ES2287230T3 - Perfeccionamientos en inyectores de turbomaquinas. - Google Patents

Perfeccionamientos en inyectores de turbomaquinas. Download PDF

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Abstract

Inyector (2) de combustible para un motor de turbomáquina, que comprende un cuerpo (4) de inyector que tiene medios de admisión (6) de combustible a presión, una primera válvula (10) montada aguas abajo de dichos medios de admisión de combustible a presión y dispuesta para abrirse en respuesta a una presión predeterminada de combustible, que define una primera presión umbral (S1), a fin de admitir el combustible en el cuerpo de inyector, una segunda válvula (36) montada aguas abajo de dicha primera válvula y que puede abrirse en respuesta a una segunda presión umbral (S2) de combustible, superior a dicha primera presión umbral, a fin de dosificar al menos una parte del combustible admitido en dicho cuerpo de inyector hacia medios de utilización (48) de este combustible, siendo el caudal de combustible dosificado hacia los medios de utilización función de unas secciones de paso (46) practicadas al nivel de dicha segunda válvula, caracterizado porque comprende además un diafragma (66) dispuesto entre los medios de admisión de combustible a presión y la primera válvula, a fin de fijar en un valor determinado el caudal de combustible admitido en el cuerpo de inyector.

Description

Perfeccionamientos en inyectores de turbomáquinas.
Antecedentes de la invención
La presente invención se refiere a perfeccionamientos aportados a los inyectores de combustible para un motor de turbomáquina. La misma se refiere, más particularmente, a la regulación del caudal de combustible inyectado en una cámara de combustión de turbomáquina.
De manera conocida, un motor de turbomáquina comprende varios inyectores que permiten alimentar con carburante y aire la cámara de combustión durante el arranque y el funcionamiento normal del motor de la turbomáquina. Principalmente, existen dos tipos de inyectores: los inyectores llamados "aeromecánicos", concebidos para dos caudales de carburante (primario y secundario) según las fases de funcionamiento del motor (encendido, de baja a plena potencia), y los inyectores llamados "aerodinámicos", que no comprenden más que un sólo circuito de carburante para todas las fases de funcionamiento. La presente invención tiene por objetivo, más particularmente, los inyectores que pertenecen a esa primera categoría.
El documento US-A1-4.491.272 describe un inyector aeromecánico de combustible para un motor de turbomáquina, que comprende dos circuitos de alimentación de combustible: un circuito primario correspondiente a los caudales reducidos (destinado, por ejemplo, a una fase de encendido y de funcionamiento a baja potencia del motor) y un circuito secundario que interviene para los caudales medios y grandes (destinado, por ejemplo, a las fases de funcionamiento posterior a la plena potencia).
Este tipo de inyector comprende, particularmente, una válvula de cierre destinada a abrirse para una primera presión predeterminada de alimentación de combustible y mantenerse abierta más allá de esta presión, a fin de alimentar el circuito primario de combustible. Por otro lado, una válvula de dosificación dispuesta para abrirse bajo una segunda presión predeterminada de alimentación, superior a la primera presión predeterminada, y mantenerse abierta en respuesta a un aumento de esta presión, permite suministrar el caudal de alimentación de combustible del circuito secundario. La regulación de este caudal secundario se realiza por mediación de ranuras de dosificación previstas al nivel de una cabeza de la válvula y cuyas secciones de paso varían en función de la presión de alimentación aplicada: cuanto más elevada sea esta presión, más importantes serán las secciones de paso de las ranuras.
En la práctica, se constata que, en una cámara de combustión alimentada con carburante por varios inyectores como los descritos anteriormente, existe una heterogeneidad de caudal en la fase correspondiente a los caudales medios, cuando estos inyectores están sometidos a una misma presión de alimentación. Esta heterogeneidad se debe, principalmente, a las diferencias de fabricación entre sus válvulas de dosificación respectivas y puede alcanzar hasta el 10%. Las tolerancias de fabricación o de mecanizado de las válvulas de dosificación y de sus ranuras de dosificación hacen que los caudales medios de combustible no puedan ser idénticos para todos los inyectores de un motor dado. La figura 3 muestra de manera adecuada las diferencias de caudal \DeltaD_{1} y \DeltaD_{2} que pueden existir al nivel de dos inyectores 100, 102 diferentes de una misma cámara de combustión, con relación a un caudal teórico 104 calculado. Esto da como resultado una heterogeneidad al nivel de los caudales medios entre inyectores, perjudicial para el buen funcionamiento del motor de la turbomáquina.
Objeto y sumario de la invención
La presente invención tiene por objetivo, por lo tanto, paliar tales inconvenientes al proponer un inyector de combustible que permite disminuir la heterogeneidad de caudal entre inyectores. Un objetivo de la invención es proponer también un inyector que permita simplificar la realización y mejorar los comportamientos de la regulación de los caudales medios de combustible.
A este efecto, está previsto un inyector de combustible para un motor de turbomáquina, que comprende un cuerpo de inyector que tiene medios de admisión de combustible a presión, una primera válvula montada aguas abajo de dichos medios de admisión de combustible a presión y dispuesta para abrirse en respuesta a una presión predeterminada de combustible, que define una primera presión umbral, a fin de admitir el combustible en el cuerpo de inyector, una segunda válvula montada aguas abajo de dicha primera válvula y que puede abrirse en respuesta a una segunda presión umbral de combustible, superior a dicha primera presión umbral, a fin de dosificar al menos una parte del combustible admitido en dicho cuerpo de inyector hacia medios de utilización de este combustible, siendo el caudal de combustible dosificado hacia los medios de utilización función de unas secciones de paso practicadas al nivel de dicha segunda válvula, caracterizado porque comprende además un diafragma dispuesto entre los medios de admisión de combustible a presión y la primera válvula, a fin de fijar en un valor determinado el caudal de combustible admitido en el cuerpo de inyector.
El caudal de combustible admitido en el cuerpo de inyector es función, particularmente, del diafragma. Dicho caudal se fija en un valor determinado al elegir una abertura del diafragma en función de las características técnicas apropiadas para cada inyector de una misma cámara de combustión. Con más precisión, se elige un diafragma para cada inyector en función de sus diferencias de caudal con relación a un caudal medio calculado. Así, cada inyector de una misma cámara de combustión está provisto de un diafragma que puede variar de un inyector a otro. De este modo, se elimina cualquier riesgo en las diferencias de caudal entre los diferentes inyectores. Además, el reemplazo del diafragma es fácil, puesto que no necesita el desmontaje de las dos válvulas.
Ventajosamente, el inyector comprende además medios de regulación para definir una tercera presión umbral de combustible, superior a la segunda presión umbral, a partir de la que el caudal de combustible dosificado hacia los medios de utilización es función únicamente de la presión de alimentación de combustible.
Los medios de regulación para definir una tercera presión umbral de combustible comprenden, ventajosamente, un tope para limitar la carrera de la segunda válvula de dosificación de combustible.
Breve descripción de los dibujos
Otras características y ventajas de la presente invención resultarán evidentes de la descripción que se hace a continuación, con referencia a los dibujos anexos, que ilustran un ejemplo de realización desprovisto de cualquier carácter limitativo. En las figuras:
- la figura 1 es una vista en corte longitudinal de un inyector de combustible de turbomáquina según la invención;
- la figura 2 es una curva que ilustra un ejemplo de regulación del caudal de inyección en una turbomáquina con la utilización del inyector de la figura 1; y
- la figura 3 es un gráfico que muestra un ejemplo de las diferencias de regulación del caudal de inyección en una turbomáquina de la técnica anterior.
Descripción detallada de un modo de realización
Se hace referencia a la figura 1 que representa, en corte longitudinal, un inyector de combustible para un motor de turbomáquina según la invención.
Este inyector es del tipo aeromecánico, es decir, está concebido para suministrar dos caudales de combustible: un caudal primario, durante una fase de arranque de la turbomáquina equipada con este inyector y una fase de funcionamiento a baja potencia, y un caudal secundario, para las fases de funcionamiento posterior y a plena potencia.
Según la invención, el inyector 2 de combustible comprende, en un cuerpo 4 de inyector, un orificio 6 de admisión de combustible destinado a recibir el combustible a presión que proviene de una bomba apropiada (no representada) y que desemboca en una cámara de preadmisión 8a después de haber atravesado medios de filtrado 9 del tipo alcachofa. Una válvula de estanqueidad 10, destinada a asegurar la estanqueidad del inyector al cerrarse, está montada en una cámara de admisión 8b dispuesta aguas abajo de la cámara de preadmisión 8a en el sentido de flujo del combustible. La misma está formada, de manera clásica, por una cabeza 12 de válvula y por una varilla 14 de válvula, y se mantiene en posición por medio de una parte central tubular 16 que forma el soporte de válvula. La parte central tubular 16 descansa además, gracias a un resalte cilíndrico 17, sobre un primer extremo de una parte periférica cilíndrica 18 que se extiende aguas abajo desde la parte central sobre una gran parte del volumen interno restante del cuerpo 4 de inyector y que delimita una cámara anular de combustible primario 20 y una cámara anular de combustible secundario 22.
La cámara anular de combustible primario 20 comunica con la cámara de admisión 8b por mediación de una pluralidad de agujeros laterales 24 y a través de una alcachofa 25 que define unas secciones de paso fijas. La cámara anular de combustible secundario 22 está conectada a la cámara de admisión 8b a través de agujeros longitudinales 26, taladrados regularmente en el resalte cilíndrico 17 del soporte 16 de válvula. El asiento de la válvula de estanqueidad 10 está formado por un reborde de una camisa cilíndrica 28, que descansa sobre el resalte cilíndrico 17 de la parte central tubular 16 y que se mantiene en el cuerpo 4 de inyector de manera estanca por mediación de un medio de estanqueidad 30 del tipo junta. Un resorte helicoidal 32 está dispuesto entre el soporte 16 de válvula y la cabeza 12 de válvula para permitir una regulación de una presión predeterminada de alimentación de combustible, que define una primera presión umbral S1, más allá de la que se abre la válvula de estanqueidad 10. El combustible presente en la cámara de preadmisión 8a penetra entonces en la cámara de admisión 8b y fluye a la cámara anular de combustible primario 20 a través de los agujeros laterales 24, antes de ser evacuado hacia un canal central de expulsión del combustible primario 33, que define primeros medios de utilización del combustible.
Un dispositivo 34 dosificador de combustible está, por otra parte, montado directamente en la cámara anular de combustible secundario 22 de manera que dosifica el combustible que fluye desde esta cámara. De manera clásica, dicho dispositivo comprende una válvula de dosificación 36 con forma tubular dispuesta en un primer extremo de una abertura 38 que desemboca en un agujero longitudinal 40 de admisión del combustible secundario, y en un segundo extremo, que forma el fondo, de un resalte sensiblemente circular que constituye la cabeza 42 de válvula y que soporta un segundo extremo de la parte periférica cilíndrica 18. La válvula de dosificación 36 comprende igualmente unas salidas laterales 44 de flujo del combustible secundario. La cabeza 42 de válvula comprende, sobre su contorno, unas ranuras de dosificación 46 del combustible, que se abren en el agujero longitudinal 40 y que definen unas secciones de paso variables hacia segundos medios de utilización del combustible. Estas ranuras 46 están conformadas con mucha precisión para dosificar la cantidad de combustible que fluye desde la cámara anular de combustible secundario 22 hacia una cámara de recepción 48 formada en el cuerpo 4 de inyector y que desemboca hacia un canal anular 50 de expulsión del combustible secundario, que rodea el canal central 33 de expulsión del combustible primario.
La válvula de dosificación 36 puede deslizar en un casquillo cilíndrico 52, uno de cuyos extremos comprende una escotadura circular 54 que forma un asiento de válvula. Este casquillo se mantiene sobre la parte periférica cilíndrica 18 de manera estanca por mediación de un medio de estanqueidad 56 del tipo junta. El casquillo 52 forma igualmente una superficie de apoyo para un extremo de un resorte helicoidal 58, cuyo extremo opuesto está montado en un elemento anular de retención 60 que se hace pasar sobre el primer extremo de la válvula de dosificación 36 y se fija a ésta con la ayuda de un anillo 62 en C. Un calzo anular 64 está dispuesto entre el anillo 62 en C y el elemento anular de retención 60 de manera que regula la carga del resorte 58 y define una segunda presión umbral S2, superior a la primera presión umbral S1, para la que se abre la válvula de dosificación 36. Esta carga del resorte se elige de manera que permite que la válvula de dosificación se abra para la segunda presión umbral S2 y que se mantenga abierta en respuesta a un aumento de la presión de alimentación, siendo entonces el caudal suministrado función de las secciones de paso de las ranuras de dosificación 46.
El inyector 2 está provisto además de un diafragma 66 dispuesto entre el orificio de admisión 6 y la válvula de estanqueidad 10. Con más precisión, el diafragma 66 está montado en la cámara de preadmisión 8a aguas arriba, en el sentido de flujo del combustible, de la camisa cilíndrica 28 que descansa sobre la parte periférica cilíndrica 18. Este diafragma permite fijar en un valor determinado el caudal de combustible admitido en la cámara de admisión 8b. La abertura del diafragma se elige en función de las características apropiadas para el inyector (fabricación y mecanizado de la válvula de dosificación y de sus ranuras, tensión del resorte, efectos de los rozamientos entre la válvula y el casquillo en el que desliza,...) y según sus diferencias de caudal con relación a un caudal medio calculado. Esta elección se realiza, por lo tanto, de manera que la curva de los caudales medios en función de la presión de alimentación del combustible no se salga de unos límites de tolerancia preestablecidos. Estos límites de tolerancia se preestablecen en función de una curva media teórica calculada de caudal. Por ejemplo, se puede definir por una diferencia de caudal máxima del orden de \pm 5% con relación a esta curva media teórica.
Según una característica ventajosa de la invención, el inyector de combustible comprende además medios de regulación para definir una tercera presión umbral S3 de combustible, superior a la segunda presión umbral S2, a partir de la que el caudal de combustible dosificado hacia los segundos medios de utilización es función únicamente de la presión de alimentación de combustible. Estos medios de regulación se presentan en forma de un tope 68 montado, por ejemplo, al nivel del casquillo 52, de manera que coopera con el elemento anular de retención 60 para limitar la carrera de la válvula de dosificación 36. Este tope 68 está regulado para una presión predeterminada de combustible correspondiente a un caudal próximo a la apertura total. Del mismo modo, es posible considerar el montaje de un anillo (no representado) en el primer extremo de la válvula de dosificación 36, permitiendo igualmente este anillo limitar la carrera de la válvula de dosificación.
La figura 2 muestra de manera adecuada el efecto del diafragma 66 sobre las diferencias de caudal medias que pueden existir al nivel de un inyector 200 de una cámara de combustión, con relación a una curva 202 de caudal calculado. En esta figura, se han representado igualmente dos curvas 204 y 204'. Las mismas forman unos límites de tolerancia más allá de los que se consideran demasiado importantes las diferencias de caudal con relación a la curva 202 media teórica. Para estos límites de tolerancia, se ha elegido una diferencia de caudal máxima de \pm 5%. Así, la presencia del diafragma 66 permite reducir considerablemente la heterogeneidad al nivel de los caudales medios entre varios inyectores de una misma cámara de combustión. Por otra parte, a partir de la tercera presión umbral S3, el caudal de combustible ya no es función de las características de mecanizado del resorte y de las ranuras, ni del rozamiento de la válvula del inyector, sino más bien de la presión de alimentación de combustible y de la sección de paso de la válvula que está a tope. A partir de esta tercera presión umbral S3, la válvula de dosificación se comporta, así, como un diafragma fijo.

Claims (5)

1. Inyector (2) de combustible para un motor de turbomáquina, que comprende un cuerpo (4) de inyector que tiene medios de admisión (6) de combustible a presión, una primera válvula (10) montada aguas abajo de dichos medios de admisión de combustible a presión y dispuesta para abrirse en respuesta a una presión predeterminada de combustible, que define una primera presión umbral (S1), a fin de admitir el combustible en el cuerpo de inyector, una segunda válvula (36) montada aguas abajo de dicha primera válvula y que puede abrirse en respuesta a una segunda presión umbral (S2) de combustible, superior a dicha primera presión umbral, a fin de dosificar al menos una parte del combustible admitido en dicho cuerpo de inyector hacia medios de utilización (48) de este combustible, siendo el caudal de combustible dosificado hacia los medios de utilización función de unas secciones de paso (46) practicadas al nivel de dicha segunda válvula, caracterizado porque comprende además un diafragma (66) dispuesto entre los medios de admisión de combustible a presión y la primera válvula, a fin de fijar en un valor determinado el caudal de combustible admitido en el cuerpo de inyector.
2. Inyector según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además medios de regulación (68) para definir una tercera presión umbral (S3) de combustible, superior a dicha segunda presión umbral, a partir de la que el caudal de combustible dosificado hacia dichos medios de utilización es función únicamente de la presión de alimentación de combustible.
3. Inyector según la reivindicación 2, caracterizado porque dichos medios de regulación comprenden un tope (68) para limitar la carrera de dicha segunda válvula de dosificación de combustible.
4. Inyector (2) de combustible según la reivindicación 1, caracterizado porque:
- la primera válvula (10) evacua el combustible hacia primeros medios de utilización, siendo el caudal de combustible evacuado función de unas secciones de paso (24) practicadas al nivel de dicha primera válvula,
- la segunda válvula (36) evacua el combustible hacia segundos medios de utilización (48) de este combustible,
- los medios de regulación (68) definen una tercera presión umbral (S3) de combustible, superior a dicha segunda presión umbral, a partir de la que el caudal de combustible dosificado hacia dichos segundos medios de utilización es función únicamente de la presión de alimentación de combustible.
5. Inyector según la reivindicación 4, caracterizado porque dichos medios de regulación comprenden un tope (68) para limitar la carrera de dicha segunda válvula de dosificación de combustible.
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