ТОПЛИВНАЯ ФОРСУНКА
FUEL NOZZLE

Изобретение относится к форсунке для топливного инжектора и к форсунке для топливного инжектора, подающей распыленное жидкое топливо к устройству, такому как газотурбинный двигатель.
Топливные форсунки для подачи распыленных капелек жидкого топлива к камере сгорания в газотурбинном двигателе известны ранее. Один пример описан в заявке EP 1139021 на Европейский патент, которая была опубликована 4 октября 2001 года и включает того же самого изобретателя, как и настоящая заявка. Фиг.1-3 EP 1139021 воспроизведены здесь как фиг.1-3 данной настоящей заявки.
Фиг.1 изображает камеру сгорания для газотурбинного двигателя, содержащую горелку 10, завихритель 12, предкамеру 14 и основную камеру 16 сгорания. Завихритель 12 включает в себя несколько лопаток 18 (см. также фиг.2), образующих промежуточные каналы 20, которые заполняются сжатым воздухом из манифольда 22. Камера сгорания может спускать жидкое топливо, при этом жидкое топливо впускается через форсунки 24 на поверхности 26 горелки. Форсунки 24 могут работать в двух разных режимах, зависящих от режима нагрузки. При повышенной нагрузке давление подачи и, вследствие этого, поток через форсунку является достаточно высоким для достижения хорошего распыления топлива, если форсунка не заряжается электричеством. Однако при пониженной нагрузке поток уменьшается, и, вследствие этого, распыление ослабевает. Следовательно, так как нагрузка уменьшается, напряжение, применяемое в форсунке, увеличивается, приводя к улучшенному распылению.
Фиг.2 изображает вид сверху завихрителя 12 и горелки 10 и изображает распылительные форсунки 24, расположенные по окружности вокруг горелки, тогда как фиг.3 изображает распылительную форсунку 24 подробнее. Форсунка 24 содержит корпус 26 форсунки, имеющий камеру 28 закрутки круглого сечения. Жидкое топливо подается в камеру 28 закрутки через множество пазов 30 и выбрасывается через суженную часть 32 и канал 34 усеченно-конической формы в направлении А к выпускному отверстию 36. Вследствие сильного вихревого перемещения топлива в камере закрутки топливо направляется для удерживания к внутренней поверхности 38 канала 34 и распыляется для образования маленьких капелек так, что оно распространяется из канала 34 в струю воздуха, имеющуюся в каналах 20 завихрителя.
Полый электропроводящий электрод 40 обеспечивается близко к выходному концу форсунки 24. Электрод 40 имеет острый край 42, который продолжается в направлении продвижения топлива через форсунку. Изолирующие слои 44, 46 обеспечиваются на соответственных сторонах электрода 40.
Топливо подвергается электростатическому заряду в точке, где струя топлива, которая придерживается внутренней стенки 38, начинает разбиваться на капельки так, что оно выходит из выпускного отверстия 36. Контрольное устройство 48 подачи заряда (см. фиг.1) обеспечивает электрод 40 напряжением с помощью круглого провода 50.
Электростатическая зарядка топлива является, главным образом, существенной, когда двигатель работает при пониженных нагрузках, то есть когда меньше топлива подается к форсункам 24. Такая зарядка, к тому же, помогает контролировать распыление и испарение топлива, размещение топлива и интенсивность сгорания. Напротив, возможно, не понадобится применять электростатическую зарядку, когда двигатель работает при полной нагрузке.
Топливная форсунка, раскрытая в EP 1139021, имеет недостаток, потому что она составная и, таким образом, дорогостоящая для производства. К тому же объем, занимаемый форсункой, довольно большой, особенно в осевом направлении.
Настоящее изобретение старается уменьшить эти недостатки.
В соответствии с изобретением обеспечена форсунка для топливного инжектора для подачи распыленного жидкого топлива, причем форсунка содержит: электрод, содержащий, по существу, плоский электропроводящий элемент, содержащий отверстие, причем край отверстия является острым, чтобы давать возможность электроду сообщать заряд; первый и второй изолирующие элементы, расположенные на соответственных сторонах плоскости электропроводящего элемента, причем первый изолирующий элемент располагается на выпускной стороне форсунки, и завихритель для подачи завихряющегося потока жидкого топлива к отверстию, причем ось, относительно которой топливо завихряется внутри отверстия, обычно перпендикулярна плоскости электрода, при этом, при использовании форсунки, электрод сообщает заряд завихряющемуся потоку жидкого топлива внутри отверстия так, что форсунка подает заряженные капельки распыленного топлива.
Первый и второй изолирующие элементы могут иметь первое и второе отверстия соответственно, которые, по существу, коаксиальны с отверстием проводящего элемента. Второе отверстие может быть больше первого отверстия. Кроме того, отверстие проводящего элемента может быть меньше первого отверстия.
Проводящий элемент может иметь толщину, которая уменьшается в радиальном направлении между вторым отверстием и отверстием проводящего элемента. Уменьшение толщины проводящего элемента может быть, по существу, линейным.
Форсунка может дополнительно содержать первый и второй, по существу, плоские элементы, расположенные на наружных плоских сторонах первого и второго изолирующих элементов соответственно, причем первый, по существу, плоский элемент содержит выпускное отверстие для подачи заряженных капелек распыленного топлива. Выпускное отверстие предпочтительно, по существу, того же размера, как и первое отверстие.
Завихрителем может быть радиальный завихритель, который может содержать радиальные каналы, обеспеченные во втором изолирующем элементе и сообщающиеся со вторым отверстием.
В качестве альтернативы, завихрителем может быть аксиальный завихритель. В этом случае каналы могут быть обеспеченными во втором, по существу, плоском элементе и сообщающимися со вторым отверстием, причем указанные каналы ориентированы так, чтобы сообщать аксиальную и тангенциальную составляющую потока поступающему топливу.
Варианты осуществления изобретения будут здесь описаны только в качестве примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, из которых:
фиг.1 и 2 представляют собой виды в разрезе известной газотурбинной системы сгорания, и фиг.3 представляет собой вид в разрезе через известную топливную форсунку, используемую в системе сгорания фиг.1 и 2;
фиг.4А представляет собой вид в разрезе через обобщенную топливную форсунку согласно настоящему изобретению, и фиг.4B представляет собой вид сверху части фиг.4А;
фиг.5 представляет собой вид в перспективе первого варианта осуществления форсунки, изображенной на фиг.4А;
фиг.6 и фиг.7А и 7B соответствуют виду фиг.5 и иллюстрируют режим работы форсунки;
фиг.8А представляет собой вид в перспективе второго варианта осуществления форсунки, изображенной на фиг.4А; и
фиг.8B и 8С представляют собой вид в разрезе и вид сверху соответственно нижнего, по существу, плоского элемента, образующего часть форсунки фиг.8А.
Как показано здесь, на фиг.4А изображено обобщенное изображение топливной форсунки согласно настоящему изобретению, которая содержит ламинарное расположение составляющих. Этими составляющими являются: верхний, или первый, плоский элемент 100, верхний, или первый, плоский слой изоляции 102, плоский проводящий элемент 104, нижний, или второй, плоский слой изоляции 106 и нижний, или второй, плоский элемент 108. Понятно, что "плоский" означает, что рассматриваемые составляющие являются обычно или, по существу, плоскими и не обязательно полностью и равномерно плоскими. Эти элементы и слои удерживаются вместе любым подходящим образом, например прижимом. Фиг.4B представляет собой вид фиг.4А, если смотреть сверху вниз, непосредственно сверху проводящего слоя 104, включающего в себя только центральный круглый участок форсунки, разграниченной линиями 110.
Плоские элементы 100, 108 предпочтительно выполнены из металла, тогда как изоляционные слои предпочтительно выполнены из слюды или керамического материала. Кремниевые соединения не подходят, так как они разрушаются углеводородами. Чтобы препятствовать коррозии и поддерживать остроту в течение долгого периода, проводящий элемент 104 предпочтительно выполнен из твердого, термостойкого материала, такого как быстрорежущая инструментальная сталь или стеллит 6 (ТМ), упомянутый в EP 1139021.
На одной из нижних составляющих обеспечивается, например на нижнем плоском элементе 108, последовательность отверстий 112, которые расположены так, чтобы сообщать вращательную составляющую потока жидкому топливу, протекающему через эти отверстия. Завихряющееся топливо поступает в полость, определенную линиями 110, протекает мимо проводящего элемента 104 и выходит через выпускное отверстие 114, выходя как капельки топлива. Попутно топливо приобретает электронный заряд, создаваемый применением подходящего высокого напряжения между проводящим элементом 104 и точкой опорного потенциала (например, землей). Так как плоские элементы 100 и 108 выполнены из металла, предполагается, что они будут также удерживаться в точке опорного потенциала, например земле.
Первое, более практическое устройство форсунки, соответствующее первому варианту осуществления, изображено на фиг.5. На фиг.5, которая представляет собой вид в перспективе форсунки, жидкое топливо впускается посредством каналов 120, обеспеченных в нижнем изоляционном слое. Эти каналы соответствуют каналам 20, изображенным на фиг.1 и 2, и, следовательно, сообщают большую тангенциальную и меньшую радиальную составляющую потока поступающему топливу. Завихряющееся топливо занимает сначала отверстие, образованное в верхнем изоляционном слое 106, далее поднимется в меньшее отверстие, образованное в верхнем изоляционном слое 102, проходя по пути острый край проводящего элемента 104. Заряжающее действие проводящего элемента так объясняется в связи с фиг.4А. В заключение, все еще завихряющееся топливо проходит через отверстия верхнего изоляционного слоя 102 и верхнего плоского элемента 100, которые приблизительно одинакового размера, и выходит из форсунки через выпускное отверстие 114, причем выходит как заряженные капельки.
Работа форсунки подробнее видна на фиг.6. Поступающее топливо заполняет наружный участок 122 отверстия нижнего изоляционного слоя, в то же время избегая внутреннего участка 124. Таким образом, наружный участок 122 составляет камеру закрутки, и участок 124 остается пустотой в форсунке. Это действие происходит в результате центробежной силы, приложенной к топливу вихревым движением. На схеме эта сила является такой, чтобы создать направление вращения 128 топлива. В результате тонкослойная пленка топлива 126 образуется около проводящего элемента 104, верхнего изоляционного слоя 102 и верхнего плоского элемента 100. Таким образом, топливо быстро заряжается по мере того, как поднимается мимо края проводящего элемента 104. Выходящее распыленное топливо можно увидеть как капельки 130.
Особенность конструкции и действия проводящего элемента 104 проиллюстрирована на фиг.7А и 7B. Фиг.7А соответствует фиг.6. Часть фиг.7А, выделенная прерывистым кругом, изображена подробнее на фиг.7B. На этой схеме поток электронов с острого края 140 изображен пунктирными линиями 142, и направление топлива, которое завихряется мимо острого края 140, изображено стрелкой 144. В данном случае предпочтительно, если острый край проводящего элемента 104 не выступает за верхний изоляционный слой 102, чтобы избежать вероятности турбулентности, создаваемой в этой области.
Проводящий элемент 104 имеет толщину, которая уменьшается, по существу, линейно между кольцом, образующим отверстие нижнего изоляционного слоя 106, и кольцом, образующим отверстие верхнего изоляционного слоя 102. Это способствует потоку жидкого топлива из камеры 122 закрутки в канал, образованный отверстиями верхнего изоляционного слоя 102 и верхнего плоского элемента 100.
Второй вариант осуществления форсунки в соответствии с изобретением проиллюстрирован на фиг.8А-8С. В этом варианте осуществления действие завихрителя создается аксиальным расположением пазов 150 для топлива. Эти пазы 150 образованы в нижнем плоском элементе 108. Фиг.8B представляет собой вид в разрезе через нижний плоский элемент вдоль линий VIIIb на фиг.8А и изображает угловую ориентацию пазов через нижний плоский элемент. Эта угловая ориентация находится в направлении приблизительно тангенциальном к мнимой окружности 152, проходящей через пазы 150, как изображено на фиг.8С. Таким образом, поступающее топливо принимает и аксиальную, и тангенциальную составляющие потока в камере закрутки. Действие является сходным с действием варианта радиального завихрителя фиг.5-7, за исключением того, что топливо ускоряется больше через форсунку из-за аксиальной составляющей потока.
Когда край 140 электрода 104 рассматривается как острый, это подразумевает "достаточно острый" для эффективного сообщения заряда капелькам топлива, так что они быстро покидают выпускное отверстие 114 форсунки. Исключительно в качестве примера считается, что этому требованию может отвечать край 140, имеющий внутренний угол около половины градуса и радиус не более чем около одного микрона, однако это не является показателями прочности и твердости.
Хотя предполагалось, что электрод 104 будет иметь косоугольный профиль на своем радиальном внутреннем крае, это не является абсолютно необходимым. Однако это предпочтительно, как упоминалось ранее, чтобы улучшить характеристики потока топлива по мере того, как оно проходит из впускных каналов в область отверстия электрода 104 и первого плоского слоя 102.
Чтобы гарантировать, что электроны, разряженные от проводящего элемента, могут надежно заряжать проходящее топливо, расчет оптимально берется из свойства электронов переходить в землю сквозь углеводородное топливо, которое обычно является электропроводящим. Это достигается обеспечением подходящей скорости потока жидкого топлива мимо проводящего элемента.
7
7
8
2
7
Подробные данные, как определить соответствующую скорость потока через форсунку, содержатся, например, в статье "Электростатическое распыление углеводородов" А.J.Kelly, журнал института энергии, июнь 1984, стр.312-320. Согласно данной статье большая часть промышленных углеводородов имеет силу электрического пробоя в области 2×10 В/м. Как только заряд введен в струю топлива заряжающим электродом, он застаивается в текучей среде. Впоследствии заряд подвергается действию потока текучей среды и электрических сил, которые действуют, чтобы притягивать заряд к отверстию электрода. Как упоминалось ранее, это отверстие электрода (плоский элемент 100 в настоящем изобретении) будет удерживаться с опорным потенциалом относительно потенциала на заряжающем электроде (электрод 104 в настоящем изобретении). Для промышленных кислородосодержащих углеводородов электрическая подвижность обычно находится в диапазоне 10ˉ-10‾ м/В·с. (Электрическая подвижность - это соотношение предельной скорости, при которой частица ускоряется при наличии электрического поля, к величине этого поля.) Следовательно, для максимального электрического поля 2×10‾ В/м подвижность заряда будет приблизительно 2 м/с. Это означает, что текучая среда должна идеально прорываться через форсунку со скоростью >2 м/с, чтобы надежно удерживать заряд и обеспечивать хорошее распыление.
7
7
7
8
2
Следовало бы отметить, что диэлектрическая постоянная (сила электрического пробоя) для биотоплива приблизительно на 50% выше, чем для стандартного топлива. Следовательно, если большая часть промышленного топлива имеет диэлектрическую постоянную 2×10 В/м, как упоминалось выше, тогда большая часть биотоплива будет иметь диэлектрическую постоянную около 3×10 В/м. Так как допускается, что электрическая подвижность для биотоплива приблизительно такая же, как и для стандартного топлива, т.е. приблизительно 10‾-10‾ м/В·с, тогда скорость потока через форсунку ~3 м/с была бы необходимой, если бы поддерживалась такая же эффективность зарядки.
7
Аналогичным образом, если применялось бы силиконовое масло как топливо, проходящее через форсунку, оно имело бы диэлектрическую постоянную около 1,5×10 В/м. Кроме того, полагая, что электрическая подвижность у биотоплива того же порядка, как и у стандартного топлива, скорость потока через форсунку 1,5 м/с была бы подходящей.