Устройство для распыления и поджига жидкого топлива

Предлагаемая полезная модель относится к области устройств модификации авиационного топлива и энергетики и может быть использована для подготовки топлива воздушно-реактивных двигателей, ракетных двигателей, энергетических установок с целью снижения их размера и расхода углеводородного сырья.
Известно «Устройство для сжигания топлива», которое может быть использовано в авиамоторостроении, ракетном двигателестроении и энергетике (Патент RU №2227870 от 27.04.2004). К недостаткам устройства и барботированного пузырьками топлива относится отсутствие объемного поджига и вследствие этого большей длины задержки воспламенения и меньшей устойчивости пламени при больших скоростях топливно-воздушной смеси. Для подготовки пузырьковой или микропористой среды используется пористая мембрана. Поэтому при больших расходах топлива и воздуха имеются большие потери давления в устройстве из-за резкого возрастания потерь давления на мембране и требуются значительные дополнительные энергетические затраты.
В качестве прототипа - наиболее близкого к предлагаемому решению - выбрана «Установка для смешения и поджига композитного топлива». Патент на полезную модель №144951 от 31.07.2014.
Известное устройство для распыления и поджига жидкого топлива содержит барботер, снабженный патрубком для жидкого топлива, патрубком для воздуха, трубчатой насадкой, разделительной сеткой на выходе барботера, а также сопло с форкамерой и трубопроводами, камеру смешения, входной штуцер инжектора, высоковольтные изоляторы, электроды для поджига разрядом резонансного типа с подводящими проводами, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом трубчатая насадка выполнена в виде колец Рашига, укладка которых в барботере выполнена нерегулярной.
Недостаток прототипа состоит в том, что при больших расходах топлива и горючего, имеющихся в образцах летательной техники с использованием ПВРД и ГПВРД, слишком велики потери давления и затраты энергии в ходе подготовки пузырьковой или микропористой среды при хаотической укладке колец Рашига, соотношение диаметра и длины которых не оптимально для перемешивания газообразной и жидкой фаз в барботере. В частности, диаметр отверстия кольца Рашига равен его длине, что повышает его аэродинамическое сопротивление и падение давления на барботере.
Технический результат заявленного изобретения состоит в следующем:
- снижение аэродинамического сопротивления и падения давления на барботере при соответствующем повышении эффективности сжигания распыленного топлива в высоковольтном разряде;
- высокая удельная поверхность наполнителя в барботирующем устройстве позволяет обеспечить устойчивое течение газотопливной смеси, вплоть до стехиометрического соотношения смеси топливо-окислитель;
- эффект противотока и дополнительная турбулизация потоков смешиваемых сред повышает эффективность смешения, что также повышает эффективность сжигания распыленного топлива в высоковольтном разряде.
Технический результат достигается за счет устранения указанных недостатков в предлагаемой установке для смешения и поджига жидкого топлива, которая содержит барботер, снабженный патрубком для жидкого топлива, патрубком для воздуха, трубчатой насадкой, разделительной сеткой на выходе барботера, а также сопло с форкамерой и трубопроводами, камеру смешения, входной штуцер инжектора, высоковольтные изоляторы, электроды для поджига разрядом резонансного типа с подводящими проводами, что совпадает с существенными признаками прототипа.
При этом диаметр отверстия трубчатой насадки выбран не меньшим ее длины, а укладка насадки в барботере выполнена регулярной с закруткой по спирали.
Кроме того, поток воздуха, вытекающего из патрубка для воздуха, направлен встречно потоку жидкого топлива, вытекающего из патрубка для жидкого топлива.
Кроме того, расстояние между концами патрубков для воздуха и для жидкого топлива выбрано не менее 3L, где L - длина трубчатой насадки.
Кроме того, на поток воздуха, вытекающего из патрубка для воздуха, наложены звуковые колебания.
Кроме того, на поток жидкого топлива, вытекающего из патрубка для жидкого топлива, наложены звуковые колебания.
Кроме того, на поток воздуха, вытекающего из патрубка для воздуха, и на поток жидкого топлива, вытекающего из патрубка для жидкого топлива, наложены звуковые колебания.
Кроме того, частоты колебаний воздуха и жидкого топлива лежат в диапазоне от 0.1 до 15 кГц.
Кроме того, фазы колебаний воздуха и жидкого топлива противоположны друг другу.
Сущность изобретения поясняется чертежами: фиг. 1-5.
На фиг. 1 представлена установка для смешения и поджига жидкого топлива по п. 1 формулы, где использованы обозначения:
1 - барботер, 2 - патрубок для жидкого топлива, 3 - патрубок для воздуха, 4 - насадка, 5 - разделительная сетка, 6 - сопло с форкамерой и трубопроводами, 7 - камера смешения, 8 - входной штуцер инжектора, 9 - высоковольтные изоляторы, 10 - электроды для поджига разрядом резонансного типа с подводящими проводами.
На фиг. 2 представлена хаотическая укладка насадки в известных устройствах, где трубчатая насадка произвольно ориентирована в объеме реактора.
На фиг. 3 представлена упорядоченная укладка насадки в известных устройствах, где трубчатая насадка ориентирована вдоль или перпендикулярно оси реактора.
На фиг. 4 представлена регулярная укладка насадки по спирали (вид сбоку) в устройстве для распыления и поджига жидкого топлива.
На фиг. 5 представлена регулярная укладка насадки по спирали (изометрия с показом послойной структуры укладки) в устройстве для распыления и поджига жидкого топлива.
Установка для смешения и поджига жидкого топлива, как показано на фиг. 1, содержит барботер 1, патрубок для входа жидкого топлива 2, патрубок для воздуха 3, насадку 4, разделительную сетку 5, сопло с форкамерой и трубопроводами 6, камеру смешения 7, входной штуцер инжектора 8, высоковольтные изоляторы 9, электроды для поджига разрядом резонансного типа с подводящими проводами 10, что совпадает с существенными признаками прототипа.
При этом укладка насадки 4 в барботере 1 выполнена регулярной с закруткой по спирали, как показано на фиг. 4 и фиг. 5, конец патрубка 2 для входа керосина направлен встречно патрубку 3 для входа воздуха, а расстояние между концами патрубков 2 и 3 выбрано не менее 3L, где L - длина трубчатой насадки.
Установка для смешения и поджига жидкого топлива работает следующим образом.
Жидкое топливо (например, керосин или эмульсия керосина с водой) подается через патрубок 2 в барботер 1, где происходит смешение с воздухом, подаваемым через патрубок 3, и образование пузырьковой топливно-воздушной смеси или пузырьковой смеси эмульсии топлива и воды с воздухом. В патрубок 3 сжатый воздух поступает из ресивера, пузырьковая смесь поступает в сопло 6 и распыляется в камере смешения 7, в камере смешения 7 есть входной штуцер инжектора 8, к которому присоединяется блок для приготовления смеси топлива или эмульсии топлива и воды с наночастицами, аналогично прототипу, эта жидкая смесь смешивается с потоком воздуха, диспергируется и через входной штуцер инжектора 8 под углом поступает в камеру смешения 7, где смешивается с основным потоком топлива и окислителя, истекающим из сопла 6 (сопло Лаваля или вихревое сопло). После смешения этих двух потоков смесь этой топливной смеси и окислителя поступает в разрядный промежуток, в котором имеются два электрода для поджига разрядом резонансного типа с подводящими проводами 10, закрепленные на высоковольтных изоляторах 9, аналогично прототипу. При этом укладка трубчатой насадки в барботере выполнена регулярной с закруткой по спирали, что позволяет снизить потери давления и энергии при больших расходах топлива в мощных энергоустановках. Этот же результат обеспечивается тем, что диаметр отверстия трубчатой насадки выбран не меньшим ее длины.
При этом поток воздуха из патрубка 3 направлен встречно потоку жидкого топлива из патрубка 2. Расстояние между концами патрубков 2 и 3 выбрано не менее 3L, где L - длина трубчатой насадки.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает максимально эффективное перемешивание жидкого топлива с воздухом при минимизации затрат энергии, позволяет повысить мощность двигателя при фиксированных затратах энергии.
Покажем, что технический результат обеспечивается за счет существенных признаков предлагаемого.
То, что устройство для распыления и поджига жидкого топлива содержит барботер, снабженный патрубком для керосина, патрубком для воздуха, трубчатой насадкой, разделительной сеткой на выходе барботера, а также сопло с форкамерой и трубопроводами, камеру смешения, входной штуцер инжектора, высоковольтные изоляторы, электроды для поджига разрядом резонансного типа с подводящими проводами, обеспечивает заполнение барботирующего устройства наполнителем с высокой удельной поверхностью позволяет обеспечить устойчивое течение газотопливной смеси, вплоть до стехиометрического соотношения смеси топливо-окислитель. Наличие смесителя с устройствами для ускорения потока (вихревое сопло, сопло Лаваля) позволяет снизить потери полного давления 3-4 раза по сравнению с прототипом.
Кроме того, укладка насадки в барботере выполнена регулярной с закруткой по спирали, что позволяет снизить потери полного давления при приготовлении гетерогенной смеси в 2-3 раза.
То, что диаметр отверстия трубчатой насадки выбран не меньшим ее длины, снижает проходное сопротивление барботера и уменьшает потери давления в нем.
То, что поток воздуха, вытекающего из патрубка для воздуха, направлен встречно потоку жидкого топлива, вытекающего из патрубка для жидкого топлива, повышает эффективность смешения за счет эффекта противотока смешиваемых сред. Это, в свою очередь, повысит эффективность сжигания распыленного топлива в высоковольтном разряде.
То, что расстояние между концами патрубков для входа воздуха и для входа керосина выбрано не менее 3L, где L - длина трубчатой насадки, обеспечивает расстояние, необходимое для эффективного взаимодействия противонаправленных потоков газообразной и жидкой фаз.
То, что на поток воздуха, вытекающего из патрубка для входа воздуха, наложены звуковые колебания, повышает эффективность перемешивания потоков газообразной и жидкой фаз за счет дополнительной турбулизации газового потока.
То, что на поток жидкого топлива, вытекающего из патрубка для жидкого топлива, наложены звуковые колебания, повышает эффективность перемешивания потоков газообразной и жидкой фаз за счет дополнительной турбулизации потока жидкой фазы.
То, что на поток воздуха, вытекающего из патрубка для входа воздуха, и на поток жидкого топлива, вытекающего из патрубка для жидкого топлива, наложены звуковые колебания, повышает эффективность перемешивания потоков газообразной и жидкой фаз за счет их дополнительной турбулизации.
То, что частоты колебаний воздуха и жидкого топлива лежат в диапазоне от 0.1 до 15 кГц, повышает эффективность перемешивания потоков газообразной и жидкой фаз за счет возможности варьирования и оптимизации характера акустического воздействия на смешиваемые среды.
То, что фазы колебаний воздуха и жидкого топлива противоположны друг другу, повышает эффективность перемешивания потоков газообразной и жидкой фаз за счет их дополнительной турбулизации.
Предлагаемая установка позволяет приготовлять смеси углеводородных топлив или эмульсий этих топлив с водой с присадками наночастиц, что позволяет снизить время задержки воспламенения пламени и обеспечить стабилизацию горения при больших скоростях потока, в том числе и сверхзвуковых, за счет «эффекта горячих очагов», наличия большого количества ионов и радикалов в значительной части фронта пламени (возникают локальные пробои и получается объемный поджиг газокапельной смеси топлива и окислителя), что позволяет снизить материальные затраты на наночастичную компоненту топлива и увеличить объем, в котором реализуется разряд.
Предлагаемая полезная модель открывает путь к решению технической задачи в области создания компактных двигателей для авиации и ракетостроения и компактных энергетических устройств. Дает возможность вернуться к проблеме горизонтального старта челноков («Спираль» СССР, «Скремджет» США, конец 60-х годов XX века) с использованием подъемной силы и окислителя из окружающей среды.