ФОРСУНКА
NOZZLE

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в наземных, авиационных, авиационно-космических и космических энергетических установках (ЭУ) многоразового использования (ЭУМИ) на жидких углеводородных горючих (УВГ) и охладителях (УВО) [1-14].
Известно, что одним из недостатков практически всех горелочных устройств и форсунок является возникновение процесса осадкообразования в виде твердого кокса, который появляется на поверхности форсуночных фильтров и внутренних стенках топливоподающих каналов [1, 3, 4-10, 14]. Это приводит к различным негативным процессам: к частичной или полной потере тяги; к струйному нерасчетному распылу и локальному перегреву и прогару жаровой трубы; к самопроизвольному повышению температуры стенки; к образованию течи УВГ (УВО); к возникновению пожара и взрыва ЭУМИ всего летательного аппарата (ЛА), космического летательного аппарата (КЛА) и какой-либо наземной установки.
Процесс осадкообразования не зависит от степени гравитации, т.е. происходит как в земных, так и в космических условиях. Поэтому необходимо вести борьбу с этим негативным и опасным процессом уже на стадии проектирования ЭУМИ и других техносистем различного назначения и базирования [6].
Процесс удаления твердых углеродистых отложений является малоэффективным, экологически вредным, технологически трудным и экономически невыгодным из-за некачественной промывки и больших проблем по утилизации агрессивных жидкостей, ремонта со снятием ЭУМИ и отправкой на завод, простоя ЛА и др. [6, 14].
Способы (методы) предотвращения осадкообразования значительно выгоднее, кроме того, при этом повышаются безопасность, надежность, экологичность и ресурс безаварийной эксплуатации ЭУМИ различного назначения и базирования. Одним из способов предотвращения осадкообразования является обеспечение нагрева стенок деталей топливно-охлаждающих систем (и жидкого УВГ) до температуры менее 373 К, т.к. при этих условиях этот негативный процесс не происходит, что подтверждено экспериментальными исследованиями [6, 9, 10, 14].
На основе анализа работы ВРД типа НК-8-2У, применяемого в самолетах Ту-154 и в других авиационных и наземных ЭУМИ (например, для разогрева и добычи битумных нефтей), известно [2, 6], что штатные форсунки имеют максимально-допустимый ресурс около 900 циклов, т.е. полностью закоксовываются и выходят из строя. За один цикл уже необходимо считать «запуск-останов» ЭУМИ (даже без фазы полета ЛА или времени наработки наземной техносистемы). Установлено, что осадкообразованию, в первую очередь, подвергается форсуночный сетчатый фильтр, который в ходе работы ЭУМИ нагревается до температур более 473 К, что приводит к быстрому выходу его из строя из-за полного закоксования твердым углеродистым осадком.
Задачей изобретения является повышение надежности и ресурса форсунки путем защиты форсуночного сетчатого фильтра от негативного процесса осадкообразования конструктивным перемещением его из цилиндрического корпуса форсунки в область топливо-подающего отверстия, где температура практически не превышает 373К.
За прототип-аналог принята штатная форсунка газотурбинного двигателя (ГТД) марки НК-8-2У [2], т.к. в ней через определенное число циклов работы полностью закоксовывается топливный сетчатый фильтр.
Данная задача может быть решена следующими мероприятиями:
1) форсуночный топливный фильтр выносится из цилиндрического корпуса форсунки и размещается в зоне пониженных температур нагрева - над входящим топливным отверстием форсунки, что позволяет избежать негативного процесса осадкообразования на стенках данного фильтра;
2) сразу два топливных фильтра размещаются в зоне двух входных топливных отверстий форсунки;
3) крепежные контакты фильтров выполняются из теплоизоляционных и герметичных материалов;
4) обеспечивается заменяемость закоксованных фильтров на новые в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах по команде датчиков прямого контроля за осадкообразованием светового типа;
5) запасные топливные фильтры размещаются в специальных передвижных кассетах плоского или револьверного типов.
На фиг.1 изображена штатная форсунка ГТД марки НК-8-2У [2, 6, 14], состоящая из корпуса 1 с двумя отверстиями для подвода топлива 2, 8, выполненного за одно целое с лопатками завихрителя 4 и смесительной втулкой 5, центробежного распылителя 6, топливного сетчатого фильтра 3, гайки 10 для крепления к плите и уплотнительных колец 7, 9.
На фиг.2 изображена новая форсунка, где показано расположение двух топливных сетчатых фильтров 3, 16, закрепленных в топливно-подающих каналах 11, 14 с использованием уплотнительных колец 12, 13, 15, 17 из теплоизоляционных и герметичных материалов, с обеспечением контроля за осадкообразованием путем расположения датчиков прямого контроля светового типа 18, 19, 20, 21 в топливно-подающих каналах 11, 14.
Для повышения эффективности работы новой форсунки предлагается создать сменные форсуночные фильтры, размещенные в специальных кассетах плоского или револьверного типов с возможностью замены закоксованных фильтров на новые путем их перемещения внутри кассет вручную, полуавтоматически или автоматически по сигналу от датчиков прямого контроля негативного процесса осадкообразования. Эти датчики необходимо включать перед запуском ЭУМИ. Если отверстия стенок сетчатого фильтра не закупорены и не закрыты твердым углеродистым осадком, то контрольный световой луч будет беспрепятственно проходить сквозь цилиндрический сетчатый корпус фильтра. Если в ходе эксплуатации фильтр окажется частично засорен (забит, закоксован), то световой луч на светоприемнике (сигнал) будет слабее. При полном засорении световой луч не сможет достичь светоприемника, т.е. сигнал будет отсутствовать, а этот факт будет являться командой на замену закоксованного фильтра (в ручном, полуавтоматическом или автоматическом режимах). Конструктивно предусматривается, что штатные фильтры 3 и 16 (см. фиг.2) располагаются так, чтобы обеспечивались необходимые условия подачи и фильтрации жидкого УВГ (УВО).
Такая форсунка будет являться более эффективной, надежной и экономичной по сравнению со штатной, т.к. в ней будут сохранены и использованы практически все предыдущие ее размеры и детали (включая штатный фильтр) и рабочие параметры (давление, скорость потока жидкого УВГ, качество распыла и т.д.). А самое главное форсуночный фильтр (или фильтры) будет надежно защищен от негативного процесса осадкообразования, что позволит значительно увеличить ресурс новой форсунки.
Научной новизной данного изобретения являются:
1) применение впервые в ГТД марки НК-8-2У (на базе штатной форсунки) одного из перспективных способов предотвращения осадкообразования в ЭУМИ на жидких УВГ (УВО), обеспечение нагрева деталей и жидкого УВГ (УВО) до температуры не выше 373К, что надежно обеспечивает эффективную работу, например, форсуночного фильтра в течение увеличенного времени и ресурса в несколько раз;
2) применение впервые теплоизоляционных и герметичных кольцевых уплотнителей для размещения топливных форсуночных фильтров в топливоподающих форсуночных каналах ГТД марки НК-8-2У, что позволяет изолировать корпус фильтра от проникновения в него температурного нагрева от стенок топливоподводящих каналов, а также создать практически полностью охлаждаемый фильтр за счет вынужденной конвекции жидких УВГ (УВО);
3) применение впервые конструктивных схем штатных форсунок ГТД марки НК-8-2У с заменяемыми фильтрами, расположенными в специальных кассетах плоского или револьверного типов, вручную, полуавтоматически, автоматически от сигналов, поступающих с датчиков прямого контроля за осадкообразованием (например, светового типа);
4) применение впервые в ГТД марки НК-8-2У новых конструктивных схем форсунок со средствами одновременной многоуровневой комплексной борьбы (с одновременным использованием сразу нескольких видов и способов борьбы) с негативным процессом осадкообразования: а) обеспечение работы деталей (форсуночных фильтров) в зоне пониженных температур без осадкообразования; б) обеспечение замены закоксованных деталей (форсуночных фильтров) на новые; в) обеспечение прямого контроля за процессом осадкообразования на форсуночных фильтрах; г) обеспечение выдачи командных сигналов на замену закоксованных фильтров; д) обеспечение замены закоксованных фильтров вручную, полуавтоматически, автоматически.
Эти пункты могут быть отнесены и к другим ЭУМИ и их форсункам.
Принимая за аналог штатную форсунку ГТД марки НК-8-2У [2], можно указать отличительные черты предлагаемой новой форсунки: форсунка, имеющая корпус с двумя отверстиями для подвода топлива, выполненный за одно целое с лопатками завихрителя и смесительной втулкой, центробежный распылитель, топливный сетчатый фильтр, гайку для крепления к плите и уплотнительные кольца, отличается тем, что:
1) форсуночный топливный сетчатый фильтр вынесен из цилиндрического корпуса форсунки и размещен в зоне пониженных температур нагрева - над входящим топливным отверстием форсунки, что позволяет избежать негативного процесса осадкообразования на стенках данного фильтра;
2) сразу два топливных фильтра размещены в зоне двух входных топливных отверстий форсунки;
3) крепежные контакты фильтров выполнены из теплоизоляционных и герметичных материалов;
4) обеспечена заменяемость закоксованных фильтров на новые в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах по команде датчиков прямого контроля светового типа;
5) запасные топливные фильтры размещены в специальных передвижных кассетах плоского или револьверного типов.
Данное изобретение может эффективно применяться, в первую очередь, в однофорсуночных ЭУМИ (например, в ЭУМИ беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в наземных ЭУМИ и техносистемах и др.).
Применение материалов данного изобретения значительно повысит эффективность, ресурс, надежность, безопасность, экономичность и экологичность существующих и перспективных ЭУМИ наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования.
Источники информации.
1. Большаков Г.Ф. Физико-химические основы образования осадков в реактивных топливах. Л.: Химия, 1972. 232 с.
2. Авторское свидетельство СССР №240391, кл. F23С 7/00; F23D 11/26; F23D 11/40; 1963, опубликовано 1983 г.
3. Зрелов В.Н., Серегин Е.П. Жидкие ракетные топлива. М.: Изд-во «Химия», 1975. 320 с.
4. Дубовкин И.Ф., Яновский Л.С, Шигабеив Т.Н., Галимов Ф.М. и др. Инженерные методы определения физико-химических и эксплуатационных свойств топлив. Казань: Изд-во «Мастер Лайн», 2000. 378 с.
5. Дубовкин И.Ф., Маланичева В.Г. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. Справочник. М.: Изд-во «Химия», 1985. 240 с.
6. Алтунин В.А. Исследование особенностей теплоотдачи к углеводородным горючим и охладителям в энергетических установках многоразового использования. Книга первая. Казань: Изд-во «Казанский государственный университет им. В.И. Ульянова-Ленина», 2005. 272 с.
7. Алтунин К.В. Разработка конструктивных схем экспериментальных установок для исследования жидких углеводородных горючих и охладителей // Материалы докл. 19-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Секция №6: «Внутрикамерные процессы в наземных и аэрокосмических энергоустановках и наземных топочных системах». Казань: Изд-во «Отечество», 2007. Часть 2. С.196-198.
8. Алтунин К.В. Анализ способов и устройств по теплотехническим измерениям в условиях естественной и вынужденной конвекции углеводородных горючих и охладителей // Материалы докл. 19-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Секция №6: «Внутрикамерные процессы в наземных и аэрокосмических энергоустановках и наземных топочных системах». Казань: Изд-во «Отечество», 2007. Часть 2. С.198-200.
9. Алтунин К.В. Пути увеличения ресурса жидкостных форсунок ВРД // Материалы докл. XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий». Секция №6: «Внутрикамерные процессы в наземных и аэрокосмических энергоустановках многоразового использования». Казань: Изд-во «Отечество», 2008. Часть 2,. С.44-46.
10. Алтунин К.В. Пути усовершенствования жидкостных форсунок ВРД // Материалы Международной молодежной научной конференции, посвященной 120-летию со дня рождения авиаконструктора, академика А.Н. Туполева «Туполевские чтения» (Казань, 28-29 мая 2008 г.). Секция №11. Казань: Изд-во Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева, 2008. Том 1. С.234-235.
11. Клячкин А.Л. Теория воздушно-реактивных двигателей. М.: Изд-во «Машиностроение», 1969. 512 с.
12. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Изд-во «Высшая школа», 1964. 458 с.
13. Гортышов Ю.Ф., Олимпиев В.В. Теплообменные аппараты с интенсифицированным теплообменом. Казань: Изд-во «Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева», 1999. 176 с.
14. Яновский Л.С., Иванов В.Ф., Галимов Ф.М. и др. Коксоотложения в авиационных и ракетных двигателях. Казань: Изд-во «Абак», 1999. 284 с.