Способ подготовки жидкого топлива к распыливанию в камеру сгорания

Изобретение относится к способам получения мелкодисперсного распыливания, испарения и газификации жидкого топлива. Способ подготовки жидкого топлива к распыливанию в камеру сгорания преимущественно газотурбинного двигателя заключается в том, что к топливу добавляют воду, перемешивают и образуют эмульсию. Водную составляющую эмульсии нагревают СВЧ излучением до температуры, превышающей температуру кипения при давлении в камере сгорания, с помощью подогретой воды повышают температуру топлива и после этого впрыскивают эмульсию в камеру сгорания, при этом вода, мгновенно испаряясь, увеличивает свой объем и взрывообразно распыливает подогретое топливо на капли. Топливную составляющую эмульсии нагревают до температуры, превышающей температуру кипения при давлении в камере сгорания, и после этого впрыскивают эмульсию в камеру сгорания, при этом обе составляющие эмульсии, мгновенно испаряясь, превращаются в парообразный топливный факел. Топливную составляющую эмульсии нагревают до температуры, необходимой для деструкции топлива, и после этого получившуюся дисперсную смесь с частично или полностью газифицированным горючим впрыскивают в камеру сгорания, при этом жидкие компоненты смеси, мгновенно испаряясь, образуют вместе с газообразным горючим парогазовый топливный факел. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способам получения мелкодисперсного распыливания, испарения и газификации жидкого топлива при его использовании в камерах сгорания преимущественно газотурбинных двигателей или установок в авиадвигателестроении, энергетике и в других отраслях машиностроения.

Известен способ подготовки жидкого топлива к сжиганию (Заявка Российской Федерации RU N 95122303 от 25.12.95, кл. F 23 К 5/12, «Способ подготовки жидкого топлива к сжиганию»). Описанный способ включает в себя перемешивание жидкого топлива с водой, которая играет роль ингибитора, вещества, тормозящего образование окислов азота и серы при горении.

Недостатком указанного способа является то, что вода выполняет отведенную ей роль ингибитора только на стадии горения и не принимает активного участия в процессе распыливания топлива.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ предварительной обработки топлива (Авторское свидетельство Российской Федерации SU N 1254191 от 06.07.84, кл. F 02 М 27/00, «Способ обработки топлива двигателей внутреннего сгорания»). Описанный способ включает в себя перемешивание топлива с водой перед его распыливанием. Достигаемая за счет образования и схлопывания кавитационных пузырьков однородность смеси способствует улучшению качества распыливания топлива за счет уменьшения ее вязкости.

Недостатком указанного способа является то, что вода, влияя на физические свойства смеси, активно не участвует в процессе распыливания топлива.

В предложенном авторами изобретении решается задача активного участия воды в процессе предварительного подогрева топлива для улучшения мелкости его распыливания, испарения и деструкции (газификации), а также в процессе распыливания топлива.

Технический результат, направленный на решение поставленной задачи, обеспечивается тем, что к топливу добавляют воду, перемешивают и образуют эмульсию, причем водную составляющую эмульсии нагревают СВЧ излучением до температуры, превышающей температуру кипения при давлении в камере сгорания, с помощью подогретой воды повышают температуру топлива и после этого впрыскивают эмульсию в камеру, при этом вода, мгновенно испаряясь, увеличивает свой объем и взрывообразно распыливает подогретое топливо на капли.

Кроме того, технический результат обеспечивается тем, что топливную составляющую эмульсии нагревают до температуры, превышающей температуру кипения при давлении в камере сгорания, и после этого впрыскивают эмульсию в камеру сгорания, при этом обе составляющие эмульсии, мгновенно испаряясь, превращаются в парообразный топливный факел.

Помимо этого, технический результат достигается за счет того, что топливную составляющую эмульсии нагревают до температуры, необходимой для деструкции топлива, и после этого получившуюся дисперсную смесь с частично или полностью газифицированным горючим впрыскивают в камеру сгорания, при этом жидкие компоненты смеси, мгновенно испаряясь, образуют вместе с газообразным горючим парогазовый топливный факел.

Сущность предложенного способа заключается в следующем. На подготовленную водо-топливную эмульсию воздействуют СВЧ излучением с частотой 2.5-30 ГГц. За счет поглощения энергии СВЧ излучения водой происходит ее нагревание до температуры, превышающей температуру кипения воды при давлении в камере сгорания. Часть тепла вода отдает топливу. Благодаря большой длине волны СВЧ излучения (1-12 см), нагрев потока эмульсии происходит равномерно по всему сечению канала его подачи. После впрыска эмульсии в камеру сгорания перегретые капельки воды практически мгновенно испаряются, увеличивают свой объем и разрывают окружающие слои нагретого топлива на мелкие капли. При значении абсолютного давления в камере сгорания, например, 300 кПа капли воды должны быть нагреты до 130°С и выше. Это можно сделать без кипения воды, так как давление в системе подачи топлива превосходит давление в камере сгорания.

Увеличивая мощность СВЧ излучения и время его воздействия на эмульсию, можно повысить температуру топлива до температуры, превышающей температуру его кипения при давлении в камере сгорания. Поскольку температура кипения жидкого углеводородного топлива превышает температуру кипения воды, то впрыск эмульсии в камеру сгорания под большим давлением вызывает взрывообразное испарение топлива и воды.

Для термического разложения топлива (керосина) оно должно быть нагрето выше 570 К (300°С). Чтобы нагреть воду до этой температуры без кипения, давление должно быть равно примерно 9.5 МПа; при давлении 14 МПа воду можно нагреть без кипения до 335°С, Н.Ф. Дубовкин «Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания», ГЭИ, М., Л., 1962 г., с.28. Образовавшиеся в результате деструкции топлива газы сначала просто газируют эмульсию, затем по мере усиления газификации топлива превращают эмульсию в пену и, наконец, в аэрозоль, в которой мелкие капельки воды и топлива, оставшегося жидким, взвешены в газе. При впрыске сильно нагретой дисперсной среды, содержащей газ, в камеру сгорания мгновенно образуется парогазовый топливный факел.

Перед впрыском в камеру сгорания вода из топлива не удаляется, ее присутствие не только помогает распылить топливо на мелкие капли, уменьшить сажеобразование, но и понизить эмиссию оксидов азота за счет снижения температуры пламени.

Мощность и время, в течение которого суспензия из топлива и воды должны подвергаться СВЧ излучению, а также объемная концентрация воды подбираются в зависимости от используемого способа подготовки топлива к сжиганию и требований, предъявляемых к устройству подачи топлива и в целом к двигателю.

1. Способ подготовки жидкого топлива к распыливанию в камеру сгорания преимущественно газотурбинного двигателя, в котором к топливу добавляют воду, перемешивают и образуют эмульсию, отличающийся тем, что водную составляющую эмульсии нагревают СВЧ-излучением до температуры, превышающей температуру кипения при давлении в камере сгорания, с помощью подогретой воды повышают температуру топлива и после этого впрыскивают эмульсию в камеру сгорания, при этом вода, мгновенно испаряясь, увеличивает свой объем и взрывообразно распыливает подогретое топливо на капли.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что топливную составляющую эмульсии нагревают до температуры, превышающей температуру кипения при давлении в камере сгорания, и после этого впрыскивают эмульсию в камеру сгорания, при этом обе составляющие эмульсии, мгновенно испаряясь, превращаются в парообразный топливный факел.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что топливную составляющую эмульсии нагревают до температуры, необходимой для деструкции топлива, и после этого получившуюся дисперсную смесь с частично или полностью газифицированным горючим впрыскивают в камеру сгорания, при этом жидкие компоненты смеси, мгновенно испаряясь, образуют вместе с газообразным горючим парогазовый топливный факел.