Топливная форсунка авиационного двигателя Российский патент 2017 года по МПК F02M27/04 

Изобретение относится к авиастроению, в частности к способам и устройствам для распыла различных видов жидкого углеводородного топлива и подготовки топливно-воздушной смеси перед ее сжиганием, и может найти применение в системах питания газотурбинных двигателей, а также в турбореактивных двигателях и иных энергетических установках, например, в различного вида горелках.

Известны топливные форсунки, в которых для повышения эффективности распыла топлива создают в коаксиальных внутренних и наружных каналах закрученные в противоположном направлении потоки топлива и воздуха [пат. РФ №2172893, МПК F23D 11/12, F23C 11/00, B05B 1/34, опубл. 27.08.2001]. Недостатком известного устройства является невысокое качество распыла топлива, сложность конструкции и технологическая сложность его изготовления.

Известна также топливная форсунка газотурбинного двигателя, содержащая корпус, внутреннюю и наружную втулки, образующие с корпусом коаксиальные каналы для создания параллельных потоков жидкости в среднем канале и потоков распылителя во внутреннем и наружном каналах, подключенных к сопловому аппарату, позволяющему интенсифицировать горение жидкого топлива путем максимального развития поверхности жидкой фазы, что достигается переходом к сжиганию топлива в капельном состоянии. Известна пневматическая топливная форсунка, содержащая топливный и воздушные внутренний и наружный завихрители для закрутки потоков топлива и воздуха [пат. РФ №2431777, кл. F23D 11/12, опубл. БИ №29, 20.10.2011]. Недостатком известного устройства является невысокое качество распыла топлива, сложность конструкции и технологическая сложность его изготовления.

Известны различные устройства и способы повышения эффективности распыла топлива путем создания (от источника электрического напряжения с электрическими резисторами, емкостями, индуктивностями) в топливе электрического поля и использования различных операций при подготовке топливно-воздушной смеси.

По одному из них в дизельном двигателе внутреннего сгорания дизельное топливо дополнительно подвергают обработке электрическим полем в камере, в которой испарившийся пар диссоциирует на водород и кислород, поступающие в цилиндры в смеси с топливом [пат. РФ №2011881, МПК F02M 27/04, БИ №8, 1994]. Недостатками известного устройства являются невысокое качество распыла, многооперационность и конструктивная сложность, низкое быстродействие и низкая электро- и пожаробезопасность устройств, его реализующих.

Известна топливная форсунка, в которой на электроды, размещенные в корпусе, подают от источника электрического напряжения, содержащего электрические резисторы, емкости, индуктивности, высокое напряжение порядка 20-25 кВ и сообщают потоку топлива электрический заряд [пат. РФ №2032107, МПК F02M 27/04, БИ №9, 1995]. Недостатками известного устройства являются невысокое качество распыла, большие энергозатраты, использование очень высокого электрического напряжения, низкое быстродействие, а также низкая электро- и пожаровзрывобезопасность, конструктивная и технологическая сложность устройства.

Известна топливная форсунка, в которой в спиралевидной полости обработки жидких и/или газообразных сред, на электроды типа «игла-плоскость» подают электрическое напряжение от высоковольтного источника электрического напряжения, содержащего электрические резисторы, емкости, индуктивности, и дополнительно используют постоянные магниты, чередующиеся полярностью и усиливающие магнитное поле и магнитный экран [пат. РФ №2093699, МПК F02M 27/04, БИ №29, 1997]. Недостатками известного устройства являются невысокое качество распыла, конструктивная и технологическая сложность, требующая существенных конструктивных изменений применительно к существующим топливным системам газотурбинных двигателей, а также низкие быстродействие и электро- и пожаровзрывобезопасность.

Наиболее близким к заявляемому материалу и принятым в качестве прототипа является топливная форсунка [пат. РФ №2469205, МПК F02M 27/04], в которой в топливном канале размещены электроды типа «сетка-сетка», на которые подают постоянное электрическое напряжение от высоковольтного источника электрического напряжения, содержащего электрические резисторы, емкости, индуктивности, и создают между электродами электрическое поле с высокой напряженностью (8-15)·10⁵ В/м. Далее подачей закрученного потока воздуха получают топливно-воздушную смесь и обеспечивают ее горение, при этом на электроды подают постоянное высоковольтное напряжение. В качестве топлива в прототипе применяли при экспериментах дизельное топливо и бензин, смешанный с 20% этилового спирта. Кроме указанных выше конструктивных элементов, данная топливная форсунка содержит корпус, распыливающее сопло, топливные и воздушные внутренние завихрители, конфузор.

К недостаткам данного устройства относится невысокое качество распыла, использование очень сильных электрических полей, низкое быстродействие, низкая электро- и пожаровзрывобезопасность. Оно требует высокой очистки топлива для исключения засорений сеток-электродов, использование вместо стандартного топлива специально приготовленного - бензина, смешанного с 20% этилового спирта, а также конструктивная и технологическая сложность устройства, требующая существенных конструктивных изменений в существующих топливных системах газотурбинных двигателей.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение электро- и пожаровзрывобезопасность топливной форсунки при ее работе в авиационном двигателе, повышение быстродействия, упрощение конструкции и технологичности изготовления топливной форсунки и улучшение параметров каплеобразования на ее выходе, получение мелкодисперсной топливно-воздушной смеси, что в конечном итоге приведет к более полному ее сгоранию, а также снижению уровня токсичности выходных продуктов горения и повышению экономичности потребления топлива при обеспечении требуемой мощности авиадвигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой топливной форсунке авиационного двигателя, содержащей корпус, топливный канал с распыливающим соплом, воздушные внутренний и наружный каналы, топливный и воздушные внутренний и наружный завихрители для закрутки потоков топлива и воздуха, два электрода, подсоединенных к источнику электрического напряжения, резисторы, изолирующие втулки между электродами, одним из электродов, соединенным через один из резисторов (первый резистор) с потенциальным выходом источника переменного электрического напряжения, является внутренний металлический воздушный завихритель с острой выходной кромкой и входным конфузором с размещенным центральным металлическим стержнем, металлическая пленка на острой выходной кромке внутреннего воздушного завихрителя и на выходном торце изолирующей втулки в топливном канале с закрученным потоком топлива, а вторым электродом, соединенным с выходом «земля» источника переменного электрического напряжения, является внутренняя поверхность распыливающего сопла в топливном канале вместе с металлическими корпусом и наружным воздушным завихрителем, причем внутренний воздушный канал образован внутренними поверхностями центрального стержня и внутреннего воздушного завихрителя, а выходы источника переменного электрического напряжения соединены через один (первый) и другой (второй) резисторы. При этом переменное электрическое напряжение с выхода источника электрического напряжения осуществляют с изменяющейся частотой следования пачек импульсов с изменением амплитуды напряжения в пачке импульсов.

Для увеличения устойчивости процесса горения топливно-воздушной смеси закрутка потоков топлива и воздуха в топливном и воздушных завихрителях осуществляется в одном направлении. При этом в качестве металла пленки на поверхности острой кромки внутреннего воздушного завихрителя и на выходном торце изолирующей втулки использован тугоплавкий металл, например вольфрам, титан, а толщина пленки и радиус закругления острой кромки внутреннего воздушного завихрителя составляют 1-5 мкм. Металлическая пленка на выходном торце изолирующей втулки заканчивается со стороны распыливающего сопла, образуя игольчатые электроды толщиной 1-5 мкм, причем в качестве материала изолирующей втулки выбрана керамика с относительной диэлектрической проницаемостью 3-15, выдерживающая температуру внешней среды до 800°C, например, корундоциркониевая керамика Al₂O₃ - 95%, ZrO₂ - 5%.

Поскольку электрическое поле в топливной форсунке прикладывается непосредственно к диэлектрическому топливу (керосину), то источник электрического напряжения имеет высокоомную нагрузку (порядка 10⁷-10⁸ Ом) и рабочий ток в нем составляет единицы микроампер и ниже. Поэтому выходная мощность используемого в предлагаемом не превышать 1-2 Вт. Следовательно, при использовании таких маломощных высоковольтных схем проблемы безопасности обслуживающего персонала не возникает, поскольку они менее опасны, чем низковольтные (напряжение - десятки вольт и мощность - десятки ватт).

Электрическая схема источника электрического напряжения в предлагаемой топливной форсунке авиационного двигателя обладает внутренней взрывобезопасностью с учетом особенностей конструктивного исполнения топливной форсунки. Нагрузка источника электрического напряжения в предлагаемой топливной форсунке емкостная, однако емкость электродов типа игла-плоскость очень невелика (пикофарады), что исключает возможность накопления количества электрической энергии, достаточного для создания мощной искры, вызывающей взрыв. Кроме того, для этого в потенциальную цепь источника электрического напряжения последовательно с емкостной нагрузкой электродов включен один из резисторов (первый резистор), что ограничивает электрический ток между электродами. Последнее обосновано тем, что требуемый для работы топливной форсунки ток намного меньше тока, получаемого на выходе источника электрического напряжения.

Таким образом достигается необходимое условие выполнения требований по обеспечению взрывобезопасности, а именно обеспечению минимальной электрической энергии поджигания топливно-воздушной смеси (МЭП), накапливаемой в межэлектродном промежутке топливной форсунки, при которой исключается воспламенение керосино-воздушной смеси. Ниже МЭП поджигание керосино-воздушной смеси невозможно. Этому способствует и использование в топливной форсунке переменного электрического напряжения.

Кроме того, для обеспечения высокого быстродействия воздействия электрического поля на топливо параллельно эквивалентному сопротивлению нагрузки на выходе источника электрического напряжения подсоединен в предлагаемой топливной форсунке другой (второй) резистор. Он ограничивает максимальный уровень накапливаемой электрической энергии в емкостной нагрузке при работе топливной форсунки.

Для повышения частоты выходного напряжения большое значение имеют постоянные времени выходной цепи источника электрического напряжения. При использовании схем умножителей напряжения (удвоения) для повышения выходного напряжения необходимо иметь в виду, что схема удвоения по своему принципу действия должна иметь емкости. Поэтому для повышения частоты коммутации ограничивают напряжение, сводя эти емкости до минимального значения (десятки пикофарад). Для обеспечения максимального быстродействия и нагрузочной способности умножителей напряжения используется двукратное уменьшение емкости конденсаторов в ступенях.

Конструкция предлагаемой топливной форсунки представлена на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 и2 приняты следующие обозначения:

1 - трубка подвода топлива; 2 - корпус топливной форсунки; 3 - сопло топливного распылителя (распыливающее сопло); 4 - топливный завихритель с тремя тангенциальными пазами 19; 5 - воздушный наружный завихритель; 6 - металлическая пленка; 7 - изоляционная керамическая втулка; 8 - воздушный внутренний завихритель; 9 - изоляционная керамическая трубка; 10 - крышка; 11 - потенциальный электрод; 12 - металлическая шайба; 13 - гайка; 14 - стойки центрального стержня; 15 - центральный металлический стержень; 16 - источник электрического напряжения; 17 - первый резистор R1: 18 - второй резистор R2: 19 - паз топливного завихрителя; 20 - топливный распылитель.

Воздушный внутренний завихритель 8 выполнен с входным (по направлению потока воздуха) конфузором и выходной острой кромкой (см. фиг. 1), радиус закругления которой составляет 1-5 мкм. Во входном конфузоре внутреннего воздушного завихрителя 8 располагается центральный металлический стержень 15, механически соединенный посредством четырех стоек 14 с внутренними стенками конфузора. При этом обеспечивается хороший электрический контакт стоек 14 с внутренними стенками конфузора внутреннего воздушного завихрителя 8 таким образом, чтобы их электрическое сопротивление было одинаковым.

В центральном металлическом стержне 15 выполнена резьба для резьбового присоединения специального металлического электрода 11 посредством гайки 13 и шайбы 12 к потенциальному выходу источника электрического напряжения 16. Сборка 13, 12, 11 с наружной частью центрального стержня 15 размещается в изолирующей трубке (на фиг. 1 не показано) для обеспечения требований техники безопасности. Внутренний воздушный завихритель 8 выполнен из металла и изолирован от корпуса форсунки 2 с помощью керамической втулки 7 и керамической трубки 9, материал которых выбран из условий обеспечения хороших изоляционных свойств с одновременным выполнением требований обеспечения жаропрочности, поскольку при работе топливной форсунки в авиационном двигателе температура внешней среды может достигать 800°C. Поэтому в предлагаемой топливной форсунке в качестве материала керамических втулки 7 и трубки 9 выбрана керамика с относительной диэлектрической проницаемостью 3-15, выдерживающая температуру внешней среды до 800°C, например, корундоциркониевая керамика Al₂O₃ - 95%, ZrO₂ - 5%.

На выходную острую кромку с радиусом закругления 1-5 мкм внутреннего воздушного завихрителя 8, собранного совестно с изоляционной керамической втулкой 7, нанесено проводящая металлическая пленка (проводящее металлическое покрытие) 6 из тугоплавкого металла, например вольфрама, титана (см. фиг. 2), толщиной 1-5 мкм. При этом металлическая пленка 6 на выходном торце изолирующей керамической втулки 7 заканчивается со стороны распыливающего сопла 3, образуя игольчатые электроды толщиной 1-5 мкм.

Таким образом, в предлагаемой топливной форсунке потенциальным электродом, соединенным через резистор 17 с потенциальным выходом источника электрического напряжения 16, являются центральный металлический стержень 15, размещенный во входном конфузоре внутреннего металлического воздушного завихрителя 8 с острой выходной кромкой, сам внутренний металлический воздушный завихритель 8 с острой выходной кромкой, пленка 6 из тугоплавкого металла на данной острой кромке и на выходном торце изолирующей керамической втулки 7 в топливном канале с закрученным потоком топлива. При этом пленка 6 заканчивается на выходном торце изолирующей керамической втулки 7 со стороны распыливающего сопла 3, образуя игольчатые электроды толщиной 1-5 мкм.

В свою очередь, внутренний воздушный канал образован внутренними поверхностями центрального металлического стержня 15, размещенного с помощью стоек 14 во входном конфузоре внутреннего металлического воздушного завихрителя 8, внутренние поверхности внутреннего воздушного завихрителя 8 с острой выходной кромкой.

Вторым электродом, соединенным с выходом «земля» источника электрического напряжения 16 и с выходом резистора 18 (вход резистор 18 соединен с выходом резистора 17), является внутренняя поверхность распыливающего сопла 3 топливного распылителя 20 в топливном канале, металлические корпус 2 и наружный воздушный завихритель 5.

Следовательно, отличительные от прототипа признаки заявленного изобретения состоят в том, что одним из электродов, соединенным через резистор 17 с потенциальным выходом источника переменного электрического напряжения 16, являются металлические центральный стержень 15 во внутреннем воздушном канале, внутренний воздушный завихритель 8, выполненный с входным конфузором и выходной острой кромкой с радиусом закругления 1-5 мкм, металлическая пленка 6 из тугоплавкого металла на данной острой кромке и на выходном торце изолирующей керамической втулки 7 в топливном канале с закрученным потоком топлива, одной из стенок которого является внутренняя поверхность распыливающего сопла 3, одновременно являющаяся вместе с металлическими корпусом 2, наружным воздушным завихрителем 5 вторым электродом, соединенным с выходом «земля» источника переменного электрического напряжения 16. При этом выходы источника переменного электрического напряжения 16 соединены через резисторы 17, 18, а пленка 6 заканчивается на выходном торце изолирующей керамической втулки 7 со стороны распыливающего сопла 3, образуя игольчатые электроды толщиной 1-5 мкм. Закрутка потока топлива в топливном канале осуществляется с помощью топливного завихрителя 4 с тремя тангенциальными пазами 19.

Детали внутреннего воздушного контура форсунки вставляются в корпус 2 и прижимаются крышкой 10. Крышка 10 фиксирует внутреннюю конструкцию форсунки, но данная крышка электрически не контактирует с потенциальным электродом топливной форсунки.

Предлагаемая конструкция топливной форсунки обеспечивает повышение быстродействия и взрывобезопасности, конструктивное упрощение и повышение технологичности изготовления топливной форсунки при одновременном повышении качества распыла топлива за счет уменьшения диаметра распыливаемых капель топлива и сообщении им униполярного электрического заряда. Это обусловлено следующим:

- обеспечением минимальной электрической энергии поджигания топливно-воздушной смеси, использованием маломощного (1-2 Вт) источника переменного электрического напряжения 16 с рабочими токами единицы микроампер и ниже, обладающего внутренней взрывобезопасностью и исключением возможности накопления в межэлектродном промежутке количества электрической энергии, достаточного для создания мощной искры, вызывающей взрыв. Кроме того, для этого в потенциальную цепь источника электрического напряжения 16 последовательно с емкостной нагрузкой электродов включен резистор 17, что ограничивает электрический ток между электродами. В свою очередь, переменное электрическое напряжение с выхода источника электрического напряжения 16 осуществляют с изменяющейся частотой следования пачек импульсов (до 50 кГц) с изменением амплитуды импульсов напряжения в пачке (уменьшением амплитуды напряжения в пачке по экспоненте с постоянными времени до 100 мкс). Длительность фронта импульса в пачке импульсов не превышает 1 мкс, а амплитуда переменного напряжения не превышает 4 кВ;

- обеспечением высокого быстродействия воздействия электрического поля на топливо за счет того, что параллельно эквивалентному сопротивлению нагрузки на выходе источника электрического напряжения 16 подсоединен резистор 18, одновременно ограничивающий максимальный уровень накапливаемой электрической энергии в емкостной нагрузке электродов топливной форсунки. При этом используются схемы умножителей напряжения с двухкратым уменьшением емкости конденсаторов в ступенях умножения источника электрического напряжения, причем эти емкости имеют очень малые значения (десятки пикофарад);

- сообщением закрученным в одном направлении потокам топлива и воздуха униполярного электрического заряда в резко неоднородном поле между электродами типа «игла-плоскость», где роль иглы играют срезы напыленной тугоплавкой металлической пленки на выходном торце изолирующей керамической втулки и острая выходная кромка внутреннего воздушного распылителя, а роль плоскости - внутренняя поверхность распыливающего сопла;

- применением изоляционных керамических деталей простой формы, потому что при этом существенно упрощается их изготовление и уменьшается количество брака, поскольку обработка на современных станках твердых и хрупких керамических заготовок с относительной диэлектрической проницаемостью 3-15, выдерживающих температуру внешней среды до 800°C, например, корундоциркониевой керамики Al₂O₃ - 95%, ZrO₂ - 5%, является технологически сложной;

- в предлагаемой конструкции топливной форсунки максимально уменьшено число изоляционных керамических деталей (их всего две), при этом, как уже отмечалось выше, сами керамические детали имеют простую форму и сниженные требования к точности изготовления, что улучшает технологичность их изготовления:

- повышением надежности крепления изоляционных керамических деталей к металлу, поскольку в предлагаемой конструкции топливной форсунки не требуется применения относительно ненадежной органосиликатной композиции, например, органосиликатной эмали, в качестве клея для крепления керамики к металлу. Предлагаемая конструкция топливной форсунки полностью сварная. Детали внутреннего воздушного контура форсунки вставляются в корпус и прижимаются крышкой, которая, в свою очередь, приваривается к корпусу. Это повышает надежность и максимально возможную температуру применения топливной форсунки;

- применением конструктивно простой системы подвода электрического напряжения от источника электрического напряжения к потенциальному электроду топливной форсунки за счет изменения конструкции внутреннего воздушного завихрителя. В конструкцию внутреннего воздушного завихрителя на входе в форсунку введен центральный металлический стержень, на конце которого выполнена резьба. На резьбу, в свою очередь, устанавливается специальный электрод, к которому подводится электрическое напряжение.

Принцип действия предлагаемой топливной форсунки основан на распыливании заданного объема топлива с использованием электрофизических и электрогидрогазодинамических эффектов (модификации топлива, уменьшение коэффициента поверхностного натяжения униполярно заряженных капель топлива, исключение слияния униполярно заряженных капель в топливо-воздушной смеси и других) в соответствующим образом организованных электрических полях от источника электрического напряжения 16, а также энергии воздушного потока. Игольчатые электроды образованы острой выходной кромкой воздушного внутреннего завихрителя 8 и краями нанесенной на нее и на торец изоляционной керамической втулки 7 металлической пленки 6 из тугоплавкого материала, например вольфрама или титана (см. фиг. 1 и 2).

Для создания униполярного потока ионов знака потенциала игольчатого электрода используется резко неоднородное поле, которое прикладывается к закрученным потокам топлива и воздуха между кольцевыми коаксиальными электродами типа «игла» и выходом распыливающего сопла 3.

Все это позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, эффективность параметров распыла топлива и горения топливно-воздушной смеси в газотурбинных двигателях. Кроме того, использование энергии воздушного потока позволяет снизить перепад давления топлива на форсунке, что, в свою очередь, способствует повышению ресурса как самой топливной форсунки, так и топливного насоса (на фиг. 1 не показанного). При этом используется энергия высокоскоростного закрученного с помощью внутреннего 8 и наружного 5 воздушных завихрителей воздушного потока, поступающего из компрессора (на фиг. 1 не показанного).

Таким образом, на выходе данной топливной форсунки образуется гомогенизированная топливно-воздушная смесь, что также снижает уровень дымления в выхлопных газах газотурбинного двигателя.

Для распыливания заданного объема топлива необходимо, чтобы поток топлива в топливном канале был преобразован в кольцевую пленку в распыливающем сопле 3. Для этого топливо в форсунку поступает через топливную трубку 1 и отверстие в корпусе 2 и далее попадает в кольцевой топливный канал и проходит через тангенциальные пазы 19 топливного завихрителя 4. После прохождения тангенциальных каналов топливного завихрителя 4 закрученный поток топлива под действием центробежных сил распределяется по внутренней поверхности канала распыливающего сопла - «префилмера» 3 в виде закрученной пленки и попадает на распыливающую кромку сопла, где встречается с потоком воздуха из центрального воздушного канала внутреннего воздушного завихрителя 8 с острой выходной кромкой. Данный канал образован внутренним каналом воздушного внутреннего металлического завихрителя 8 и его острой кромкой. Игольчатые электроды образованы острой выходной кромкой воздушного внутреннего завихрителя 8 и краями нанесенной на нее и на торец изоляционной керамической втулки 7 металлической пленки 6 из тугоплавкого материала, например вольфрама или титана, толщиной (1-5) мкм. При этом керамика выбрана из условий выполнения требований как по обеспечению необходимых изолирующих свойств, так и жаропрочности. Исходя из этих условий в предлагаемой топливной форсунке использована керамика с относительной диэлектрической проницаемостью 3-15, выдерживающая температуру внешней среды до 800°C, например, корундоциркониевая керамика типа Al₂O₃ - 95%, ZrO₂ - 5%. Напыленная металлическая пленка 6 образует электрический контакт между игольчатым электродом внутреннего воздушного завихрителя и игольчатыми электродами на торце изоляционной керамической втулки 7. Таким образом реализуется потенциальный электрод топливной форсунки, который через проводящий центральный стержень 15, электрически контактирующий с металлическим дифузором внутреннего воздушного завихрителя 8, и электрод 11, подсоединяется к потенциальному выходу источника электрического напряжения 16.

Внутренний (центральный) воздушный канал форсунки представляет собой канал, образованный внутренним воздушным завихрителем 8 например, осевым двухлопаточным завихрителем с плоскими лопатками с заданным углом закрутки. Закрученный воздух после прохождения внутреннего (центрального) воздушного канала затем воздействует на закрученную топливную пленку. При этом закрутка топлива и воздуха осуществляется в одну и ту же сторону, что обеспечивает устойчивость процесса горения на некоторых режимах работы камеры сгорания турбореактивного двигателя.

При подаче электрического напряжения от источника 16 на электроды заявленной топливной форсунки между электродами типа «острие» и распыливающим металлическим соплом 3 возникает резко неоднородное электрическое поле и образуется униполярный поток ионов знака потенциала игольчатых электродов. При этом закрученной топливной пленке и закрученном потоку воздуха сообщается униполярный электрический заряд. Сообщается также униполярный заряд и каплям топлива при распаде заряженной топливной пленки. Кроме того, при проходе потока топлива топливо модифицируется в однородном электрическом поле. Модификация топлива повышает эффективность сгорания топлива.

После срыва с кромки распыливающего сопла 3 топливно-воздушная пленка по периферии обдувается закрученным потоком воздуха из наружного осевого воздушного завихрителя 5. Омывающий границу раздела сред воздух имеет значительную скорость (80…100 м/с), возмущая и дестабилизируя ниже по потоку межфазную границу с образованием крупномасштабных связанных заряженных униполярно структур - «лигаментов». Заряженные униполярно лигаменты дробятся на более мелкие капли за счет кулоновских сил отталкивания и высоким уровнем турбулентных напряжений в сдвиговом слое, индуцированном закруткой потоков воздуха с наружной и внутренней стороны, которые затем поступают в основную зону горения камеры сгорания газотурбинного двигателя.

Таким образом, (по сравнению с прототипом) дополнительно к вышеуказанным отличиям:

- существенно уменьшается гидравлическое сопротивления электродной системы потоку топлива и воздуха;

- увеличивается надежность работы топливной форсунки, поскольку исключается засорение электродной системы;

- упрощается конструкция и увеличивается технологичность изготовления топливной форсунки;

- повышается эффективность распыла топлива и горения топливно-воздушной смеси специальным образом организованных электрических полей.

По своему функциональному назначению заявленное устройство является электропневматической форсункой. В ней для увеличения эффективности процессов распыла топлива, образования и горения топливно-воздушной смеси создают в топливном канале после топливного завихрителя в закрученном потоке топлива однородное электрическое поле и резко неоднородное электрическое поле на выходе из сопла закрученной топливной пленки и в закрученном потоке воздуха. При этом однородное и резко неоднородное электрическое поле создают одновременно, причем создают в резко неоднородном электрическом поле в закрученных топливной пленке и потоке воздуха униполярный электрический заряд одного знака. Каплям топлива при распаде топливной пленки сообщается униполярный электрический заряд. Последнее способствует более интенсивному распаду униполярно заряженной вытекающей из распыливающего сопла топливной пленки на более мелкие капли в закрученном потоке воздуха и препятствует их слиянию за счет кулоновских сил в образующейся топливно-воздушной смеси. В свою очередь, сообщение униполярного заряда закрученному потоку воздуха того же знака, что и каплям топлива, способствует (за счет кулоновских сил) более интенсивному перемешиванию топливно-воздушной смеси.

Электрический заряд капель топлива снижает их поверхностное натяжение, что облегчает распад заряженной капли на более мелкие капли, интенсифицирует испарение заряженной капли при попадании капли в жаровую трубу.

Все эти обстоятельства способствуют интенсификации процессов распыла и горения топливно-воздушной смеси в турбореактивном двигателе, снижают тепловое излучение и, соответственно, снижают лучистый тепловой поток, негативно воздействующий на стенки жаровой трубы.

Предлагаемая топливная форсунка прежде всего предназначена для камер сгорания богато-бедного типа, в которой обдув заряженной топливной пленки с распыливающего сопла воздухом осуществляется с внутренней и внешней стороны с использованием внутреннего и наружного воздушных завихрителей. В этом случае турбулентные пульсации, возникающие как за счет газогидродинамических явлений, так и электрогидрогазодинамических явлений, активно участвуют в процессе распада топливной пленки, вытекающей из распыливающего сопла. Для вовлечении сил инерции в процесс дробления капель топливо и воздух, как отмечалось выше, предварительно закручивают. Противоположная закрутка воздуха, проходящего через внутренний и наружный завихрители, позволяют максимально интенсифицировать процесс распада топливной пленки и дальнейшее дробление капель. Однако при этом противоположная закрутка, как правило, приводит к более значительным нестационарным эффектам. Это негативно сказывается на устойчивости процесса горения на некоторых режимах работы камеры сгорания турбореактивного двигателя.

В связи с этим, в предлагаемом устройстве используется закрутка потоков в одном направлении для повышения устойчивости процесса горения в газотурбинном двигателе.

В основу предлагаемой топливной форсунки положены следующие физико-технические и физикохимические явления.

Известно, что распыливание топлива играет важную роль в эффективности сгорания топливно-воздушной смеси и количестве испускания при сгорании загрязняющих веществ. В частности, более мелкодисперсная топливно-воздушная смесь обеспечивает более эффективное сгорание топлива, приводящее к увеличению отдаваемой двигателем мощности и уменьшению вредных выбросов. Это связано с тем фактом, что сгорание начинается от поверхности раздела между каплями топлива и воздухом (кислородом). Если размер капель топлива уменьшается, полная площадь поверхности до начала процесса горения увеличивается, повышая эффективность сгорания топливно-воздушной смеси и улучшая качественные характеристики выбросов продуктов сгорания (улучшая экологические показатели работы авиадвигателей).

В предлагаемом устройстве уменьшение размера капель на выходе топливной форсунки достигается тем, что в потоке топлива после топливного завихрителя в однородном переменном электрическом поле с изменяющейся частотой при относительно малых (до 4 кВ) напряжениях на электродах осуществляют молекулярную модификацию топлива путем возбуждения энергетических уровней молекул углеводородного топлива, а также осуществляют разбивку больших кластеров соединений различных молекул топлива на более мелкие. В свою очередь, в резко неоднородном электрическом поле на выходе из распыливающего сопла в закрученной топливной пленке и в закрученном потоке воздуха создают униполярный поток ионов. Таким образом сообщают униполярный заряд того или иного знака как каплям разбивающейся вытекающей из сопла закрученной топливной пленки, так и обдуваемому потоку воздуха. При этом знак электрического заряда как на каплях, так и в потоке обдуваемого воздуха выбирают один и тот же. Причем однородное и резко неоднородное электрическое поле создают одновременно.

На основании условий устойчивости капли под действием сил поверхностного натяжения и электростатических сил установлено, что электрический заряд уменьшает поверхностное натяжение капли на величину

где Δα=α-α_q - уменьшение коэффициента поверхностного натяжения заряженной капли, Н/м; α - коэффициент поверхностного натяжения незаряженной капли, Н/м; α_q - коэффициент поверхностного натяжения заряженной капли, Н/м; q - электрический заряд капли, Кл; - электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума); ε - относительная диэлектрическая проницаемость рабочей жидкости; r - радиус капли, м.

Следовательно, имеет место уменьшение поверхностного натяжения заряженной капли топлива по сравнению с незаряженной каплей, что способствует ее разрушению под действием аэродинамических сил. Образуются более мелкие капли. Известно, что чем меньше диаметр капли горючего и чем однородней состав горючей смеси, тем эффективнее процесс воспламенения и горения углеводородных топлив и их смесей.

Условие неустойчивого равновесия заряженной капли топлива, движущейся в потоке воздуха при отсутствии внешнего электрического поля, при котором начинается ее разрушение, имеет вид

где ν_отн - относительная скорость воздуха по отношению к скорости заряженной капли; γ_n - поверхностная плотность капли топлива, кг/м².

В результате обработки полученных экспериментальных данных, подтверждающих уменьшение поверхностного капли топлива при сообщении ей электрического заряда, поверхностное натяжение заряженной капли топлива определяется следующим выражением, справедливым для всех возможных диаметров капель при распыле топливной пленки на выходе распыливающего сопла в воздушном потоке:

где d_k - диаметр капли, м.

В результате осуществляют уменьшение поверхностного натяжения заряженных капель модифицированного в однородном электрическом поле углеводородного топлива и одновременно создают интенсивную турбулизацию среды вокруг капель топлива за счет аэрогидродинамических и кулоновских сил отталкивания (электрические заряды капель топлива и обдуваемого воздушного потока одного знака).

Как следствие, исходные капли топлива разбившейся вытекающей из сопла закрученной топливной пленки дробятся на более мелкие одноименно заряженные капли в двухсторонних предварительно закрученных потоках обдуваемого воздуха, что обеспечивает получение мелкодисперсной топливно-воздушной смеси.

Кроме того, заряженная закрученная пленка топлива легче разбивается на капли в потоке воздуха. Последнее обстоятельство приводит к тому, что при необходимости можно уменьшить скорости обдуваемого пленку воздуха для получения требуемых размеров капель топлива.

Поскольку получаемые в предлагаемом устройстве более мелкие капли имеют электрический заряд одного знака, исключается возможность их слияния в полете. Таким образом обеспечивается не только уменьшение размера капель топлива, но и увеличиваются интенсивность распыливания топлива и равномерность распределения капель топлива в создаваемой топливно-воздушной смеси.

Механизм модификации топлива в форсунке непосредственно перед его закруткой в переменном однородном электрическом поле состоит в следующем.

Углеводородное топливо (в том числе и авиационное) состоит из ряда компонентов, в частности в его химический состав входит декан. Под воздействием переменного электрического поля и после его воздействия декан может дать три дочерних продукта: тетрагидрометилфуран, метилпентан и изометилпентан, которые также подвергаются деструкции, продуктами которой при сохранении атомарного состава, должны быть этилен C₂H₄ и пропилен C₃H₆. Продукты с углеродным скелетом C₂-C₆, обладают большей теплотой сгорания, чем исходная молекула декана с углеродным скелетом C₁₀. При деструкции молекулы декана C₁₀H₂₂ с образованием двух молекул тетрагидрометилфурана C₅H₁₀ должны образовываться два свободных атома водорода. Свободный водород может возникнуть также при деструкции метилпентана и изометилпентана. Образование свободного водорода и перенос его вместе с жидким топливом в камеру сгорания ускоряет химическую реакцию окисления. Она протекает быстрее и полнее, так как наличие активных центров в виде атомарного водорода в зоне горения уменьшает среднее значение энергии активации. Высокая реакционная способность атомарного водорода приводит к тому, что эти центры определяют механизм реакции окисления и ее скорость.

При молекулярной модификации углеводородного топлива скорость образования радикалов определяется напряженностью и частотой электрического поля. Напряженность поля определяет концентрацию активных частиц, возникающих при каждом импульсе, а частота определяет скорость генерации активных частиц.

Поскольку углеводородное топливо является многокомпонентной химической средой, содержащей примеси, то его можно рассматривать как слабый полярный диэлектрик.

При переменном напряжении диэлектрические потери возникают под действием как тока сквозной проводимости, так и релаксационных видов поляризации и процессов возбуждения полем энергетических уровней молекул углеводородного топлива. Максимальному тангенсу угла диэлектрических потерь tgδ будет соответствовать круговая частота переменного напряжения на электродах, обратная времени релаксации возбужденных электрическим полем молекул в топливе. При этом tgδ имеет значения ~10^~3-10^~2 и более.

В свою очередь, поскольку авиационное топливо является многокомпонентной средой с образованием в нем больших кластеров молекул, то переменное электрическое поле с изменяющейся частотой способствует распаду этих кластеров на более мелкие. Это обеспечивает относительно большое время последействия поля на топливо и улучшает процесс каплеобразования.

Результаты экспериментальных исследований содержания декана в обработанном в поперечном переменном электрическом поле топливе при электрическом напряжении на коаксиальных электродах 300 В при перекачке топлива приведены в таблице 1.

Здесь C_тек - текущее содержание декана в предварительно обработанном в переменном электрическом поле топливе; C_дпо - содержание декана в топливе непосредственно после обработки в электрическом топливе при перекачке топлива из заправочной емкости в дополнительную емкость.

Изобретение относится к авиастроению, в частности к способам и устройствам для распыла различных видов жидкого углеводородного топлива и подготовки топливно-воздушной смеси перед ее сжиганием. Топливная форсунка авиационного двигателя, в которой одним из электродов, соединенным через один из резисторов с потенциальным выходом источника переменного электрического напряжения, является внутренний металлический воздушный завихритель с острой выходной кромкой и входным конфузором с размещенным центральным металлическим стержнем. Причем проводящая металлическая пленка нанесена на острой выходной кромке внутреннего воздушного завихрителя и на выходном торце изолирующей втулки в топливном канале с закрученным потоком топлива. В свою очередь, вторым электродом топливной форсунки, соединенным с выходом «земля» источника переменного электрического напряжения, является внутренняя поверхность распыливающего сопла в топливном канале вместе с металлическими корпусом и наружным воздушным завихрителем. Выходы источника переменного электрического напряжения соединены через один и другой резисторы. Изобретение позволяет обеспечить более полное сгорание мелкодисперсной топливно-воздушной смеси, а также позволяет снизить уровень токсичности выходных продуктов горения и повысить экономичность потребления топлива при обеспечении требуемой мощности авиадвигателя. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Топливная форсунка авиационного двигателя, содержащая корпус, топливный канал с распыливающим соплом, воздушные внутренний и наружный каналы, топливный и воздушные внутренний и наружный завихрители для закрутки потоков топлива и воздуха, два электрода, подсоединенных к источнику электрического напряжения, резисторы, изолирующие втулки между электродами, отличающаяся тем, что одним из электродов, соединенным через один из резисторов с потенциальным выходом источника переменного электрического напряжения, является внутренний металлический воздушный завихритель с острой выходной кромкой и входным конфузором с размещенным центральным металлическим стержнем, металлическая пленка на острой выходной кромке внутреннего воздушного завихрителя и на выходном торце изолирующей втулки в топливном канале с закрученным потоком топлива, а вторым электродом, соединенным с выходом «земля» источника переменного электрического напряжения, является внутренняя поверхность распыливающего сопла в топливном канале вместе с металлическими корпусом и наружным воздушным завихрителем, причем внутренний воздушный канал образован внутренними поверхностями центрального стержня и внутреннего воздушного завихрителя, а выходы источника переменного электрического напряжения соединены через один и другой резисторы.

2. Топливная форсунка по п. 1, отличающаяся тем, что переменное электрическое напряжение с выхода источника электрического напряжения осуществляют с изменяющейся частотой следования пачек импульсов с изменением амплитуды напряжения в пачке импульсов.

3. Топливная форсунка по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что в качестве металла пленки на поверхности острой кромки внутреннего воздушного завихрителя и на выходном торце изолирующей втулки использован тугоплавкий металл, а толщина пленки и радиус закругления острой кромки внутреннего воздушного завихрителя составляют 1-5 мкм.

4. Топливная форсунка по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что металлическая пленка на выходном торце изолирующей втулки заканчивается со стороны распыливающего сопла, образуя игольчатые электроды толщиной 1-5 мкм.

5. Топливная форсунка по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что в качестве материала изолирующей втулки выбрана керамика с относительной диэлектрической проницаемостью 3-15, выдерживающая температуру внешней среды до 800°С.

6. Топливная форсунка по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что закрутка потоков топлива и воздуха в топливном и воздушных завихрителях осуществляется в одном направлении.