ES2287230T3 - Perfeccionamientos en inyectores de turbomaquinas. - Google Patents
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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.
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.
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.
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.
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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