Акустическая форсунка
ACOUSTIC ATOMIZER

Изобретение относится к области энергетики и может использоваться для высококачественного распыливания жидкого топлива.
Насущной проблемой при создании энергетических установок и двигателей различных классов является реализация высококачественного распыливания жидкого горючего. В энергетических установках и двигателях помимо жидкого горючего используются газообразные компоненты, которые могут выступать в качестве дополнительного горючего (метан, пропан и др.), окислителя (воздух, кислород, закись азота) или вспомогательного рабочего тела (азот, аргон и др.).
Известны работы, в которых приведены результаты исследования возможности воздействия пульсаций давления в газообразной среде, в которую происходит впрыск жидкости, для интенсификации распыливания жидкости (Арефьев К.Ю., Воронецкий А.В., Сучков С.А. «Расчетное исследование особенностей дробления и испарения капель в газодинамических течениях с циклическими ударными волнами». Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. №10. стр. 17-30).
Для диспергирования жидкостей с помощью ударных волн, представляющих собой акустические колебания высокой интенсивности, используются пневматические устройства, в которых происходит эффективное преобразование кинетической энергии потока в энергию пульсаций давления газа в полузакрытых полостях или каналах, из которых происходит излучение пульсаций давления в окружающее пространство с большой амплитудой и высокой частотой, позволяющих преодолевать силы поверхностного натяжения жидкости.
Известна акустическая форсунка для распыливания жидкости, содержащая цилиндрический полый корпус с каналом подвода газа и соплом, расположенным в торцевой части корпуса и сообщенным своей сужающейся частью с полостью корпуса, шток с осевым каналом подачи жидкости, концентрично установленный в полости корпуса, и объемный акустический резонатор, закрепленный на конце полого корпуса, расположенный на выходе сопла и имеющий внутреннюю полость, открытую в сторону выхода сопла (патент РФ №2340409).
В известной акустической форсунке акустический резонатор жестко связан с корпусом форсунки, а канал подачи жидкости расположен напротив внутренней полости акустического резонатора.
Недостатком этой форсунки является низкая интенсивность распыливания ввиду соосной подачи жидкости и воздуха, а также отсутствие возможности регулирования положения резонатора относительно оси сопла. Кроме того, в некоторых случаях существует вероятность заполнения жидкостью резонатора, что может привести к снижению интенсивности акустических колебаний и ухудшению качества распыливания.
Известна также акустическая форсунка для распыливания жидкого топлива, содержащая цилиндрический полый корпус с каналами подвода газа и топлива, соплом, расположенным в торцевой части корпуса и сообщенным своей сужающейся частью с полостью корпуса, шток, концентрично установленный в полости корпуса, и объемный акустический резонатор, закрепленный на конце штока, расположенном на выходе сопла, и имеющий кольцевую внутреннюю полость, открытую в сторону выхода сопла (патент США №4103827).
В известной форсунке акустический резонатор может перемещаться вдоль штока, при этом изменяется расстояние от выходного сечения сужающегося конического сопла второго корпуса до открытого входного сечения полости отражающего устройства. В торцевой части корпуса акустического резонатора расположен винт, позволяющий фиксировать его положение на штоке. На внешней поверхности части корпуса форсунки, охватывающей сужающееся коническое сопло, расположено подвижное кольцо с фиксатором. Перемещение кольца вдоль поверхности корпуса позволяет изменять расстояние между выходным сечением сужающегося конического сопла и передним сечением подвижного кольца.
Недостатки данной конструкции состоят в том, что за минимальным сечением сопла отсутствует расширяющаяся коническая часть, позволяющая обеспечить разгон вытекающего потока до сверхзвуковой скорости. Это приводит к снижению амплитуды колебаний давления в полости акустического резонатора при натекании на нее потока смеси. Уменьшение амплитуды колебаний снижает интенсивность распыла жидкости. В известной форсунке отсутствует возможность в процессе работы автоматически регулировать расстояние между резонатором и выходным сечением сопла в зависимости от режимов работы.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является акустическая форсунка для распыливания жидкого топлива, содержащая цилиндрический полый корпус с каналом подвода газа и сверхзвуковым соплом, расположенным в торцевой части корпуса и сообщенным своей сужающейся частью с полостью корпуса, шток с осевым топливным каналом, концентрично установленный в полости корпуса с возможностью осевого перемещения относительно корпуса и имеющий радиальные топливоподающие каналы, и объемный акустический резонатор, закрепленный на конце штока, расположенном на выходе сверхзвукового сопла, и имеющий кольцевую внутреннюю полость, открытую в сторону выхода сверхзвукового сопла (патент США №3667679).
В известной форсунке шток с акустическим резонатором закреплен в корпусе неподвижно. Недостатком известной акустической форсунки является то, что в процессе ее работы положение акустического резонатора относительно сверхзвукового сопла не может быть изменено. При изменении параметров подаваемых сред - топлива и газа, например, при работе двигателя на частичных нагрузках, амплитуда колебаний давления в полости акустического резонатора будет уменьшаться, и как следствие, будет снижаться интенсивность распыливания жидкого топлива. При этом возрастает вероятность заполнения жидким топливом полости акустического резонатора, что приведет к дальнейшему снижению интенсивности акустических колебаний и ухудшению качества распыливания.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается изобретением, заключается в интенсификации распыливания жидкого топлива на всех режимах работы акустической форсунки.
Техническим результатом изобретения является увеличение амплитуды колебаний давления, генерируемых акустическим резонатором на частичных режимах работы акустической форсунки путем автоматического регулирования его положения относительно выходного сечения сверхзвукового сопла, исключение возможности заполнения резонатора жидким топливом.
Технический результат достигается за счет того, что акустическая форсунка для распыливания жидкого топлива содержит цилиндрический полый корпус с каналом подвода газа и сверхзвуковым соплом, расположенным в торцевой части корпуса и сообщенным своей сужающейся частью с полостью корпуса, шток с осевым топливным каналом, концентрично установленный в полости корпуса с возможностью осевого перемещения относительно корпуса и имеющий радиальные топливоподающие каналы, и объемный акустический резонатор, закрепленный на конце штока, расположенном на выходе сверхзвукового сопла, и имеющий кольцевую внутреннюю полость, открытую в сторону выхода сверхзвукового сопла, причем часть кольцевой внутренней полости акустического резонатора, обращенная в сторону выхода сверхзвукового сопла, выполнена конфузорной, в торцевой стенке резонатора выполнено калиброванное отверстие для сообщения его внутренней полости с внешней средой, шток снабжен пневматическим сервоприводом, пневмоцилиндр которого неподвижно установлен в полости корпуса концентрично штоку, а поршень, расположенный в пневмоцилиндре, жестко закреплен на штоке и подпружинен со стороны сверхзвукового сопла, причем управляющая полость пневмоцилиндра сообщена с полостью корпуса форсунки, а противоположная ей полость пневмоцилиндра герметизирована по отношению к полости корпуса и сообщена с дренажным каналом.
отн
Акустическая форсунка может быть выполнена так, что отношение диаметра D входного сечения конфузорной части внутренней полости резонатора к диаметру d критического сечения сверхзвукового сопла находится в пределах от 1,2 до 1,4, отношение общей длины S внутренней полости резонатора к диаметру d критического сечения сверхзвукового сопла находится в пределах от 5,0 до 12,0, а относительная длина Н конфузорной части внутренней полости резонатора находится в пределах от 0,4 до 0,6.
Существенность отличительных признаков акустической форсунки подтверждается тем, что только совокупность всех конструктивных признаков, описывающая изобретение, позволяет обеспечить достижение технического результата изобретения - увеличение амплитуды колебаний давления акустического резонатора на частичных режимах работы акустической форсунки путем автоматического регулирования его положения относительно выходного сечения сверхзвукового сопла и исключение возможности заполнения резонатора жидким топливом.
Пример реализации изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображен продольный разрез акустической форсунки для распыливания жидкого топлива;
на фиг. 2 - сечение А-А, фиг. 1;
отн
отн
на фиг. 3 представлен график зависимости значений ΔР от отношения S/d для двух значений Н.
Акустическая форсунка для распыливания жидкого топлива (фиг. 1) содержит цилиндрический полый корпус 1 с каналом 2 подвода газа и сверхзвуковым соплом 3, расположенным в торцевой части корпуса 1 и сообщенным своей сужающейся частью 4 с полостью 5 корпуса 1. Шток 6 с осевым топливным каналом 7 концентрично установлен в полости 5 корпуса 1 с возможностью осевого перемещения относительно корпуса 1 и имеет радиальные топливоподающие каналы 8.
Объемный акустический резонатор 9 закреплен на конце штока 6, расположенном на выходе сверхзвукового сопла 3, и имеет кольцевую внутреннюю полость 10, открытую в сторону выходного сечения 11 сверхзвукового сопла 3. Часть 12 кольцевой внутренней полости 10 акустического резонатора 9, обращенная в сторону выхода сверхзвукового сопла 3, выполнена конфузорной, а в торцевой стенке 13 резонатора 9 выполнено калиброванное отверстие 14 для сообщения его внутренней полости 10 с внешней средой.
отн
Размеры объемного акустического резонатора 9 подбираются в зависимости от размеров сверхзвукового сопла 3 и из условий обеспечения оптимальных значений частоты ультразвуковых колебаний и амплитуды звукового давления. Отношение диаметра D входного сечения конфузорной части 12 кольцевой внутренней полости 10 акустического резонатора 9 к диаметру d критического сечения 15 сверхзвукового сопла 3 находится в пределах от 1,2 до 1,4. Отношение общей длины S кольцевой внутренней полости 10 акустического резонатора 9 к диаметру d критического сечения 15 сверхзвукового сопла 3 находится в пределах от 5,0 до 12,0, а длина Н конфузорной части 12, отнесенная к общей длине S кольцевой внутренней полости 10 акустического резонатора 9, т.е. относительная длина Н конфузорной части 12 находится в пределах от 0,4 до 0,6.
Шток 6 снабжен пневматическим сервоприводом 16, пневмоцилиндр 17 которого неподвижно установлен в полости 5 корпуса 1 концентрично штоку 6, а поршень 18, расположенный в пневмоцилиндре 17, жестко закреплен на штоке 6 и подпружинен со стороны сверхзвукового сопла 3 упругим элементом 19, причем управляющая полость 20 пневмоцилиндра 17 сообщена с полостью 5 корпуса 1 форсунки, а противоположная ей пружинная полость 21 пневмоцилиндра 17 герметизирована уплотнениями 22 по отношению к полости 5 и сообщена с дренажным каналом 23 (фиг. 2).
Работа акустической форсунки для распыливания жидкого топлива осуществляется следующим образом. Газообразное рабочее тело через канал 2 подвода газа подается в полость 5 корпуса 1 и, проходя через сверхзвуковое сопло 3, разгоняется до сверхзвуковой скорости. Сверхзвуковой поток газообразного рабочего тела взаимодействует с поверхностью кольцевой внутренней полости 10 акустического резонатора 9, в котором возбуждаются интенсивные колебания звукового давления, распространяющиеся в пространство между соплом 3 и акустическим резонатором 9.
При этом положение подвижного центрального штока 6 и, соответственно, акустического резонатора 9, определяется равновесием сил на поршень 18 от давления газа в управляющей полости 20 пневмоцилиндра 17 и силы реакции упругого элемента 19, а также прочих сил, действующих на шток 6 и акустический резонатор 9. При повышении давления газообразного рабочего тела расстояние между соплом 3 и резонатором 9 увеличивается, при понижении давления это расстояние уменьшается. Жесткость упругого элемента 19 подбирается таким образом, чтобы обеспечивать положение акустического резонатора 9 относительно сверхзвукового сопла 3, близкое к оптимальному в широком диапазоне давлений газа.
Жидкое топливо по осевому топливному каналу 7 подводится к радиальным топливоподающим каналам 8, через которые оно подается в пространство между сверхзвуковым соплом 3 и акустическим резонатором 9. Интенсивные по частоте и звуковому давлению колебания газа в этом пространстве обеспечивают интенсивное газодинамическое дробление жидкого топлива и качественное, мелкодисперсное распыливание.
На режимах максимальной подачи жидкого топлива сервопривод 16 устанавливает акустический резонатор 9 в положение наибольшего удаления от выходного сечения сверхзвукового сопла 3, при этом основной процесс генерации колебаний происходит в конфузорной части 12 кольцевой внутренней полости 10 резонатора 9. Выполнение этой части кольцевой внутренней полости 10 конфузорной также уменьшает потери на вязкое трение и вихреобразование при создании колебаний в акустическом резонаторе 9.
При уменьшении давления подачи газообразного компонента в цилиндрический полый корпус 1 шток 6 под действием упругого элемента 19 смещается в сторону выходного сечения сверхзвукового сопла 3. При этом расстояние L между выходным сечением сверхзвукового сопла 3 и входным сечением в конфузорную часть 12 полости резонатора уменьшается. Максимальные по значению амплитуды колебания при таком положении акустического резонатора 9 относительно выходного сечения сверхзвукового сопла 3 генерируются в цилиндрической части кольцевой внутренней полости 10 акустического резонатора 9.
отн
отн
Конструктивным параметром, определяющим в конечном счете максимальную величину амплитуды колебаний, которые генерируются при работе акустической форсунки, является относительная длина Н конфузорной части 12, т.е. абсолютная величина длины Н конфузорной части 12, отнесенная к общей длине S кольцевой внутренней полости 10. Расчеты, проведенные с использованием программы Fluent, входящей в пакет Ansys (User's manual on website 'Software products and services from ANSYS and Fluent), показали, что значение амплитуды ΔР колебаний давления акустического резонатора 9, отнесенное к давлению подачи газа Рвх в корпус 1 форсунки, т.е. значение относительной амплитуды ΔР возбуждаемых колебаний, функционально зависит от диаметра критического сечения d сверхзвукового сопла 3 и расстояния L между выходным сечением сверхзвукового сопла 3 и входным сечением конфузорной части 12 кольцевой внутренней полости 10 акустического резонатора 9 и может быть определено из следующего соотношения:
отн
ΔР=1/k(L/d), где
k - коэффициент пропорциональности, зависящий от рабочих параметров, находящийся в пределах от 0,003 до 0,01.
отн
отн
При этом максимальные значения относительной амплитуды ΔР колебаний давления, излучаемого во внешнее пространство, для разных значений давления подачи газа Рвх достигаются при величине относительной длины Н=H/S в пределах от 0,4 до 0,6 (фиг. 3).
отн
При полученных расчетных значениях максимальной относительной амплитуды колебаний ΔР, максимальных для разных значений давления подачи газа Рвх, обеспечивается распыливание жидкого топлива с диаметром капель от 35 до 45 мкм.
Таким образом, автоматическое регулирование положения акустического резонатора относительно выходного сечения сверхзвукового сопла и исключение возможности заполнения резонатора жидким топливом позволяет увеличить амплитуду колебаний давления на частичных режимах работы акустической форсунки и обеспечивает качественное распыливание жидкого топлива на всех режимах работы акустической форсунки.