CZ308533B6

CZ308533B6 - Malý turbínový motor se zapalovacím systémem

Info

Publication number: CZ308533B6
Application number: CZ2016-296A
Authority: CZ
Inventors: Zdeněk Katolický
Original assignee: První Brněnská Strojírna Velká Bíteš, A.S.; Zdeněk Katolický
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2016-05-19
Publication date: 2020-10-29
Also published as: EP3246628A1; EP3246628B1; CZ2016296A3

Abstract

Vynález se týká malého turbínového motoru se zapalovacím systémem, který obsahuje prstencovou spalovací komoru (1) napojenou na přívod provozního paliva a přívod startovacího paliva a dále napojenou na přívod vzduchu, přičemž spalovací komoře (1) je přiřazen zapalovací systém startovacího paliva se žhavicí svíčkou (3). V přívodu startovacího paliva je zařazena alespoň jedna startovací obtoková tryska (2) s úhlem rozstřiku paliva v rozmezí 60° až 110°, která je uspořádána ve spalovací komoře (1). Přívod startovacího paliva do motoru je přes startovací čerpadlo (24) napojen na přívod provozního paliva, přičemž přívod provozního paliva do motoru obsahuje hlavní čerpadlo (21), za kterým se rozvod paliva rozdvojuje na startovací palivovou větev se startovacím elektromagnetickým ventilem (22) a provozní palivovou větev s provozním elektromagnetickým ventilem (23). Za startovacím elektromagnetickým ventilem (22) je palivo vedeno na vstup startovacího čerpadla (24), jehož výstup je přívodním palivovým potrubím (15) propojen se vstupem startovací obtokové trysky (2), jejíž obtokový výstup je obtokovým potrubím (16) napojen zpět na startovací palivovou větev mezi startovacím elektromagnetickým ventilem (22) a startovacím čerpadlem (24).

Description

Malý turbínový motor se zapalovacím systémem

Oblast techniky

Vynález se týká malého turbínového motoru se zapalovacím systémem, který obsahuje prstencovou spalovací komoru napojenou na přívod provozního paliva a přívod startovacího paliva a dále napojenou na přívod vzduchu, přičemž spalovací komoře je přiřazen zapalovací systém startovacího paliva se žhavicí svíčkou.

Dosavadní stav techniky

Pro spouštění malých turbínových motorů se k zapálení hlavního paliva používá předehřev prostoru spalovací komory pomocí plynného paliva, přiváděného samostatným rozvodem z tlakové nádoby přes startovací ventil. Před ukončením ohřevu se do odpařovacích trubic uvnitř spalovací komory přivede hlavní palivo, které nadále samo hoří a přívod startovacího plynného paliva se přeruší.

Druhou možností je přímé zapálení hlavního paliva pomocí keramické žhavicí svíčky, při kterém se hlavní palivo přivádí ke svíčce odbočkou z hlavního palivového rozvodu přes startovací ventil.

Větší turbínové motory používají pro start buď pochodňové zapalovače se startovací tryskou a vysokoenergetickou nízkonapěťovou svíčkou, nebo využívají zapálení směsi palivo-vzduch pomocí vysokoenergetické jiskry v oblasti kvalitně rozprášeného paliva od hlavních trysek při dostatečném tlaku paliva.

Nevýhodou zmíněných známých systémů spouštění turbínových motorů, zejména malých turbínových motorů, je nutnost použití dvou druhů paliva v případě varianty s pomocným plynem. U systému s keramickou svíčkou je zapálení paliva nespolehlivé nebo i nemožné při teplotách pod bodem mrazu a při vyšších rychlostech letu. U obou variant způsobu startování je také doba dosažení provozního režimu motoru relativně dlouhá.

Řešení používaná pro zapálení směsi palivo-vzduch u větších turbínových motorů nejsou aplikovatelná na malé turbínové motory s odpařovacími trubkami, a to z rozměrových, hmotnostních i ekonomických důvodů.

GB 788557 popisuje motor s prstencovou spalovací komorou s odpařovacími trubicemi tvaru U. Řešení pro zapálení hlavního paliva používá pomocnou (malou) spalovací komoru, která je umístěna v hlavní spalovací komoře. Pomocná spalovací komora je vybavena startovací tryskou, vysokoenergetickou zapalovací svíčkou a osovým vyústěním do prostoru hlavní spalovací komory. Spaliny z pomocné spalovací komory předehřívají pouze nejbližší odpařovací trubice, čímž se prodlužuje čas startu motoru. Pro zlepšení startovatelnosti ve výškách používá toto řešení zvláštní přívod kyslíku ke startovací trysce, a to pomocí samostatného potrubí. Je zřejmé, že toto řešení je pro malé motory nepoužitelné z rozměrových, hmotnostních a také cenových důvodů.

GB 802703 popisuje motor s kónickou spalovací komorou s centrálním osovým vstupem vzduchu, s jednou odstředivou palivovou tryskou a s vysokonapěťovou zapalovací svíčkou, která je určena pro turbínový startér. Tento dokument řeší především ochranu vysokonapěťové zapalovací svíčky a tvorbu vhodné směsi pro zapálení. Toto řešení je pro malé turbínové motory s prstencovou spalovací komorou nepoužitelné.

GB 651706 popisuje řešení pro velký turbínový motor s mnoha samostatnými trubkovými spalovacími komorami a s klasickými odstředivými vysokotlakými palivovými tryskami. Startování motoru je řešeno pomocí tzv. pochodňových zapalovačů, které jsou osazeny

-1 CZ 308533 B6 startovacími tryskami, které ale nejsou obtokovými tryskami, a vysokonapěťovou svíčkou se zdrojem. Zapálení ostatních spalovacích komor je řešeno pomocí průšlehových kanálů. Přívod paliva ke startovací trysce je řešen třícestným elektroventilem, přičemž režim práce startovací trysky je dán nastavením redukčního ventilu a polohou plynové páky. Toto řešení je pro malé turbínové motory rovněž nepoužitelné, a to z důvodů rozměrových, hmotnostních a ve svém důsledku i ekonomických.

EP 1965056 popisuje proces startu helikoptérového motoru s klasickými odstředivými vysokotlakými tryskami, které jsou všechny shodné, přičemž jedna tato vysokotlaká tryska je využita pro startování a další vysokotlaké trysky jsou během startování blokovány jednosměrným ventilem. Tento ventil se otevře až po dosažení nastaveného vyššího tlaku, typicky 6 barů. K zapálení je použita vysokoenergetická svíčka. Po úspěšném startu je blokace jednosměrného ventilu eliminována elektromagnetickým ventilem a všechny vysokotlaké trysky dále pracují pň stejném tlaku paliva. Na obr. 1 je ukázána verze motoru, která pro start využívá pomocné startovací trysky ovládané přes třícestný elektromagnetický ventil. V tomto provedení je pro regulaci množství startovacího paliva nezbytný regulátor. Vysokotlaké trysky však nejsou obtokové. Toto řešení není použitelné pro malé motory z důvodů hmotnostních a cenových, protože je postaveno na vysokotlakých odstředivých tryskách a vysokoenergetickém zapalování.

Obecně je možno říci, že ve 4 zmíněných dokumentech je použito palivové čerpadlo, které je mechanicky poháněno od hlavního rotoru motoru. Takovéto čerpadlo však mění své výstupní parametry podle aktuálních otáček motoru, a proto je pro start motorů podle těchto namítaných řešení nutný další regulační prvek průtoku paliva, a to buď redukční ventil, nebo regulátor průtoku.

Cílem vynálezu je odstranit nebo alespoň minimalizovat nevýhody dosavadního stavu techniky, zejména zkrátit dobu pro dosažení provozního režimu motoru, zlepšit nebo umožnit startování za nízkých teplot a teplot pod bodem mrazu a při vyšších rychlostech letu.

Podstata vynálezu

Cíle vynálezu je dosaženo malým turbínovým motorem se zapalovacím systémem, jehož podstata spočívá v tom, že v přívodu startovacího paliva je zařazena alespoň jedna startovací obtoková tryska s úhlem rozstřiku paliva v rozmezí 60° až 110°, která je uspořádána ve spalovací komoře (1), přičemž přívod startovacího paliva do motoru je přes startovací čerpadlo napojen na přívod provozního paliva, přičemž přívod provozního paliva do motoru obsahuje hlavní čerpadlo, za kterým se rozvod paliva rozdvojuje na startovací palivovou větev se startovacím elektromagnetickým ventilem a provozní palivovou větev s provozním elektromagnetickým ventilem, přičemž za startovacím elektromagnetickým ventilem je palivo vedeno na vstup startovacího čerpadla, jehož výstup je přívodním palivovým potrubím propojen se vstupem startovací obtokové trysky, jejíž obtokový výstup je obtokovým potrubím napojen zpět na startovací palivovou větev mezi startovacím elektromagnetickým ventilem a startovacím čerpadlem.

Vynález významně rozšiřuje možnosti startování malých turbínových motorů z hlediska rychlosti letu, nízkých nebo minusových teplot okolí, nadmořských výšek a umožňuje startování motorů v libovolné poloze vůči zemi. Startovací obtoková tryska s velkým úhlem rozstřiku paliva zajištuje hoření směsi paliva se vzduchem ve velké části spalovací komory v podélném i obvodovém směru a tím i rychlý a efektivní náběh motoru do provozního režimu, např. u motoru s odpařovacími trubicemi se jedná o rychlý ohřev odpařovacích trubic před otevřením hlavního přívodu paliva.

- 2 CZ 308533 B6

Objasnění výkresů

Vynález je schematicky znázorněn na výkrese, kde ukazuje obr. 1 řez malým turbínovým motorem se zapalovacím systémem podle vynálezu a obr. 2 uspořádání palivového systému malého turbínového motoru podle vynálezu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Vynález bude popsán na příkladu provedení malého turbínového motoru s prstencovou spalovací komorou 1. Spalovací komora 1 obsahuje vnější plášť 5, vnitřní plášť 4 a čelo 6. Uvnitř spalovací komory j. jsou po obvodu spalovací komory j. umístěny odpařovací trubice 7 paliva. Ve znázorněném příkladu provedení jsou odpařovací trubice 7 paliva uloženy svým zadním koncem, myšleno ve směru zleva doprava, v prstencovém nosiči 8. Na výstup spalin ze spalovací komory 1 navazuje rozváděči kolo 9 turbíny a oběžné kolo 10 turbíny, které tvoří výstupní část motoru, a které jsou známým způsobem rotačně uloženy v konstrukci motoru.

Hlavní palivo je do spalovací komory j. přiváděno z rozvodu 11 přes kapilární trubičky 12 do odpařovacích trubic 7, kterými je do vnitřního prostoru spalovací komory 1 známým způsobem přiváděn vzduch od dále uvedeného axiálního difuzoru 14. Vzduch do spalovací komory ]_ proudí také otvory ve stěnách spalovací komory L Na vstupu do motoru je otočně uspořádán kompresor 13 vzduchu, přičemž vzduch po průchodu kompresorem 13 proudí do prostoru motoru se spalovací komorou 1 přes axiální difuzor 14. Kompresor 13 je spřažen s neznázoměným startovacím rozběhovým zařízením, např. elektromotorem.

Spalovací komora 1 je opatřena alespoň jednou obtokovou tryskou 2 a v odstupu od ní i alespoň jednou žhavicí svíčkou 3. Obtoková tryska 2 i žhavicí svíčka 3 jsou s výhodou situovány v oblasti spalovací komory 1, ve které do vnitřního prostoru spalovací komory 1 ústí odpařovací trubice 7. Ve znázorněném příkladu provedení jsou obtoková tryska 2 i žhavicí svíčka 3 situovány v čele 6 spalovací komory 1, případně je obtoková tryska 2 situována v šikmé ploše čela 6 spalovací komory 1 nebo jiné vhodné části spalovací komory 1 v oblasti vyústění odpařovacích trubic 7 ve spalovací komoře L

Startovací obtoková tryska 2 je svým vstupem napojena na přívodní palivové potrubí 15, přičemž je svým obtokovým výstupem pomocí obtokového potrubí 16 napojena na sání startovacího čerpadla 24. Startovací obtoková tryska 2 je uspořádána tak, že většina množství paliva dodaného přívodním palivovým potrubím 15 se obtokovým potrubím 16 vrací zpět do sání startovacího čerpadla 24. Menší část paliva je startovací obtokovou tryskou 2, která má úhel rozstřiku paliva od 60° do 110°, ideálně pak 90°, vstřikována do spalovací komory j_, kde vytváří (kvalitní) sprej paliva. Množství vstřikovaného paliva je dáno nastavením hlavního čerpadla 21 paliva, které dávkuje palivo do motoru a tím i do startovacího čerpadla 24 paliva.

Startovací obtoková tryska 2 má přitom velký vstřikovací i obtokový otvor, takže jednak nehrozí jejich ucpání a pro fúnkci trysky 2 postačuje nízký tlak paliva.

Keramická žhavicí svíčka 3, která realizuje zapálení směsi palivo-vzduch, je v tělese spalovací komory ]_ ve znázorněném příkladu provedení uložena pomocí chladicího pouzdra 17 s otvorem 18 situovaným před spalovací komorou, takže tímto otvorem 18 proudí vzduch od axiálního difuzoru 14. čímž se zajištuje chlazení žhavicí svíčky 3. S výhodou je keramická žhavicí svíčka 3 umístěna tak, aby na ni dopadaly kapičky paliva ze startovací obtokové trysky 2.

K motoru je pňřazena nádrž 25 paliva, která je napojena na hlavní čerpadlo 21 paliva, ze kterého je palivo dále vedeno přes palivový filtr 26, za nímž se palivový rozvod rozdvojuje na startovací

-3CZ 308533 B6 palivovou větev připojovanou startovacím elektromagnetickým ventilem 22 a provozní palivovou větev připojovanou provozním elektromagnetickým ventilem 23.

Za startovacím elektromagnetickým ventilem 22 je palivo přivedeno na vstup startovacího čerpadla 24. jehož výstup je přívodním palivovým potrubím 15 propojen se vstupem startovací obtokové trysky 2. Výstup obtokové trysky 2 je obtokovým potrubím 16 napojen na startovací palivovou větev mezi startovacím elektromagnetickým ventilem 22 a startovacím čerpadlem 24, tj. je napojen na sání startovacího čerpadla 24.

Provozní palivová větev vede za provozním elektromagnetickým ventilem 23 do rozvodu 11 a z něj pak dále do kapilárních trubiček 12 a do odpařovacích trubic 7 ve spalovací komoře L Tímto rozvodem se dopravuje palivo od hlavního čerpadla 21 do odpařovacích trubic 7 a do spalovací komory j_.

Malý turbínový motor se zapalovacím systémem pracuje tak, že pro spuštění motoru se nejdříve začne otáčet kompresor 13. čímž se do motoru vhání vzduch. Startovací obtokovou tryskou 2 se do přední části spalovací komory 1 vstřikuje palivo, které se zde smísí se vzduchem procházejícím otvory ve stěnách spalovací komory ]_ a odpařovacími trubicemi 7. Směs se zapálí keramickou žhavicí svíčkou 3, přičemž se startovací obtokovou tryskou 2 vstřikuje další palivo. Díky kvalitnímu spreji paliva, danému zejména velkým úhlem rozstřiku paliva a nízkým tlakem rozstřiku paliva se vstřikovaným palivem zasahuje velký objem spalovací komory 1 v podélném i v obvodovém směru, čímž se dosáhne rychlého předehřevu odpařovacích trubic 7, takže je možné dříve, v porovnání se stavem techniky, otevřít i přívod paliva do odpařovacích trubic 7 a motor rychle akceleruje do provozního režimu. Po dosažení požadovaných parametrů chodu motoru, např. stanovené meze otáček, se uzavře startovací elektromagnetický ventil 22 a odpojí se startovací čerpadlo 24. žhavicí svíčka 3 a startovací obtoková tryska 2 a nadále se do motoru přivádí palivo jen prostřednictvím provozního elektromagnetického ventilu 23 přes rozvod 11 a kapilární trubičky 12 do odpařovacích trubic 7.

Vynález není omezen pouze na turbínové motory s odpařovacími trubicemi, ale může být využit i u jiných turbínových motorů.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Malý turbínový motor se zapalovacím systémem, který obsahuje prstencovou spalovací komoru (1) napojenou na přívod provozního paliva a přívod startovacího paliva a dále napojenou na přívod vzduchu, přičemž spalovací komoře (1) je přiřazen zapalovací systém startovacího paliva se žhavicí svíčkou (3), vyznačující se tím, že v přívodu startovacího pálívaje zařazena alespoň jedna startovací obtoková tryska (2) s úhlem rozstřiku paliva v rozmezí 60° až 110°, která je uspořádána ve spalovací komoře (1), přičemž přívod startovacího paliva do motoru je přes startovací čerpadlo (24) napojen na přívod provozního paliva, přičemž přívod provozního paliva do motoru obsahuje hlavní čerpadlo (21), za kterým se rozvod paliva rozdvojuje na startovací palivovou větev se startovacím elektromagnetickým ventilem (22) a provozní palivovou větev s provozním elektromagnetickým ventilem (23), přičemž za startovacím elektromagnetickým ventilem (22) je palivo vedeno na vstup startovacího čerpadla (24), jehož výstup je přívodním palivovým potrubím (15) propojen se vstupem startovací obtokové trysky (2), jejíž obtokový výstup je obtokovým potrubím (16) napojen zpět na startovací palivovou větev mezi startovacím elektromagnetickým ventilem (22) a startovacím čerpadlem (24).
2. Malý turbínový motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že startovací obtoková tryska (2) a žhavicí svíčka (3) jsou upevněny na plášti prstencové spalovací komory (1).
3. Malý turbínový motor podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že startovací obtoková tryska (2) je umístěná v čele (6) spalovací komory (1).
4. Malý turbínový motor podle nároku 1, vyznačující se tím, že provozní palivová větev za provozním elektromagnetickým ventilem (23) vede do rozvodu (11) paliva v motoru a z něj pak dále do kapilárních trubiček (12) a do odpařovacích trubic (7) ve spalovací komoře (1).
5. Malý turbínový motor podle nároku 1 nebo 4, vyznačující se tím, že hlavní čerpadlo (21) určuje množství vstřikovaného paliva v době startu motoru a startovací čerpadlo (24) určuje množství paliva na vstupu do startovací obtokové trysky (2).