Устройство для поджига жидкого топлива

Предлагаемая полезная модель относится к области устройств поджига авиационного топлива и энергетики и может быть использована для поджига 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 является 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.
Также известен аналог предлагаемого «Установка для смешения и поджига композитного топлива» (Патент на полезную модель №144951 от 31.07.2014).
В качестве прототипа - наиболее близкого к предлагаемому решению, выбрано «Устройство для распыления и поджига жидкого топлива» (Патент на полезную модель №169823 от 03.04.2017 г.), содержащее камеру подготовки жидкого топлива и формирователь струи с форсункой, которая формирует струю жидкого топлива, направляемую в пространство между закрепленными в держателях высоковольтными электродами, на которые поступает напряжение с генератора высоковольтных высокочастотных импульсов, при этом электроды расположены по обе стороны струи компланарно с осью струи, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом электроды расположены под прямым углом к оси струи жидкого топлива и выполнены в виде встречно направленных полюсных наконечников, а форсунка направляет струю жидкого топлива горизонтально.
Недостаток прототипа состоит в том, что при больших расходах топлива и горючего, имеющихся в образцах летательной техники с использованием ПВРД и ГПВРД, локальный поджиг сверхзвуковой струи топлива активизируется стохастически и неоднородно в межэлектродном пространстве, что приводит к увеличению запаздывания поджига и снижению полноты сгорания.
Технический результат заявленного устройства состоит в повышении эффективности сжигания струи распыленного топлива в высоковольтном разряде - в снижении запаздывания поджига и увеличении полноты сгорания, а также в повышении надежности устройства.
Для устранения указанных недостатков и реализации требуемого технического предлагается устройство для поджига жидкого топлива, содержащее камеру подготовки жидкого топлива и формирователь струи с форсункой, которая формирует струю жидкого топлива, направляемую в пространство между закрепленными в держателях высоковольтными электродами, на которые поступает напряжение с генератора высоковольтных высокочастотных импульсов, при этом электроды расположены по обе стороны струи компланарно с осью струи, что совпадает с существенными признаками предлагаемого.
При этом струя газожидкостного топлива направлена вверх, электроды расположены под острым углом к оси струи жидкого топлива.
Кроме того, электроды выполнены в виде стержней треугольного сечения, а угол между электродами и осью струи выбирают в диапазоне от 1° до 30°.
Кроме того, держатели электродов расположены на удаленном от форсунки конце электродов.
Кроме того, на держатели электродов наложены механические колебания в диапазоне от 0.1 кГц до 15 кГц.
Кроме того, фазы колебаний держателей электродов противоположны друг другу.
Сущность изобретения поясняется чертежом фиг. 1, на котором представлено устройство для поджига жидкого топлива по п. 1 формулы, где использованы обозначения:
1 - камера подготовки жидкого топлива, 2 - формирователь струи с форсункой, 3 - струя жидкого топлива, 4 - держатель высоковольтных электродов, 5 - высоковольтный электрод, 6 - генератор высоковольтных высокочастотных импульсов.
Установка для поджига жидкого топлива работает следующим образом.
Жидкое топливо (например, керосин или эмульсия керосина с водой) готовится в камере 1 и формирует в форсунке 2 струю 3, образованную пузырьковой топливно-воздушной смесью или пузырьковой смесью эмульсии топлива и воды с воздухом. Эта струя подается в пространство между закрепленными в держателях 4 высоковольтными электродами 5. Указанное пространство выполняет функцию разрядного промежутка, в котором имеются два электрода 5, на которые поступает напряжение с генератора высоковольтных высокочастотных импульсов 6. При этом струя 3 поджигается разрядом резонансного типа, выбран не меньшим ее длины. Указанная конструкция расположения электродов 5 имеет вид известной «лесенки Джекоба», характеризующейся тем, что разряд скользит вдоль нее от узкого промежутка к широкому. Следует напомнить, что в прототипе разряд формировался по случайной траектории между встречно направленными полюсными наконечниками. Эта траектория реализовалась на участке с минимальным сопротивлением и зависела от локального распределения плотности ионизации, температуры, микрообъемов горючего. В отличие от прототипа с точечным полюсным наконечником в предлагаемом устройстве полюсный наконечник линейный - вдоль расположенных напротив друг друга граней электродов 5. Разряд зажигается внизу электродов - в области минимального расстояния между электродами, затем под действием тепловой конвекции перемещается в межэлектродном пространстве вдоль электродов 5 снизу вверх. Это обеспечивает более равномерное распределение разрядных треков в объеме поджигаемой струи 3. При этом открывается новая возможность управления процессом поджига за счет изменения геометрии системы электродов 5 (длина электродов и угол между ними), в дополнение к имевшимся ранее мерам - изменение частоты и амплитуды разрядных импульсов. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает максимально эффективный поджиг струи 3 жидкого топлива, снижает длину факела пламени за счет снижения задержки поджига. Это, в конечном итоге, обеспечивает минимизацию размеров камеры сгорания, повышает полноту сгорания, экономит затраты энергии при повышении мощности двигателя.
Покажем, что технический результат обеспечивается за счет существенных признаков предлагаемого.
То, что устройство для поджига жидкого топлива содержит камеру подготовки жидкого топлива и формирователь струи с форсункой, которая формирует струю жидкого топлива, направляемую в пространство между закрепленными в держателях высоковольтными электродами, на которые поступает напряжение с генератора высоковольтных высокочастотных импульсов, струя газожидкостного топлива направлена вверх, а электроды расположены по обе стороны струи компланарно с осью струи под острым углом к оси струи жидкого топлива, обеспечивает управление процессом поджига за счет изменения геометрии системы электродов (длина электродов и угол между ними). При этом обеспечивается максимально эффективный поджиг струи жидкого топлива, снижается длина факела пламени за счет снижения задержки поджига. Это, в конечном итоге, обеспечивает минимизацию размеров камеры сгорания, повышает полноту сгорания, экономит затраты энергии при повышении мощности двигателя.
То, что в устройстве для поджига жидкого топлива электроды выполнены в виде стержней треугольного сечения, а угол между электродами и осью струи выбирают в диапазоне от 1° до 30°, позволяет облегчить пробой межэлектродного промежутка за счет острых кромок электродов при сохранении их механической прочности, а также обеспечить оптимальные условия поджига во всем объеме струи топлива за счет выбора оптимального угла между электродами и осью струи.
То, что в устройстве для поджига жидкого топлива держатели электродов расположены на удаленном от форсунки конце электродов, облегчает рабочий режим эксплуатации материала держателей, выводя их из высокотемпературной зоны разряда. Этим повышается надежность устройства.
То, что в устройстве для поджига жидкого топлива на держатели электродов наложены механические колебания в диапазоне от 0.1 кГц до 15 кГц, облегчает начальный пробой межэлектродного промежутка и повышает полноту сгорания топлива.
То, что в устройстве для поджига жидкого топлива фазы колебаний держателей электродов противоположны друг другу, уменьшает вибрационное воздействие колебаний электродов на общую платформу, что повышает надежность устройства.
Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность предлагаемого устройства.