения (103) подачи, причем поверхность (410) установки соединения (103) подачи является подходящей для соединения (103) подачи с инжектором (100') второго набора инжекторов (100') для обеспечения его топливом от первого источника.

7. Узел (101) трубопровода впрыска по п. 5, в котором соединение (103) подачи также является подходящим для соединения со вторым источником топлива параллельно первому источнику и также включает в себя по меньшей мере один второй наконечник (402), принимающий один конец трубы (102) передачи вспомогательного контура для обеспечения его топливом от второго источника.

8. Камера (6) сгорания турбомашины, содержащая узел (101) трубопровода впрыска по любому из пп. 1-7.

9. Турбомашина (1), содержащая камеру сгорания по п. 8.