АКУСТИЧЕСКАЯ ФОРСУНКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК F23D11/34 

Изобретение относится к устройствам для распыливания и сжигания жидких, газообразных, газожидкостных, многокомпонентных и многофазных топлив, в т.ч. в двигателях и реакторах летательных аппаратов и в реакторах для получения технического углерода.

Известна вихревая форсунка, включающая корпус, вихревую камеру с тангенциальными входными каналами и центральным выходным соплом (см. Пажи Д.Г., Галустов B. C. Распылители жидкостей. - М.: Химия. 1979, с. 30, рис. 11.2 и рис. 11.3., с. 48, рис. 11.14).

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является акустическая форсунка, содержащая корпус, вихревую камеру с тангенциальными входными каналами, выходное сопло со стержневым излучателем (см. Пажи Д.Г., Галустов B.C. Распылители жидкостей. - М.: Химия, 1979, с. 168, рис. 5.7. и рис. 5.8. - прототип).

Недостатком прототипа является слабое воздействие акустических волн на дисперсность распыла топлива, отсутствие возможности регулирования параметров распыла и горения.

Целью и техническим результатом изобретения является разработка конструкции акустической форсунки с высокой дисперсностью распыла топлива, обеспечивающей полноту сгорания с наименьшими выделениями вредных веществ и регулируемыми параметрами для различных технологических процессов.

Для достижения цели и технического результата в конструкции акустической форсунки, содержащей корпус, вихревую камеру с тангенциальными входными каналами и центральное выходное сопло, согласно изобретению вокруг выходного сопла выполнена тороидальная вихревая камера с острой входной кромкой и совмещенным входным и выходным каналом, тангенциальные входные каналы выполнены под углом к оси вихревой камеры и направлены в сторону выходного сопла, а торцевая поверхность выходного сопла выполнена закругленной.

Кроме того, вихревая камера может быть выполнена сферической. Вихревая камера снабжена соосно расположенной резонансной камерой, внутри которой размещены с возможностью перемещения поршень со штоком.

Корпус форсунки может быть снабжен дополнительными вихревыми камерами, расположенными нормально к оси устройства, причем каждая вихревая камера выполнена с двумя противоположно направленными и соосно расположенными выходными соплами, а тангенциальные входные каналы выполнены щелевидными и направлены под углом в противоположные стороны.

Конструкция акустической форсунки предусматривает выполнение в корпусе тороидальной вихревой камеры, а в полости корпуса на центрирующих ребрах коаксиально корпусу установлен обтекатель, в котором выполнена тороидальная вихревая камера и сферические резонансные камеры. Вихревые и резонансные камеры сообщены согласующими каналами. Кольцевое сопло для подвода в тороидальные вихревые камеры и отвода топлива образовано между наружной поверхностью обтекателя и внутренней поверхностью корпуса, а активные элементы (кольцевые входной и выходной каналы) тороидальной вихревой камеры обращены друг к другу.

Конструкция акустической форсунки предусматривает выполнение тороидальных вихревых камер радиального и аксиального излучений. Для этого конструкция снабжена кольцеобразным обтекателем, в котором выполнены тороидальные вихревые камеры радиального и аксиального излучений. В канале обтекателя установлен акустический резонансный концентратор. Между поверхностями концентратора и обтекателя образовано кольцевое сопло для тороидальной вихревой камеры аксиального излучения, а наружная поверхность обтекателя с внутренней поверхностью корпуса образует кольцевое сопло для тороидальной камеры радиального излучения. Обтекатель и акустический резонансный концентратор закреплены к корпусу посредством центрирующих ребер.

Поверхность акустического резонансного концентратора, направленная навстречу потоку, выполнена в виде параболоида и снабжена направляющими лопатками, а его противоположная часть - в виде экспоненциальной поверхности вращения. Нормальное сечение поверхности вихревых камер может иметь эллиптическую форму. Выходное сопло форсунки, в зависимости от назначения, может быть выполнено в виде сопла Лаваля. Во всех конструкциях форсунки центрирующие ребра могут быть выполнены в виде направляющих лопаток.

Обоснование некоторых отличительных признаков.

В предложенном устройстве, в отличие от прототипа, вокруг выходного сопла выполнена тороидальная вихревая камера. Она служит для усиления амплитуды генерируемых волн в резонансном режиме. Кроме того, усилению амплитуды способствуют волны, генерируемые на острой входной кромке (см. фиг. 1). Когда радиально-тангенциальный поток топлива с большой скоростью натекает на острую кромку на входе в тороидальную вихревую камеру, на ней возбуждаются автоколебания малой амплитуды, которые генерируют волны "клинового тона", частота которых зависит от скорости истечения, плотности подаваемого топлива и жесткости самой кромки и стенки тороидальной камеры.

Выполнение торцевой поверхности выходного сопла закругленной обусловлено необходимостью формирования радиально-исходящего кольцевого потока для направления на острие кромки на входе в тороидальную резонансную камеру.

Выбор формы вихревой камеры в виде сферы обусловлен высокой амплитудой генерируемых волн сферическими излучателями, работающими в режиме автоколебательного периодического самозапирания выходного сопла (см. фиг. 2).

Вихревая камера снабжена соосно установленной резонансной камерой, внутри которой размещены с возможностью осевого перемещения поршень со штоком (см. фиг. 2). Это обусловлено необходимостью настройки генерируемых волн на резонансную частоту при различных расходах и плотности используемого топлива. Настройка на резонансную частоту осуществляется путем перемещения поршня винтовым штоком для изменения объема резонансной камеры под поршнем.

Снабжение корпуса вихревыми камерами, расположенными перпендикулярно (нормально) к оси устройства (см. фиг. 3), обусловлено необходимостью более полного охвата камеры сгорания для различных по назначению реакторов.

Сферические резонаторы, сообщенные с тороидальной вихревой камерой, и тороидальная вихревая камера, выполненная в корпусе (см. фиг. 4), служат для автоматической настройки на резонансный режим и увеличения амплитуды генерируемых волн.

Центрирующие ребра, выполненные в виде направляющих лопаток, и направляющие лопатки, установленные на поверхности акустического резонансного концентратора (см. фиг. 4 и 5), служат для турбулизации потока топлива и создания вращательно-поступательного потока на входе в тороидальную вихревую камеру.

Все отличительные признаки, приведенные в техническом решении, служат для повышения дисперсности распыла многокомпонентного и многофазного топлива, получения возможности регулирования режимными параметрами акустической форсунки для различных технологических процессов, полноты сгорания и существенной экономии топлива.

Сущность изобретения поясняется приведенными фигурами.

На фиг. 1 изображен общий вид акустической форсунки с тороидальной вихревой камерой в разрезе; на фиг.2 - форсунка со сферической вихревой камерой, снабженная резонансной камерой, поршнем и штоком; на фиг. 3 показана многосопловая акустическая форсунка, снабженная дополнительными вихревыми камерами, расположенными нормально к оси устройства; на фиг.4 - акустическая форсунка со сферическими резонаторами и двумя тороидальными вихревыми камерами с соплом Ловаля; на фиг. 5 - форсунка с акустическим концентратором и тороидальными вихревыми камерами радиального и аксиального излучений; на фиг. 6 - сечение А-А на фиг. 5.

Устройство (см. фиг.1 и 2) состоит из корпуса 1 с каналом подвода топлива 2. Внутри корпуса 1 установлена вихревая камера 3 с тангенциально направленными входными каналами 4 и выходным соплом 5. Вокруг выходного сопла 5 выполнена тороидальная вихревая камера 6 с острой входной кромкой 7 и совмещенным входным и выходным каналом 8. Торцевая поверхность 9 выходного сопла 5 выполнена закругленной. С целью повышения амплитуды генерируемых волн и повышения дисперсности многофазных и вязких топлив вихревая камера 3 выполнена в виде сферы (см. фиг. 2) и с тангенциальным выходным соплом 5.

С целью настройки акустических волн на резонансную частоту вихревая камера 3 может быть снабжена резонансной камерой 10 (см. фиг. 2), внутри которой размещены поршень 11 со штоком 12. Шток 12 соединен с резонансной камерой 10 винтовым соединением. Путем ввинчивания или вывинчивания штока 12 изменяют объем резонансной камеры 10, а следовательно, и амплитудно-частотную характеристику акустической форсунки.

С целью увеличения выходных параметров форсунки и ее функциональных возможностей, она может быть снабжена дополнительными вихревым камерами 13 (см. фиг. 3), расположенными нормально к оси устройства. Вихревая камера 13 выполнена с двумя противоположно направленными и соосно расположенными выходными соплами 14. Тангенциальные входные каналы 15 выполнены щелевидными и направлены под углом в противоположные стороны.

Акустические форсунки могут быть выполнены с тороидальной вихревой камерой 16, размещенной в корпусе 1 (см. фиг. 6) и тороидальной вихревой камерой 17, выполненной в обтекателе 18, установленном на центрирующих ребрах 19 в полости корпуса 1. В обтекателе 18 выполнены сферические резонаторы 20, сообщенные с тороидальной вихревой камерой 17 через согласующие каналы 21. Наружная поверхность обтекателя с внутренней поверхностью корпуса образуют кольцевое сопло 22 для подачи топлива в тороидальные вихревые камеры 16 и 17. Входные каналы 8 тороидальных вихревых камер 16 и 17 обращены друг к другу. Выходное сопло выполнено в виде сопла Лаваля 23.

Для увеличения функциональных возможностей акустической форсунки, она может быть снабжена кольцеобразным обтекателем 24 (см. фиг. 5), в котором выполнены тороидальная вихревая камера 25 радиального излучения и тороидальная вихревая камера 26 аксиального излучения. В полости обтекателя 24 установлен концентратор 27. Поверхность Б акустического резонансного концентратора 27, обращенная навстречу потоку топлива, выполнена в виде параболоида и снабжена направляющими лопатками 28, а противоположная поверхность В акустического резонансного концентратора 27 выполнена в виде экспоненциальной поверхности вращения. Параболоидная поверхность А акустического резонансного концентратора 27 с внутренней поверхностью обтекателя 24 образуют кольцевое сопло 29 для тороидальной вихревой камеры 26, а наружная поверхность обтекателя 24 с внутренней поверхностью корпуса 1 образуют кольцевое сопло 30 для тороидальной вихревой камеры 25. Центрирующие ребра 19 могут быть выполнены в виде направляющих лопаток (см. фиг. 4 и 5).

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 1). Топливо (жидкое, газообразное, газожидкостное, многокомпонентное) подается во входной канал 2 для подвода топлива, где по тангенциально направленным каналам 4 поступает в полость вихревой камеры 3. В вихревой камере 3 подаваемое топливо начинает вращаться с определенной частотой вращения (в пределах 10²... 2•10² с^-1). При этом по принципу вихревого свистка на выходе из сопла 5 генерируются акустические волны. Далее вращательно-пульсирующий поток из выходного сопла 5 с большой скоростью подается в тангенциально расходящемся направлении, как это показано на фиг. 1, натекает на острую входную кромку 7. На острой входной кромке 7 возбуждаются акустические волны "клинового тона " малой амплитуды и возбуждаются изгибные автоколебания самой кромки (как пластинчатые излучатели), на фиг. 1 пунктиром показано колебание самой кромки 7. Радиально-тангенциальный поток топлива частично попадает в тороидальную вихревую камеру 6. Автоколебания, генерируемые на выходе из сопла 5, и изгибные колебания входной кромки 7 приводят к пульсации давления в тороидальной вихревой камере 6. Тороидальная вихревая камера 6 служит как резонансная камера. Кольцевой канал 8 служит для входа и выхода топлива. В связи с этим выходящий поток из тороидальной камеры 6 с частотой колебания входной кромки 7 прерывает входящий поток. Вследствие чего у кромки 7 генерируются дополнительные акустические волны.

Для возбуждения интенсивных акустических волн для распыла топлива необходимо, чтобы собственные частоты всех источников генерации волн и резонаторов, имеющихся в форсунке, были равны или близки по значению, т.е.

f_в=f_к=f_т,
где f_в, f_к и f_т - соответственно собственные частоты волн вихревой камеры, входной кромки и тороидальной вихревой (резонансной) камеры.

Принцип работы форсунок, показанных на фиг. 2, 3, 4 и 5, не отличается от принципа работы вихревых форсунок.

Рассмотрим принцип работы форсунки с тороидальной вихревой (резонансной) камерой, показанной на фиг. 5.

Топливо подается во входной канал 2, где кольцевым обтекателем 24 разделяется на два потока и направляется на кольцевые сопла 29 и 30. При прохождении топлива по направляющим лопаткам 19 и 28 поток приобретает вращательно-осевое движение. Кольцевые струи топлива, истекая с большой скоростью из кольцевых сопел 29 и 30, поступают в тороидальные вихревые камеры 25 и 26 и повышают в них давление (на рисунке стрелками указан путь движения топлива). Кольцевые потоки, выходящие из тороидальных вихревых 25 и 26 с определенной частотой, прерывают кольцевые струи, истекающие из кольцевых сопел 29 и 30. Вследствие чего у входных кромок 7 тороидальных вихревых камер генерируются акустические волны радиального и аксиального направления.

Генерируемые акустические волны способствуют диспергированию топлива, образованию высокодисперсного тумана, способного гореть в широких режимах работы форсунки. Кроме того, акустические форсунки способствуют активизации тепло-массообменных процессов в реакторах, полноте сгорания, уменьшению вредных выбросов в атмосферу.

При получении технического углерода акустические волны способствуют более тонкому и однородному по размерам капель распылению сырья и получению однородного по составу тонкодисперсного углеродного материала.

Изобретение может быть использовано для распыливания и сжигания жидких, газообразных, газожидкостных, многокомпонентных и многофазных топлив в различных технологических процессах, в т.ч. в двигателях и реакторах летательных аппаратов, а также в реакторах для получения технологического углерода. Акустическая форсунка содержит корпус, вихревую камеру с тангенциальными входными каналами и центральным выходным соплом и снабжена тороидальной вихревой камерой. Вихревая камера выполнена сферической и снабжена цилиндрической резонансной камерой, выполненной с возможностью изменения объема резонансной камеры. Корпус форсунки снабжен дополнительными вихревыми камерами, расположенными нормально к оси устройства. Кроме того, форсунка снабжена обтекателем, в котором выполнены тороидальная вихревая камера и сферические резонаторы, сообщенные между собой согласующими каналами. Выходное центральное сопло может быть выполнено в виде сопла Лаваля. Технический результат заключается в улучшении дисперсности распыла топлива и процесса горения за счет генерирования и воздействия мощной акустической энергии на процесс распыливания и горения топлива. Кроме того, возможно регулировать выходные параметры форсунки. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Акустическая форсунка для сжигания топлива, содержащая корпус, вихревую камеру с тангенциальными входными каналами и центральное выходное сопло, отличающаяся тем, что вокруг выходного сопла выполнена тороидальная вихревая камера с острой входной кромкой и с совмещенными входным и выходным каналами, тангенциальные входные каналы выполнены под углом к оси вихревой камеры и направлены в сторону выходного сопла, а торцевая поверхность выходного сопла выполнена закругленной. 2. Форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что вихревая камера выполнена сферической. 3. Форсунка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что корпус снабжен дополнительными вихревыми камерами, расположенными нормально к оси устройства, причем каждая вихревая камера выполнена с двумя противоположно направленными и соосными выходными соплами, а тангенциальные входные каналы выполнены щелевидными и направлены под углом в противоположные стороны. 4. Форсунка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что вихревая камера снабжена соосно расположенной резонансной камерой, внутри которой размещены с возможностью перемещения поршень со штоком. 5. Акустическая форсунка для сжигания топлива, содержащая корпус, вихревую камеру с тангенциальными входными каналами и центральное выходное сопло, отличающаяся тем, что в корпусе выполнена тороидальная вихревая камера и коаксиально корпусу на центрирующих ребрах установлен обтекатель, в котором выполнены тороидальная вихревая камера и сферические резонаторы, сообщенные с тороидальной вихревой камерой согласующими каналами, а наружная поверхность обтекателя с внутренней поверхностью корпуса образуют кольцевое сопло для тороидальных вихревых камер, причем входные кольцевые каналы тороидальных вихревых камер обращены друг к другу. 6. Форсунка по п.5, отличающаяся тем, что она снабжена кольцеобразным обтекателем, в котором выполнены тороидальные вихревые камеры радиального и аксиального излучений, акустическим резонансным концентратором, установленным в обтекателе с возможностью образования с ним кольцевого сопла для тороидальной вихревой камеры аксиального излучения, а наружная поверхность обтекателя с внутренней поверхностью корпуса образуют кольцевое сопло для тороидальной вихревой камеры радиального излучения, причем обтекатель и резонансный концентратор размещены коаксиально корпусу на центрирующих ребрах. 7. Форсунка по п.6, отличающаяся тем, что поверхность акустического резонансного концентратора, направленная навстречу потоку, выполнена в виде параболоида и снабжена направляющими лопатками, а его противоположная часть - в виде экспоненциальной поверхности вращения. 8. Форсунка по пп.1 или 5 и 6, отличающаяся тем, что нормальное сечение вихревой камеры к ее оси имеет эллиптическую форму. 9. Форсунка по пп.1 или 5 и 6, отличающаяся тем, что выходное сопло выполнено в виде сопла Лаваля. 10. Форсунка по пп.5 и 6, отличающаяся тем, что центрирующие ребра выполнены в виде направляющих лопаток.