Форсунка

 

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.

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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6