УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТОПЛИВА ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 2000 года по МПК F02M27/04 

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам обработки топлива перед его сжиганием путем воздействия на поток топлива высоковольтного напряжения, и может быть использовано в газотурбинных двигателях, а также в иных энергетических установках с аналогичными видами топлива, например в горелках котельных, двигателях внутреннего сгорания, двигателях Стирлинга и т.п.

Уровень техники.

Известно устройство для обработки топлива, выполненное в виде цилиндрического корпуса из электроизоляционного материала, на наружной поверхности которого размещен отрицательный электрод в виде оплетки, а внутри корпуса с зазором относительно его внутренней поверхности расположен положительный электрод (см. SU 1671934, F 02 М 27/04, 1991).

В данном устройстве топливо проходит в зазоре между внутренней поверхностью корпуса и положительным электродом и подвергается воздействию электрического поля. Обработанное таким образом топливо направляется на сжигание, после которого образуются продукты сгорания, имеющие меньшую токсичность, поскольку воздействие электрического поля на топливо приводит к уменьшению размера капель топлива при его распылении, например в карбюраторе.

Однако данное устройство недостаточно эффективно, т.к. между положительным и отрицательным электродами расположен корпус из электроизоляционного материала, уменьшающий напряженность электрического поля.

Известно также устройство для обработки топлива, содержащее два параллельно (коаксиально) расположенных электрода, между которыми размещен корпус из электроизоляционного материала (см. RU 2038506, F 02 М 27/04, 1992).

Устройство содержит генератор переменного напряжения, которое при перемещении топлива внутри корпуса вызывает в топливе подвижное электромагнитное поле. Под действием электромагнитного поля топливо энергетизируется и дробится на мелкие фракции. Воздействие электромагнитного поля на топливо, с одной стороны, увеличивает степень диспергации, но, с другой стороны, создание переменного подвижного электромагнитного поля сопровождается существенными потерями электрической энергии, которые обусловлены относительно низкой электропроводностью топлива. Наличие корпуса из электроизоляционного материала еще в большей степени увеличивает потери электрической энергии.

В устройстве для обработки топлива (см. SU 1773282, F 02 М 27/04, 1991) внутри электроизоляционного корпуса установлены последовательно с зазором по торцам электроды, выполненные в виде втулок. Наличие зазоров между торцами приводит к резкому расширению топлива, которое интенсивно турбулизируется. Электрическое поле между торцами электродов повышает степень обработки, а отсутствие электроизоляционного материала между рабочими поверхностями электродов уменьшает потери электрической энергии. Вместе с тем создание электрического поля только по торцам электродов, т.е. в незначительном объеме, не позволяет в полной мере использовать энергию поля для воздействия на топливо.

Наиболее близким по своей технической сущности к описываемому устройству является устройство для обработки топлива преимущественно газотурбинных двигателей, содержащее разнополярные центральный электрод и коаксиально расположенный по отношению к центральному электроду кольцевой электрод, подключенные к источнику питания (см. RU 2032107, F 02 М 27/04, 1995).

В известном устройстве два электрода подключены к источнику высокого напряжения, создающему электрическое поле. При пропускании потока топлива через электрическое поле с напряжением от 20 кВ до 25 кВ происходит поляризация молекул топлива и образуются диполи, которые под действием того же поля приобретают определенную ориентацию. Одноименные диполи отталкиваются друг от друга и тем самым снижают межмолекулярное притяжение частиц топлива. Чем выше заряд, получаемый диполями, тем больше сила отталкивания и соответственно меньше межмолекулярное притяжение. В связи с уменьшением сил межмолекулярного притяжения, диспергация жидкого топлива происходит почти до молекулярного состояния, что существенно повышает эффективность последующего сжигания топлива.

Однако воздействие высокого напряжения на топливо в известном устройстве неравномерно по объему потока топлива, протекающего в кольцевом зазоре между электродами. Это обусловлено тем, что зазор между электродами должен быть достаточным для исключения пробоя и отсутствия возникновения электрической дуги при высоких значениях напряжения. Поэтому в известном устройстве кольцевое поперечное сечение обрабатываемого потока топлива достаточно велико, а воздействие электрического поля на поток топлива неоднородно по кольцевому сечению потока топлива.

Увеличение числа электродов в известном устройстве не приведет к повышению эффективности обработки, т.к. для исключения пробоя зазор между электродами должен быть сохранен и, следовательно, сохранится неоднородность воздействия электрического поля по поперечному сечению потока топлива.

Сущность изобретения.

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание устройства для обработки топлива, которое имеет большую эффективность и позволяет увеличить параметры последующего сжигания топлива при меньшей токсичности продуктов сгорания.

В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в том, что повышается однородность обработки потока топлива по его поперечному сечению и увеличивается степень воздействия электрического поля на топливо при обеспечении возможности снижения напряжения.

Указанные результаты достигаются тем, что устройство для обработки топлива, преимущественно газотурбинных двигателей, содержащее разнополярные центральный электрод и коаксиально расположенный по отношению к центральному электроду кольцевой электрод, подключенные к источнику питания, дополнительно содержит кольцевые электроды различной полярности, причем электроды одной полярности установлены в зазорах между электродами другой полярности со смещением S по торцам в направлении продольной оси, выбранным из условия:
S=(0,21-0,79)•L,
где L - ширина электродов.

Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в том, что устройство для обработки топлива преимущественно газотурбинных двигателей дополнительно содержит кольцевые электроды различной полярности, причем электроды одной полярности установлены в зазорах между электродами другой полярности. Неожиданно оказалось, что уменьшение зазоров между электродами с достижением технического результата возможно в том случае, если электроды одной полярности смещены по торцам в направлении продольной оси относительно электродов другой полярности.

Экспериментально было выявлено, что величина смещения S зависит от ширины L кольцевых электродов и составляет от 0,21 до 0,79.

Действительно, если смещение S будет менее 0,21•L, то электроды одной полярности практически будут вложены в электроды другой полярности, что приведет к возможности пробоя, поскольку силовые линии электрического поля будут направлены практически по радиусу, т.е. длина силовых линий электрического поля приблизительно равна величине зазора между электродами.

Если смещение S будет более 0,21•L, но менее 0,79•L, то длина силовых линий электрического поля, проходящих от поверхности одного электрода к поверхности другого электрода, существенно превышает величину зазора, что позволяет его уменьшить.

В случае превышения смещения S значения 0,79•L возможен пробой по торцам электродов, т. к. в этом случае распределение силовых линий электрического поля в существенной степени подобно распределению силовых линий при последовательной установке электродов.

Вместе с тем кольцевые электроды, установленные коаксиально со смещением вдоль продольной оси, ламинизируют поток обрабатываемого топлива и исключают возникновение пульсационных составляющих потока топлива, снижая вероятность пробоя. Вероятность пробоя уменьшается также в связи с тем, что наличие дополнительных кольцевых разнополярных электродов, количество которых, очевидно, не меньше двух, увеличивает суммарную рабочую поверхность электродов, поскольку силовые линии электрического поля расположены как со стороны внутренней поверхности кольцевого электрода, так и со стороны наружной поверхности кольцевого электрода.

Кроме того, электроды могут быть выполнены с возможностью изменения положения вдоль продольной оси и/или с возможностью перемещения вдоль продольной оси.

Целесообразно также наличие регулятора напряжения, соединенного с источником питания и с электродами.

Перечень фигур чертежей.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства, на фиг. 2 показано поперечное сечение электродного блока, а на фиг. 3 показан вид А на фиг. 2.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Устройство для обработки топлива содержит электродный блок 1, соединенный с трубопроводом 2 подачи топлива посредством, например, фланцевого соединения 3. Электродный блок 1 подключен к источнику 4 питания кабелями 5. Устройство может быть снабжено регулятором напряжения, в качестве которого использован, в частности, реостат 6 или любое известное устройство с аналогичными функциями.

Электродный блок 1 содержит корпус 7, который может быть набран из цилиндрических колец 8. Кольца 8 выполнены из элетроизоляционного материала, например из текстолита. Внутри корпуса 7 на несущих элементах 9 установлены кольцевые электроды 10 одной полярности и кольцевые электроды 11 другой полярности. Электроды одной из полярностей имеют центральный электрод 12, который может быть также выполнен кольцевой формы. Электроды 10 одной полярности и электроды 11 другой полярности расположены коаксиально, причем электроды 10 и одной полярности установлены в зазорах между электродами 11 другой полярности со смещением S в направлении продольной оси, выбранным из условия: S = (0,21 - 0,79)•L, где L - ширина электродов. Изменение величины смещения S, т. е. изменение положения электродов в продольном направлении, может быть осуществлено посредством использования промежуточных кольцевых вставок 13 и 14 различной толщины. Перемещение электродов вдоль продольной оси можно осуществить за счет выполнения колец 8 с внутренней и наружной соответствующей резьбой (на чертежах не показано). Электроды различной полярности электрически соединены с соответствующими несущими элементами 9, к которым подключены выводы 15.

Устройство для обработки топлива функционирует следующим образом. При необходимости обработки топлива устройство с помощью фланцевых соединений 3 подключают к трубопроводу 2. Соединяют клеммы 15 с помощью кабелей 5 с источником питания 4, на который подают постоянное напряжение от 4,0 кВ до 35 кВ. Величина выбранного напряжения устанавливается с помощью реостата 6 или любого известного регулятора. Установкой колец 13 и 14, количество которых и толщина выбирается из условия обеспечения минимальной и максимальной величин смещения S разнополярных электродов и выбранного шага положения разнополярных электродов в направлении продольной оси. Несложным предварительным подбором величины смещения разнополярных электродов, значения рабочего напряжения в зависимости от скорости потока топлива и его характеристик добиваются наилучших режимов обработки.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, а также в иных энергетических установках с аналогичными видами топлива, например в горелках котельных. Повышение степени сжигания топлива при уменьшении токсичности продуктов сгорания достигается тем, что устройство, содержащее разнополярные центральный электрод и коаксиально расположенный по отношению к центральному электроду кольцевой электрод, подключенные к источнику питания, дополнительно содержит кольцевые электроды различной полярности, причем электроды одной полярности установлены в зазорах между электродами другой полярности со смещением S по торцам в направлении продольной оси, выбранным из условия: S = (0,21 - 0,79) • L, где L - ширина электродов. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для обработки топлива преимущественно газотурбинных двигателей, содержащее разнополярные центральный электрод и коаксиально расположенный по отношению к центральному электроду кольцевой электрод, подключенные к источнику питания, отличающееся тем, что дополнительно содержит кольцевые электроды различной полярности, причем электроды одной полярности установлены в зазорах между электродами другой полярности со смещением S в направлении продольной оси, выбранным из условия
S = (0,21 - 0,79) • L,
где L - ширина электродов. 2. Устройство для обработки топлива по п.1, отличающееся тем, что электроды выполнены с возможностью изменения положения вдоль продольной оси и/или с возможностью перемещения вдоль продольной оси. 3. Устройство для обработки топлива по п.1 или 2, отличающееся тем, что оно снабжено регулятором напряжения, соединенным с источником питания и электродами.