СМЕСИТЕЛЬ-ИСПАРИТЕЛЬ ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ СИСТЕМ ГАЗОТУРБОВОЗОВ
EVAPORATING MIXER FOR GAS-TURBINE LOCOMOTIVE FUEL SYSTEMS

Изобретение относится к устройствам смешивания газообразных и жидких, в том числе криогенных, компонентов газового топлива, испарения жидкого топлива, регулирования температуры смеси для получения однородной газовой смеси в топливной системе газотурбинных установок газотурбовозов.
Известна конструкция смесителя для получения однородной топливовоздушной смеси, в которой используется аксиальный лопаточный завихритель, подвижный конфузорно-диффузорный насадок и конусный стабилизатор горения (RU, патент №2182283 C1, МПК F23C 11/00, F23D 11/40, 2002 г.).
Недостатком конструкции является ее сложность, связанная с подвижностью одного из элементов, а также подача жидкого компонента топлива в ограниченную по размерам центральную зону смесителя, а части воздуха - в пристеночный канал, что затрудняет тепломассообмен и формирование однородной смеси. Конструкция не предусматривает подогрева смеси.
Известна конструкция газожидкостного смесителя, включающая корпус с поперечными диафрагмами, трубопровод для подачи газа с соплом, которое расположено в корпусе центрально, диафрагмы с центральными щелевыми отверстиями, расположенные в дополнительном перемещающемся в продольном направлении корпусе после сопла подачи газа по направлению потока среды. Щелевые отверстия каждой диафрагмы смещены на незначительный угол относительно друг друга для интенсификации перемешивания газожидкостной смеси в процессе прохождения через последовательно установленные диафрагмы (RU, патент №2336940 C1, МПК B01F 5/06, 2008 г.).
Недостатком данной конструкции является ее усложненность дополнительным подвижным корпусом и применением нескольких диафрагм, что увеличивает также длину смесителя; центральное положение сопла подачи газа в корпусе приводит к неравномерности распределения компонентов смеси перед первой диафрагмой. Конструкция не предусматривает подогрева и охлаждения смеси.
Известна конструкция смесителя, содержащая патрубок инжектируемой среды и нагнетательный патрубок, сопло нагнетательного патрубка смесителя выполнено с винтовой нарезкой и снабжено диффузором, а сопла обоих патрубков установлены с возможностью осевого перемещения (RU, патент №2040322 C1, МПК B01F 5/00, B01F 5/04, 1995 г.).
Недостатком смесителя является сложность его конструкции из-за необходимости осевого перемещения двух патрубков, применения привода для их перемещения. Конструкция не предусматривает подогрева и охлаждения смеси.
Техническим результатом изобретения является равномерное перемешивание поступающих в смеситель-испаритель газовой и жидкой фаз газового топлива, испарение жидкого топлива, подогрев смеси и получение однородной по составу и температуре смеси без применения в конструкции подвижных элементов для обеспечения надежности газовой аппаратуры топливной системы газотурбовозов.
Указанный технический результат достигается тем, что в смесителе-испарителе для топливных систем газотурбовозов, содержащем цилиндрический корпус с отверстиями для подвода газового топлива в газовой и жидкой фазах и отвода газового топлива, напорную камеру и смесительную камеру, корпус смесителя-испарителя снабжен электронагревателем, расположенным на наружной поверхности корпуса, между напорной камерой и смесительной камерой установлен распределитель потоков жидкого газа, снабженный сквозными отверстиями, сообщающими напорную камеру и смесительную камеру, и круговой канавкой, выполненной на внешней цилиндрической поверхности распределителя потоков и сообщенной с топливопроводом криогенного жидкого газа, в распределителе потоков выполнены каналы для прохода жидкого газового топлива, сообщенные с круговой канавкой и отверстиями, выходящими в напорную камеру, причем отверстия, сообщающие каналы для прохода жидкого газового топлива с напорной камерой, размещены по окружности распределителя потоков и не менее чем в двух диаметральных плоскостях, в смесительной камере размещены нагревательные элементы, контактирующие с корпусом смесителя-испарителя.
Сквозные отверстия в распределителе потоков для прохода газа могут быть снабжены вставками-завихрителями потока для турбулизации движения газа в смесительной камере.
На фиг.1 представлен общий вид смесителя-испарителя для топливных систем газотурбовозов - продольный разрез.
На фиг.2 представлен поперечный разрез А-А фиг.1 смесителя-испарителя - вид со стороны напорной камеры.
Смеситель-испаритель для топливных систем газотурбовозов (фиг.1, 2) содержит цилиндрический корпус 1 с отверстием 2 для подвода газового топлива в газовой фазе, напорную камеру 3, распределитель потоков 4, смесительную камеру 5 с размещенным в ней нагревателем 6, отверстие 7 для отвода готовой смеси, топливопровод 8 подвода газового топлива в жидкой фазе. Распределитель потоков 4 установлен внутри корпуса 1, зафиксирован от перемещений, разделяет напорную камеру 3 и смесительную камеру 5 и имеет сквозные отверстия 9, которые сообщают между собой напорную камеру 3 и смесительную камеру 5. В распределителе потоков 4 выполнены также круговая канавка 10 на внешней цилиндрической поверхности и каналы 11 для прохода жидкого газового топлива, которые сообщаются с круговой канавкой 10 и отверстиями 12, выходящими в напорную камеру 3. Подводящий топливопровод 8 жидкого криогенного газа прикреплен к корпусу 1 смесителя-испарителя в месте расположения распределителя потоков 4 так, что полость топливопровода 8 сообщена с полостью круговой канавки 10 через отверстие 13 в стенке корпуса 1 смесителя-испарителя. Выполненные в распределителе потоков 4 отверстия 12, сообщающие каналы 11 для прохода жидкого газового топлива с напорной камерой 3, размещены по окружности распределителя потоков 4 не менее чем в двух диаметральных плоскостях, чем обеспечивается пространственное чередование потоков газа, проходящих через отверстия 9, и жидкости, поступающей в напорную камеру 3 через отверстия 12, увеличение поверхностей контактирования газового и жидкого компонентов смеси, их перемешивание и теплообмен между ними; сквозные отверстия 9 в распределителе потоков 4 могут быть снабжены вставками-завихрителями потока (на фиг. не показаны) для турбулизации движения газа в смесительной камере. Внутри смесительной камеры 5 размещены нагревательные элементы 14, контактирующие с корпусом 1 смесителя-испарителя, который снабжен электронагревателем 15, расположенным на наружной поверхности корпуса 1 смесителя-испарителя.
Смеситель-испаритель для топливных систем газотурбовозов работает следующим образом.
В режиме подогрева газового топлива одновременно с запуском холодного газотурбинного двигателя на электронагреватель 15 подается электрическое напряжение и осуществляется нагрев корпуса 1 смесителя-испарителя и контактирующих с ним нагревательных элементов 14. Газ, поступающий в корпус 1 смесителя-испарителя через отверстие 2, при прохождении через напорную 3 и смесительную 5 камеры и далее через нагревательные элементы 14 подогревается до требуемой температуры и поступает в газопровод через отверстие 7. В режиме подогрева топлива подача жидкой фазы газового топлива в смеситель-испаритель по топливопроводу 8 не осуществляется.
При работе газотурбинного двигателя газотурбовоза под нагрузкой температура газа, поступающего в корпус 1 смесителя-испарителя через отверстие 2 от газового нагревателя газотурбовоза, повышается, что отрицательно сказывается на работе газовой аппаратуры, смеситель-испаритель работает в режиме охлаждения газового топлива, электрическое напряжение на электронагреватель 15 не подается.
Для понижения температуры газа через топливопровод 8 к корпусу 1 смесителя-испарителя подводят под давлением жидкое криогенное топливо, которое из топливопровода 8 поступает через отверстие 13 в круговую канавку 10 распределителя потоков 4, далее в каналы 11 распределителя потоков 4 и через отверстия 12 подается в напорную камеру 3. Благодаря тому, что отверстия 12 для подачи газа в жидкой фазе в напорную камеру 3 распределены по всему поперечному сечению корпуса 1 смесителя-испарителя, обеспечивается полное перемешивание горячего газа, поступающего через отверстие 2, с жидким криогенным газом, поступающего через отверстия 12. В результате перемешивания и теплообмена в камерах 3 и 5 жидкое топливо испаряется и температура газовой смеси понижается. Через камеру смешения 5 и отверстие 7 в топливную систему газотурбинного двигателя газотурбовоза поступает газовое топливо с пониженной температурой. Управление подачей жидкого топлива и электронагревателем осуществляется системой управления газотурбовоза. Установкой в отверстиях 9 распределителя потоков 4 завихрителей воздуха могут быть повышены турбулентность движения газа в смесительной камере 5 и интенсивность испарения криогенного газа. В результате достигаются равномерное перемешивание компонентов газового топлива, испарение жидкой фазы, регулирование температуры газовой смеси и повышение надежности газовой аппаратуры топливной системы газотурбовозов.