ФОРСУНКА Российский патент 2000 года по МПК F23D11/32 F02M51/06 F02M27/04 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в наземных, авиационных, авиационно-космических и космических энергетических установках (ЭУ) многоразового использования (ЭУМИ) на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях.

Одним из недостатков всех горелочных устройств и форсунок является возникновение процесса осадкообразования в виде твердого кокса, который появляется на поверхности форсуночных фильтров и внутренних стенках топливоподающих каналов. Это приводит к негативным процессам [1]: к частичной или полной потере тяги, к струйному нерасчетному распылу, к самопроизвольному повышению температуры стенки, а как следствие, к прогару, пожару, аварии и взрыву двигательной установки (ДУ), ЭУ и всего летательного аппарата (ЛА). Процесс удаления твердых углеродистых отложений (промывка, ремонт со снятием ДУ и т. д.) является малоэффективным, экологически вредным, технологически трудным и экономически невыгодным. Процесс предотвращения осадкообразования значительно выгоден, кроме того, повышаются безопасность, надежность, экологичность и сроки безаварийной эксплуатации ЭУ и ЛА.

Одним из способов предотвращения осадкообразования является введение в топливо различных химических присадок [1], но эксперименты показали их эффективность только до температуры нагрева ≈ 473К. Известны также конструктивные меры по защите форсуночного фильтра от засорения и процесса осадкообразования [2, 3], где используется закрутка жидкости, а все твердые частицы осаждаются на стенках корпуса форсунки из-за центробежных сил. Однако эти меры могут защитить форсуночный фильтр только от внешних инородных загрязняющих частиц, находящихся в потоке горючего. Процесс же осадкообразования - это особый процесс, который зарождается, развивается и растет на металлической греющей стенке независимо от центробежной крутки горючего, даже независимо от степени гравитации, а также независимо от вида металла и степени его обработки.

Опытным путем установлено, что наиболее эффективным средством предотвращения осадка в жидких и газообразных углеводородных горючих является применение электростатических полей. В горелочных устройствах электростатические поля в основном применяются для предтопливной подготовки горючих и окислителей с целью дальнейшего эффективного сжигания (процесс ионизации, смешения, гомогенизации, охлаждения), для обеспечения надежного распыла, розжига и ионизационного контроля горения (пламени), для повышения эффективности обычного или пульсирующего (вибрационного) горения, для обеспечения качественной вспышки и полного сжигания в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Все эти мероприятия способствуют повышению КПД ЭУ и ЭУМИ (ВРД, ЖРД, ДВС и их комбинации [4-6]). Но, как показал широкий патентный поиск отечественных и зарубежных схем, здесь нет элементов борьбы с осадкообразованием, а тем более с его предотвращением.

Одной из разновидностей электростатических полей является электростатический ветер, создаваемый двумя электродами в виде систем: "игла-плоскость", "игла-кольцо", "игла-игла" и т. д. Отсутствуют устройства по предотвращению осадкообразования в топливоподающих, охлаждающих и фильтрующих каналах горелок и форсунок при помощи электрических полей, в частности, электростатических и, как их разновидность, электрическим ветром.

Задачей изобретения является повышение надежности топливоподачи к форсунке путем предотвращения образования твердого углеродистого осадка на топливном сетчатом фильтре и в отверстиях для подвода топлива к нему при помощи электростатических высоковольтных полей, в частности, электрическим ветром.

За аналог принята штатная форсунка газотурбинного двигателя (ГТД) марки НК-8-2У, применяемая в самолетах Ту-154 и в др. авиационных и наземных установках (например, для разогрева битумных нефтей и т. д.) [7], т. к. в ней через определенное число циклов работы полностью закоксовывается топливный сетчатый фильтр и оба отверстия для подвода топлива к нему.

Решается данная задача тем, что: форсунка снабжена двумя равноудаленными от центров отверстий для подвода топлива соосными иглами, обеспечивающими оптимальную работу электрического ветра в непрерывном режиме от запуска до останова энергетической установки. Область двух отверстий для подвода топлива к топливному сетчатому фильтру с двумя соосными иглами ограничена герметичным металлическим корпусом с двумя гофрированными боковыми стенками сильфонного типа, с торцевыми отверстиями для подвода топлива, с двумя электроизолированными отверстиями для ввода соосных игл; увеличено число пар отверстий для подвода топлива к топливному сетчатому фильтру с соответствующим увеличением количества пар соосных рабочих игл; отверстия для подвода топлива к топливному сетчатому фильтру объединены, оголив верхнюю и нижнюю части поверхности самого топливного сетчатого фильтра в зоне прохождения силовых линий электростатического поля; расстояние между соосными иглами, количество пар самих соосных игл, а также подаваемое высоковольтное напряжение должны подбираться из условия, чтобы поверхность оголенного топливного сетчатого фильтра находилась внутри наружных силовых линий электростатического поля.

На фиг. 1 изображена форсунка ГТД НК-8-2У [7], состоящая из корпуса 1 с двумя отверстиями для подвода топлива 2, 8, выполненного за одно целое с лопатками завихрителя 4 и смесительной втулкой 5, центробежного распылителя 6, топливного сетчатого фильтра 3, гайки 10 для крепления к плите и уплотнительных колец 7, 9.

На фиг. 2 показано расположение двух равноудаленных соосных рабочих игл 11, 13 над и под центрами отверстий для подвода топлива 2, 8, где пунктирными линиями показаны силовые линии электростатического поля. Для эффективного предотвращения процесса осадкообразования в отверстиях для подвода топлива 2, 8 и на топливном сетчатом фильтре в районе этих отверстий необходимо так подбирать расстояние (h) между остриями рабочих игл 11, 13 и подаваемое на них высоковольтное напряжение (U_u), чтобы внешние силовые линии электростатического поля 12, 14 полностью накрывали диаметры отверстий 2, 8 для подвода топлива.

Для повышения эффективности работы электрического ветра предусматривается ограничение объема области его нахождения. Так, на фиг. 3 область двух отверстий для подвода топлива 2, 8 с рабочими соосными иглами 11, 13 ограничена герметичным металлическим корпусом 16 с двумя торцевыми отверстиями для подвода топлива 15, 19 и двумя электрогидроизолированными отверстиями 17, 18 для ввода соосных игл. Объем корпуса 16 должен удовлетворять необходимым и достаточным условиям для эффективной и надежной работы электрического ветра в углеводородных горючих при их вынужденной конвекции: скорость прокачки жидкого горючего должна быть не менее 6 м/с, а массовая скорость газообразного (например, метана) - менее 120 кг/(м²•с), что обнаружено экспериментально. При включении в работу электрического ветра в объеме корпуса 16 будут происходить процессы смешения, турбулизации, ионизации, гомогенизации горючего (или горючих) и охлаждения самого корпуса 16 и элементов форсунки: корпуса 1, топливного сетчатого фильтра 3 и др. Это позволяет использовать для сжигания смеси различных жидких или газообразных углеводородных горючих, вести предтопливную подготовку, надежно предотвращать топливный сетчатый фильтр 3 от посторонних внешних загрязнений с размерами металлических, резиновых и других частиц до 150 мкм, что в целом будет способствовать повышению качества, полноты и эффективности дальнейшего сжигания с уменьшением вредных выбросов. А главное, будет осуществляться процесс предотвращения осадкообразования в двух отверстиях для подвода топлива 2, 8 и на топливном сетчатом фильтре 3 в области этих отверстий, так как они находятся в зоне прохождения силовых линий электростатического поля, хотя турбулизация горючего от влияния электрического ветра будет происходить по всей длине цилиндрического корпуса форсунки 1 и во всем объеме корпуса 16, что установлено экспериментально.

Для более надежной работы форсунки возможно увеличение числа пар отверстий для подвода топлива к топливному сетчатому фильтру с соответствующим количеством пар соосных игл. Так, на фиг. 4 показано три пары отверстий для подвода топлива: 2, 8; 20, 27; 23, 24 с соответствующим количеством пар соосных рабочих игл: 11, 13; 21, 26; 22, 25. Расстояния между центрами отверстий 20, 2, 23 (и соответственно - 27, 8, 24) выбираются произвольно. Необходимо эти же расстояния соблюдать при размещении рабочих игл и выполнять главное требование: все отверстия для подвода топлива к топливному сетчатому фильтру (20, 27; 2, 8; 23, 24) должны полностью находиться в области прохождения силовых линий электростатического поля, где внешние силовые линии (28, 29; 14,12; 31, 30) будут гранично-контрольными.

Для более полного использования резервов электрического ветра, а также с целью дальнейшего повышения надежности и ресурса форсунки возможно вообще отказаться от раздельных отверстий для подвода топлива (2, 8; 20, 27; 23, 24), объединить их и оголить топливный сетчатый фильтр 3 сверху 32 и снизу 33 (см. фиг. 5), а расстояние между соседними иглами устанавливать из расчета, чтобы силовые линии электростатического поля (особенно наружные или внешние - 28,29; 12,14; 30,31) полностью перекрывали всю поверхность оголенного фильтра.

С целью надежного обеспечения допустимых условий прокачки жидких (газообразных) углеводородных горючих для эффективной работы электрического ветра предлагается герметичный металлический корпус 16 изготовить с боковыми подвижными гофрами 34, 35 сильфонного типа, показанные на виде сверху на фиг. 6. Данная конструкция будет способствовать не только стабилизации скорости прокачки горючих до требуемых значений, но и гашению скачков давлений.

Опытным путем выявлено, что для надежного предотвращения процесса осадкообразования необходимо обеспечить непрерывную работу электрического ветра от запуска до останова ЭУ (ЭУМИ).

В ходе экспериментов также установлено, что для одной пары соосных рабочих игл максимальное удаление внешних силовых линий друг от друга можно вычислить (при любых давлениях) для жидких углеводородных горючих по формуле:

для газообразных (например, для метана) - по формуле:

где U_u - подаваемое высоковольтное напряжение, кВ;
h - расстояние между остриями рабочих соосных игл, м•10^-3.

Эксперименты показали, что таким образом возможно эффективно защитить от осадкообразования практически всю цилиндрическую поверхность топливного сетчатого фильтра форсунки ГТД [7] и реальной форсунки ГТД марки НК-8-2У.

Применение данного изобретения повысит надежность, ресурс, безаварийность, экономичность и экологичность наземных, авиационных, авиационно-космических и космических ЭУ и ЭУМИ.

Источники информации
1. Большаков Г.Ф. Физико-химические основы образования осадков в реактивных топливах. Л.: Химия, 1972. 232 с. 2.

2. Авторское свидетельство СССР N 614287, кл. F 23 D 11/04; В 05 В 1/34, 1975, опубликовано 1978 г.

3. Авторское свидетельство СССР N 545824, кл. F 23 С 9/02, F 02 К 3/10, F 02 С 7/22, 1975, опубликовано 1977 г.

4. Авторское свидетельство N 1760246 A1, кл. F 23 С 11/04, F 23 Q 5/00, 1990, опубликовано 1992 г.

5. Авторское свидетельство N 1048245 A, кл. F 23 D 13/44, F 23 D 1/100, 1983.

6. Авторское свидетельство СССР N 589501 A, кл. F 23 D 13/00, 07.02.76.

7. Авторское свидетельство СССР N 240391, кл. F 23 С 7/00; F 23 D 11/26; F 23 D 11/40; 1963, опубликовано 1983 r.

Изобретение может быть использовано в наземных, авиационных, авиационно-космических и космических энергетических установках многоразового использования на жидких и газообразных углеводородных горючих и охладителях. Форсунка содержит корпус с двумя отверстиями для подвода топлива, выполненный за одно целое с лопатками завихрителя и смесительной втулкой, центробежный распылитель, топливный сетчатый фильтр, две равноудаленные от центров отверстий для подвода топлива соосные иглы, обеспечивающие оптимальную работу электрического ветра в непрерывном режиме от запуска до останова энергетической установки. Изобретение позволяет повысить надежность топливоподачи к форсунке. 4 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Форсунка, имеющая корпус с двумя отверстиями для подвода топлива, выполненный за одно целое с лопатками завихрителя и смесительной втулкой, центробежный распылитель, топливный сетчатый фильтр, гайку для крепления к плите и уплотнительные кольца, отличающаяся тем, что снабжена двумя равноудаленными от центров отверстий для подвода топлива соосными иглами, обеспечивающими оптимальную работу электрического ветра в непрерывном режиме от запуска до останова электрической установки. 2. Форсунка по п.1, отличающаяся тем, что область двух отверстий для подвода топлива к топливному сетчатому фильтру с двумя соосными иглами ограничена герметичным металлическим корпусом с двумя гофрированными боковыми стенками сильфонного типа, с торцевыми отверстиями для подвода топлива, с двумя электрогидроизолированными отверстиями для ввода соосных игл. 3. Форсунка по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что увеличено число пар отверстий для подвода топлива к топливному сетчатому фильтру с соответствующим увеличением количества пар соосных рабочих игл. 4. Форсунка по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что отверстия для подвода топлива к топливному сетчатому фильтру объединены, оголив верхнюю и нижнюю части поверхности самого топливного сетчатого фильтра в зоне прохождения силовых линий электростатического поля. 5. Форсунка по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что расстояние между соосными иглами, количество пар самих соосных игл, а также подаваемое высоковольтное напряжение должны подбираться из условия, чтобы поверхность оголенного топливного сетчатого фильтра находилась внутри наружных силовых линий электростатического поля.