ФОРСУНКА
INJECTOR

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в наземных, воздушных, аэрокосмических и космических энергетических установках (ЭУ) многоразового использования (ЭУМИ) на жидких углеводородных горючих (УВГ) и охладителях (УВО) [1-5].
Известно, что одной из причин выхода из строя многих горелочных устройств и форсунок, служащих для подачи жидкого углеводородного горючего (УВГ) в распыленном виде в камеру сгорания, является осадкообразование термоэлектрической природы [6-10]. На осадкообразование влияют разные факторы: температура УВГ и стенки топливоподающего канала, степень шероховатости канала, вид материала стенки канала, состав УВГ и др. Одним из главных факторов возникновения твердого углеродистого осадка является температура 373 К и более [6, 7, 8]. Осадкообразование значительно ухудшает подачу УВГ через топливоподающие каналы, ведет к засорению, к теплоизоляции и перегреву этих каналов с возникновением прогаров, пожаров и взрывов [7, 8, 11], т.е. осадкообразование может привести к преждевременному выходу из строя топливоподающей аппаратуры.
В первую очередь интенсивному осадкообразованию подвергаются форсунки ЭУМИ на жидких УВГ, т.к. испытывают значительные температуры нагрева. В результате нескольких циклов эксплуатации ЭУМИ происходит частичное и полное закоксовывание форсуночных фильтров и распылителей. Частичное закоксовывание приводит к частичной потере тяги, к нерасчетному струйному распылу (а также к ухудшению стехиометрического соотношения окислителя и горючего, к неполному сгоранию УВГ, к ухудшению экологичности сгорания топлива и др.), из-за чего наступает локальный перегрев и прогар жаровой трубы также с возникновением пожара и взрыва ЭУМИ. Полное закоксовывание элементов форсунок приводит к полному обнулению тяги, к образованию течи в топливной системе, к возникновению пожара и взрыва [7].
Поэтому уже на ранней стадии проектирования, расчета и создания ЭУМИ необходимо организовывать борьбу с этим опасным тепловым процессом. Однако существующие способы борьбы и предотвращения осадкообразования - экономически невыгодны, требуют преждевременного снятия и ремонта ЭУМИ в заводских условиях, что связано с простоем летательных аппаратов (самолетов, вертолетов и др.) и заменой практически всех закоксованных форсунок на новые. Эти способы также причиняют вред окружающей среде, например, в результате удаления осадка при помощи агрессивных моющих жидкостей (на стоянке или в заводских условиях) возникают трудности по их утилизации. Таким образом, крайне необходимым является создание и активное применение перспективных способов борьбы и предотвращения осадкообразования. Одним из перспективных способов является использование резервных топливных фильтров и распылителей форсунок, а также охлаждение деталей форсунок до температуры ниже 373 К или конструктивный перенос ответственных деталей в область с пониженными температурами, что отражено в данном изобретении.
Известна форсунка газотурбинного двигателя (ГТД), приведенная в изобретении [12], которая является аналогом.
Еще одним аналогом является форсунка, показанная на фиг.1 в изобретении [16], 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. Эта форсунка обладает рядом недостатков. В ней через определенное число циклов работы полностью закоксовывается топливный сетчатый фильтр и центробежный распылитель. Эта форсунка имеет максимальный ресурс, равный 900 циклам. В ходе эксплуатации топливный сетчатый фильтр данной форсунки нагревается до температуры 473 К и более и полностью выходит из строя. В этой форсунке не предусмотрены ни существующие, ни перспективные способы борьбы с осадкообразованием. Поэтому перспективной и необходимой задачей является разработка новых конструктивных схем форсунок ЭУМИ на жидких УВГ (со средствами и способами борьбы с процессом осадкообразования), обладающих повышенным ресурсом, надежностью, долговечностью и экономичностью [13, 14, 15].
За прототип предлагаемого изобретения принята форсунка ГТД [16], изображенная на фиг.2, состоящая из корпуса 1, лопаток завихрителя 4, смесителя (отражателя) 5, центробежного распылителя 6, двух топливных сетчатых фильтров 3, 16, закрепленных в топливоподающих 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 топливоподающих каналах 11, 14, гайки 10 для крепления к плите. В этой форсунке предусмотрена комплексная борьба с осадкообразованием: 1) топливные сетчатые фильтры размещены в топливоподающих каналах при помощи крепежных контактов, выполненных из герметичных и теплоизоляционных материалов; 2) обеспечена заменяемость закоксованных топливных сетчатых фильтров на новые в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах по команде датчиков прямого контроля светового типа; 3) запасные топливные сетчатые фильтры размещаются в передвижных кассетах плоского или револьверного типов. Однако из-за отсутствия тепловой изоляции фронтальной плиты ЭУМИ, корпуса и смесителя (отражателя) все ответственные детали форсунки подвержены интенсивному осадкообразованию, в результате чего центробежный распылитель, топливоподающие каналы и топливные сетчатые фильтры оказываются полностью закоксованными. В этом изобретении [16] сменными элементами являются только топливные сетчатые фильтры, а единственный центробежный распылитель при закоксовывании требует останова и снятия ЭУМИ с дальнейшим заводским ремонтом и заменой практически всех деталей форсунки (в том числе к центробежного распылителя) на новые. При закоксовывании этого единственного центробежного распылителя уже отпадает необходимость в защите других деталей форсунки (например, топливных сетчатых фильтров) от осадкообразования. При кассетном расположении топливных сетчатых фильтров возможна разгерметизация индивидуальных форсуночных мест и самопроизвольный контакт жидкого УВГ с запасными топливными сетчатыми фильтрами в период работы и молчания ЭУМИ, что приведет к неизбежному процессу осадкообразования на запасных (резервных) топливных сетчатых фильтрах, которые еще не были задействованы в работе ЭУМИ. Кроме того, здесь отсутствуют средства регулирования подачи окислителя (воздуха) и контроля за стехиометрическим соотношением расхода и смешения окислителя и УВГ. Датчики прямого контроля светового типа не обеспечивают полного контроля за негативным процессом осадкообразования, особенно это происходит при поступлении заведомо грязного и смешанного с другими жидкостями УВГ. Данная форсунка не имеет возможности увеличения расхода топлива, эффективности, мощности и других показателей, т.к. она снабжена только единственным незаменяемым центробежным распылителем с малой пропускной способностью. Данная форсунка не является компактной, а жидкое УВГ подводится по каналам от больших и массивных общих кольцевых топливных коллекторов. Отсутствует наружное проточное жидкостное охлаждение топливных корпусов.
На фиг.3 изображена предлагаемая новая форсунка ГТД, которая содержит следующие элементы и детали: корпус 1, отверстие для подвода топлива 2 к топливному сетчатому фильтру 3, лопатки завихрителя 4, смеситель (отражатель) 5, центробежный распылитель 6, уплотнительное металлическое кольцо 7 крепления смесителя (отражателя) форсунки, отверстие для подвода топлива 8 к топливному сетчатому фильтру 16, уплотнительное теплоизоляционное кольцо 9 крепления смесителя (отражателя) форсунки, гайка 10, топливоподающий канал 11, по которому в форсунку поступает УВГ уплотнительное кольцо 12 из теплоизоляционных и герметичных материалов, уплотнительное кольцо 13 из теплоизоляционных и герметичных материалов, топливоподающий канал 14, по которому УВГ выходит из форсунки, уплотнительное кольцо 15 из теплоизоляционных и герметичных материалов, уплотнительное кольцо 17 из теплоизоляционных и герметичных материалов, микродатчик 18 вертушечного типа для контроля расхода горючего и степени закоксовывания топливного канала (топливного сетчатого фильтра, топливоподающего канала к центробежному распылителю, центробежного распылителя), упорная вставка 19 с каналом для микродатчика 18 вертушечного типа и конусным гнездом для острия подвижного элемента электромагнитного клапана, подвижный элемент (конусного типа) 20 электромагнитного клапана, микроэлектромагнит 21 для работы подвижного элемента (конусного типа) 20 электромагнитного клапана, болт крепления 22 двух плит с комплектом створок типа жалюзи и воздушным микрорасходомером-генератором, шайба 23 крепления болта 22, верхняя плита 24 крепления створок типа жалюзи и воздушного микрорасходомера-генератора, первая створка жалюзи 25, нижняя плита 26 крепления створок типа жалюзи и воздушного микрорасходомера-генератора, вторая створка жалюзи 27, третья створка жалюзи 28, воздушный микрорасходомер-генератор 29, узел крепления 30 вентилятора на оси вращения, четвертая створка жалюзи 31, ось (вал) 32 вращения вентилятора, гнездо крепления 33 нижнего конца оси (вала) вентилятора (с упорным подшипником), пятая створка жалюзи 34, лопасть вентилятора 35, шестая створка жалюзи 36, болт крепления 37 двух плит с комплектом створок типа жалюзи и воздушным микрорасходомером-генератором, шайба 38 крепления болта 37, гайка 39, микроэлектромагнит 40 для работы подвижного элемента (конусного типа) 41 электромагнитного клапана, подвижный элемент (конусного типа) 41 электромагнитного клапана, упорная вставка 42 с каналом для микродатчика 43 вертушечного типа и конусным гнездом для острия подвижного элемента электромагнитного клапана, микродатчик 43 вертушечного типа для контроля расхода горючего и степени закоксовывания топливного канала (топливного сетчатого фильтра, топливоподающего канала к центробежному распылителю, центробежного распылителя), кольцевой форсуночный топливный коллектор 44, топливоподающий канал 45 к центробежному распылителю 49, запорный винт 46 центробежного распылителя 49, металлическая прокладка 47 запирания центробежного распылителя 49, термогидроизоляционная прокладка 48 запирания центробежного распылителя 49, центробежный распылитель 49, термогидроизоляционная прокладка 50 запирания центробежного распылителя 6, металлическая прокладка 51 запирания центробежного распылителя 6, запорный винт 52 центробежного распылителя 6, топливоподающий канал 53 к центробежному распылителю 6, уплотнительная теплоизоляционная втулка с фланцами 54 крепления корпуса 1 к фронтальной плите 55.
Топливоподающие каналы, в которых установлены соответствующие топливные сетчатые фильтры 3, 16, на фиг.3 не обозначены. Электромагнитный клапан состоит из (например, для левой части форсунки, см. фиг.3) микроэлектромагнита 21 и подвижного элемента (конусного типа) 20, упорной вставки 19 с каналом для микродатчика 18 вертушечного типа и конусным гнездом для острия подвижного элемента 20 (например, для правой части форсунки, см. фиг.3); микроэлектромагнита 40 и подвижного элемента (конусного типа) 41, упорной вставки 42 с каналом для микродатчика 43 вертушечного типа и конусным гнездом для острия подвижного элемента 41.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности, ресурса, долговечности, эффективности, многофункциональности, мощности, компактности, экономичности, экологичности и безопасности эксплуатации форсунки при помощи:
- размещения топливных сетчатых фильтров, являющихся резервными и съемными, внутри каждого топливоподающего канала корпуса с топливоподающими каналами к соответствующим центробежным распылителям стационарно;
- установки датчиков контроля за осадкообразованием вертушечного типа при помощи замера расхода жидкого УВГ;
- установки датчиков и систем контроля за стехиометрическим соотношением горючего и окислителя (воздуха);
- размещения узлов и деталей автоматического регулирования подачи окислителя (воздуха) в камеру сгорания;
- установки электромагнитных клапанов, обеспечивающих подачу (или прекращение подачи) УВГ в соответствующие топливоподающие каналы, топливные сетчатые фильтры и центробежные распылители;
- увеличения расхода УВГ (путем подключения в работу сразу нескольких или всех центробежных распылителей) и окислителя (путем частичного или полного раскрытия створок типа жалюзи);
- конструктивного размещения корпуса в виде конфузора, способного в проточной части улавливать и пропускать через лопатки завихрителя большие регулируемые объемы окислителя (воздуха);
- обеспечения тепловой защиты корпуса и деталей форсунки от тепловых потоков, а значит и от процесса осадкообразования;
- конструктивного размещения кольцевого форсуночного топливного коллектора с внешней стороны конфузорной части форсунки с обеспечением компактности форсунки, регенеративного охлаждения деталей форсунки, с возможностью исключения штатных, крупногабаритных, громоздких и тяжелых наружных и внутренних кольцевых топливных коллекторов;
- создания оригинальной конструктивной схемы форсунки с возможностью ее быстрой и беспрепятственной разборки, замены некоторых закоксованных деталей (центробежного распылителя, топливного сетчатого фильтра и др.) даже без снятия с ЭУМИ;
- использования в новой форсунке штатных деталей от основной базовой форсунки ГТД марки НК-8-2У (топливных сетчатых фильтров, центробежных распылителей, гаек).
Данная задача может быть решена следующими мероприятиями (см. фиг.3):
1) корпус 1 выполняется литым и содержит: два и более топливоподающих каналов (для размещения топливных сетчатых фильтров с теплоизоляционными и герметичными уплотнительными кольцами, с микродатчиками вертушечного типа для контроля расхода горючего и степени закоксовывания топливных каналов, с электромагнитными клапанами совместно с упорными вставками); два и более топливоподающих каналов к центробежным распылителям; два и более гнезд для установки и крепления центробежных распылителей; два и более гнезд для крепления двух плит со створками типа жалюзи и воздушного микрорасходомера-генератора с вентилятором; гнездо крепления 33 нижнего конца оси (вала) вентилятора (с упорным подшипником); лопатки завихрителя 4, образующие центральный осевой воздушный канал корпуса 1 между центробежными распылителями и периферийные воздушные каналы снаружи вокруг центробежных распылителей (на фиг.3 не показаны); топливоподающие каналы 11, 14 кольцевого форсуночного топливного коллектора 44; отверстия для подвода топлива 2, 8 для подачи топлива из кольцевого форсуночного топливного коллектора 44 в топливоподающие каналы с соответствующими топливными сетчатыми фильтрами и центробежными распылителями; резьбу для крепления корпуса 1 к фронтальной плите 55 при помощи наружного завинчивания смесителя (отражателя) 5;
2) смеситель (отражатель) форсунки 5 является литым и раздельным элементом с внутренним резьбовым соединением;
3) смеситель (отражатель) форсунки 5 крепится снаружи фронтальной плиты 55 к корпусу 1 через уплотнительное металлическое кольцо 7 и уплотнительное теплоизоляционное кольцо 9;
4) корпус 1 крепится к фронтальной плите 55 через уплотнительную теплоизоляционную втулку с фланцами 54 при помощи наружного завинчивания смесителя (отражателя) 5;
5) уплотнительное теплоизоляционное кольцо 9 смесителя (отражателя) 5, уплотнительная теплоизоляционная втулка с фланцами 54 корпуса 1, а также регенеративное жидкостное наружное проточное охлаждение конфузорной части форсунки позволяют эффективно охлаждать (до температуры 373 К и ниже) ответственные детали форсунки и предотвращать их от процесса осадкообразования;
6) топливные сетчатые фильтры 3, 16 установлены в соответствующих топливоподающих каналах корпуса 1 стационарно, раздельно и герметично при помощи крепежных контактов 12, 13, 15, 17, выполненных из герметичных и теплоизоляционных материалов;
7) каждому соответствующему топливоподающему каналу корпуса 1 с одним топливным сетчатым фильтром соответствует один центробежный распылитель, являющийся съемным и установленный стационарно, герметично, с возможностью замены (в случае закоксовывания) на новый без необходимости разборки всей форсунки и ЭУМИ (например, топливному сетчатому фильтру 3 соответствует центробежный распылитель 6, а топливному сетчатому фильтру 16 - центробежный распылитель 49);
8) топливоподающие каналы с топливными сетчатыми фильтрами 3, 16 сообщаются только при помощи кольцевого форсуночного топливного коллектора 44 при помощи соответствующих отверстий для подвода топлива 2, 8;
9) в каждом топливоподающем канале с топливным сетчатым фильтром установлен электромагнитный клапан подачи (прекращения подачи) горючего к соответствующему центробежному распылителю и в камеру сгорания (например, топливоподающий канал с топливным сетчатым фильтром 3 и центробежным распылителем 6 закрыт подвижным элементом 20 электромагнитного клапана, а топливоподающий канал с топливным сетчатым фильтром 16 и центробежным распылителем 49 показан в открытом состоянии, т.к. подвижный элемент 41 электромагнитного клапана не перекрывает топливоподающий канал упорной вставки 42);
10) наличие двух и более центробежных распылителей и соответствующих им топливных сетчатых фильтров и топливоподающих каналов в одной форсунке позволяет увеличить ее ресурс, надежность и безопасность (например, при закоксовывании одного центробежного распылителя и (или) топливного сетчатого фильтра, и (или) топливоподающего канала - в работу задействуется второй резервный центробежный распылитель, топливоподающий канал, топливный сетчатый фильтр и т.д.);
11) в каждом канале перед топливным сетчатым фильтром установлен микродатчик вертушечного типа с целью одновременного контроля за расходом горючего и степенью закоксованности всего канала (при полном закоксовывании любой детали топливоподающего канала с топливным сетчатым фильтром прекратится вынужденная конвекция жидкого УВГ и соответствующий микродатчик вертушечного типа перестанет вращаться, что будет являться сигналом о неисправности и закоксованности данного канала);
12) в проточной полости конфузорной части форсунки установлен воздушный микрорасходомер-генератор 29 с вентилятором 35 на оси 32, который позволяет вместе с комплектом створок типа жалюзи 25, 27, 28, 31, 34, 36 контролировать и регулировать расход окислителя (воздуха), поступающего через лопатки завихрителя 4 в камеру сгорания ЭУМИ; вырабатывать электроэнергию, которая может расходоваться на обеспечение эффективной работы электромагнитных клапанов;
13) при закоксовывании одной ответственной детали (топливного сетчатого фильтра или центробежного распылителя) и одного топливоподающего канала к центробежному распылителю или всех деталей осуществляется ремонт форсунки даже без снятия ее с ЭУМИ для отправки на завод, т.к. замена основных закоксованных деталей возможна в период отключения (молчания) ЭУМИ (например, на стоянке);
14) наличие нескольких центробежных распылителей в одной форсунке открывает возможность регулирования подачи жидкого УВГ и мощности форсунки путем задействования сразу нескольких или всех центробежных распылителей при помощи обеспечения подачи УВГ путем открытия топливоподающих каналов электромагнитными клапанами;
15) в случае аварийной ситуации может возникнуть необходимость в экстренном отключении топливоподачи к форсунке, что может быть достигнуто подачей командного сигнала на запирание топливоподающих каналов электромагнитными клапанами; при выходе из строя всех электромагнитных клапанов работу форсунки (процесс горения) возможно прекратить при подаче командного сигнала на обнуление расхода окислителя (воздуха) створками типа жалюзи.
Новая форсунка по сравнению с прототипом имеет более широкий диапазон применения. Например, некоторые топливоподающие каналы, содержащие несколько топливных сетчатых фильтров и центробежных распылителей, можно использовать только для одного типа горючего (например, керосина), а другие - для другого (например, газообразного метана). Таким образом, при экстренной подаче керосина в форсунку, топливные сетчатые фильтры и центробежные распылители, предназначенные для газа метан, будут надежно закрыты соответствующими подвижными элементами электромагнитных клапанов и не будут подвержены осадкообразованию. То есть открывается перспектива применения разных горючих при сохранении полной работоспособности резервных топливных сетчатых фильтров, центробежных распылителей, что весьма актуально в наземных ЭУМИ, например в ГТД марки НК-16СТ, НК-18СТ и др. на станциях газоперекачки, а также в других ЭУМИ, используемых в теплоэнергетике [3].
Предложенная форсунка (см. фиг.3) работает следующим образом. При запуске ЭУМИ УВГ поступает через топливоподающий канал 11 в кольцевой форсуночный топливный коллектор 44. Затем через отверстия для подвода топлива 2, 8 УВГ поступает в топливоподающие каналы с топливными сетчатыми фильтрами 3, 16. Если подвижный элемент (конусного типа) 41 электромагнитного клапана находится в поднятом верхнем положении, то УВГ беспрепятственно проходит через топливный канал в упорной вставке 42, приводит в движение микродатчик 43 вертушечного типа для контроля расхода горючего и степени закоксовывания топливного канала, далее проходит внутрь топливного сетчатого фильтра 16, откуда через топливоподающий канал 45 - к центробежному распылителю 49. Распыление жидкого УВГ происходит одновременно с подачей окислителя (воздуха) через отверстия, образованные створками типа жалюзи 25, 27, 28, 31, 34, 36, а далее - через лопатки завихрителя 4 в центральном и периферийных проходах, т.е. каждый центробежный распылитель обеспечивается подачей воздуха со всех сторон в необходимом и регулируемом объеме. При подаче окислителя (воздуха) происходит вращение вентилятора 35, который обеспечивает вращение воздушного микрорасходомера-генератора 29, преобразующего механическую энергию воздушного потока в электрическую, используемую для обеспечения работоспособности электромагнитных клапанов. При работе одного центробежного распылителя, например, 49 автоматическая система контроля и управления ЭУМИ выдаст команду на поворот (прикрытие) створок типа жалюзи на определенный угол, чтобы создать оптимальные условия для соблюдения стехиометрического соотношения УВГ и окислителя (воздуха) для полноты сгорания топлива. При работе двух или более (всех) центробежных распылителей должна подаваться команда на поворот (раскрытие) створок типа жалюзи на больший (максимальный) угол. Жидкое УВГ, проходя все возможные каналы кольцевого форсуночного топливного коллектора и форсунки, выходит через топливоподающий канал 14, обеспечивая при этом не только топливопитание форсунки, но и ее регенеративное охлаждение. При работе ЭУМИ происходит нагрев смесителя (отражателя) форсунки 5 и фронтальной плиты 55, но конструктивная установка уплотнительного теплоизоляционного кольца 9 и уплотнительной теплоизоляционной втулки с фланцами 54 будет препятствовать прохождению теплового потока внутрь корпуса 1. Термо-гидроизоляционная прокладка 48 запирания центробежного распылителя 49 и уплотнительные кольца 15, 17 из теплоизоляционных и герметичных материалов также будут способствовать предотвращению нагрева центробежного распылителя 49 и топливного сетчатого фильтра 16. В случае закоксовывания хотя бы одного элемента (центробежного распылителя 49, топливоподающего канала 45 к центробежному распылителю 49, топливного сетчатого фильтра 16, отверстия для подвода топлива 8) микродатчик 43 вертушечного типа прекратит свое вращение, что будет являться сигналом о выходе из строя всего топливоподающего канала с топливным сетчатым фильтром 16. При получении данного сигнала в работу вводится другой топливоподающий канал с топливным сетчатым фильтром 3 благодаря срабатыванию микроэлектромагнита 21, поднятию в верхнее положение подвижного элемента (конусного типа) 20 и открытию отверстия в упорной вставке 19. Далее УВГ будет проходить аналогичный путь, описанный выше для первого канала. В данном изобретении предполагается шесть каналов с соответствующими топливными сетчатыми фильтрами и центробежными распылителями. При выходе из строя второго топливоподающего канала с топливным сетчатым фильтром 3 возможно включение в работу третьего канала и т.д. При выходе из строя всех топливных каналов существует возможность их ремонта с заменой неисправных (закоксованных) деталей на новые. Ремонт можно организовать в период молчания ЭУМИ (например, на стоянке) без снятия и разборки ЭУМИ, без заводского ремонта. Такой же ремонт можно сразу организовать и при выходе из строя лишь одного топливоподающего канала, например первого с топливным сетчатым фильтром 16. Экономичность и ремонтопригодность новой форсунки состоит в том, что она является практически разборной, а многие сменные детали являются штатными от форсунки ГТД марки НК-8-2У (например, центробежный распылитель 49, топливный сетчатый фильтр 16, гайка 39). В данной форсунке имеется доступ к замене любого закоксованного центробежного распылителя, например, 49 путем отворачивания запорного винта 46 без разборки всего топливоподающего канала с топливным сетчатым фильтром 16. При выходе из строя хотя бы одного из элементов системы подачи окислителя (воздуха), например створок типа жалюзи 25, 27, 28, 31, 34, 36, воздушного микрорасходомера-генератора 29, вентилятора 35, оси 32, основания оси 33 с упорным подшипником, имеется возможность разборки данной системы и замены неисправной детали на новую при помощи отвинчивания болтов 22, 37 и снятия плит 24, 26, не разбирая и не снимая при этом с фронтальной плиты 55 корпус 1. При необходимости экстренного отключения ЭУМИ нужно подать командный сигнал на все электромагнитные клапаны для закрытия отверстий в упорных вставках путем опускания подвижных элементов (конусного типа) в нижнее запорное положение. Для экстренного прекращения горения в камере сгорания, например при выходе из строя всех электромагнитных клапанов, необходимо подать командный сигнал на экстренное закрытие всех створок типа жалюзи в проточной конфузорной части форсунки. Управление работой данной форсунки возможно в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах. Максимальная мощность данной форсунки достигается путем открытия всех топливных каналов, т.е. при работе всех центробежных распылителей (в данном изобретении предполагается шесть центробежных распылителей). Данная форсунка может работать на разных жидких УВГ, где каждый топливоподающий канал с топливным сетчатым фильтром будет предназначен и зарезервирован для конкретного вида топлива. Зарезервированные чистые топливоподающие каналы с топливными сетчатыми фильтрами также могут быть использованы при сжигании газообразного УВГ, например газообразного природного газа метан.
Научной новизной данного изобретения являются:
1) конструктивная схема форсунки ГТД с системой независимых топливоподающих каналов, содержащих стационарно расположенные топливные сетчатые фильтры и центробежные распылители, которые могут подавать или прекращать подачу УВГ в камеру сгорания благодаря подключению к работе соответствующих электромагнитных клапанов;
2) конструктивное расположение топливных каналов форсунки с топливными сетчатыми фильтрами в виде сплошного полого конфузора, который позволяет производить максимальный забор окислителя (воздуха) из общего потока с дальнейшей подачей его через лопатки завихрителя в камеру сгорания;
3) применение в форсунке регулятора расхода окислителя (воздуха) в виде створок типа жалюзи, работающих в автоматическом режиме - в зависимости от количества работающих центробежных распылителей (например, при увеличении числа задействованных центробежных распылителей - увеличивается расход окислителя (воздуха));
4) применение в форсунке воздушного микрорасходомера-генератора, осуществляющего контроль за расходом поступающего окислителя (воздуха) и вырабатывающего электроэнергию для обеспечения работы электромагнитных клапанов форсунки, и приводимого в действие вентилятором при поступлении в полость конфузора воздушного потока;
5) применение в форсунке микродатчиков вертушечного типа для контроля расхода горючего и степени закоксовывания соответствующих топливоподающих каналов, отверстий для подвода топлива;
6) применение в форсунке системы контроля и управления за подачей и расходом окислителя (воздуха), за поступлением горючего в центробежные распылители, за стехиометрическим соотношением горючего и окислителя (воздуха), за степенью закоксованности отверстий для подвода топлива, топливоподающих каналов и деталей форсунки, состоящей из регулятора расхода окислителя (воздуха) в виде створок типа жалюзи, воздушного микрорасходомера-генератора с вентилятором, электромагнитных клапанов для подачи (отключения подачи) горючего, работающей в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах;
7) конструктивная схема с компактным размещением кольцевого форсуночного топливного коллектора вокруг конфузорной части форсунки, что позволяет: исключить из традиционных топливоподающих систем ЭУМИ общие кольцевые крупногабаритные, тяжелые топливные коллекторы; обеспечить регенеративное проточное охлаждение конфузорной части форсунки с ответственными деталями;
8) конструктивная схема разборной конструкции форсунки, у которой смеситель (отражатель) является съемным и выполняет дополнительную функцию крепежной гайки крепления корпуса к фронтальной плите;
9) конструктивная схема тепловой защиты форсунки до температуры 373 К и ниже от воздействия теплового потока за счет конструктивного размещения термогидроизоляционных прокладок, уплотнительной теплоизоляционной втулки с фланцами, уплотнительного теплоизоляционного кольца, уплотнительных колец для герметизации и теплоизоляции топливных сетчатых фильтров форсунки, а также за счет наружного проточного регенеративного охлаждения кольцевым форсуночным топливным коллектором, что позволяет обеспечить применение перспективного способа борьбы с осадкообразованием в ЭУМИ - обеспечение охлаждения деталей в жидких УВГ до температуры 373 К и ниже для предотвращения процесса осадкообразования;
10) конструктивная схема жидкостной форсунки ЭУМИ, которую можно использовать для сжигания различных жидких УВГ, а также (при необходимости) газообразных УВГ, например, газообразного метана, с возможностью регулирования ее мощности при помощи подключения (отключения) в работу одновременно или последовательно большего (меньшего) количества топливоподающих каналов с центробежными распылителями по командному сигналу оператора (или автоматики) на открытие (закрытие) соответствующих электромагнитных клапанов;
11) конструктивная схема форсунки ЭУМИ с увеличенными параметрами по ресурсу, надежности, мощности, эффективности, экономичности и экологичности, где открывается возможность: частичного или полного ремонта без съема ЭУМИ и отправки на завод; оперативной замены закоксованных деталей в любом топливоподающем канале с топливным сетчатым фильтром в конфузорной части форсунки; индивидуальной замены любого закоксованного центробежного распылителя - без разборки топливоподающего канала с топливным сетчатым фильтром и другими деталями; разборки и ремонта деталей системы контроля и регулирования расхода окислителя (воздуха), расположенных внутри полости конфузорной части форсунки; замены термогидроизоляционных прокладок, уплотнительной теплоизоляционной втулки с фланцами, уплотнительного теплоизоляционного кольца, уплотнительных колец для герметизации и теплоизоляции топливных сетчатых фильтров форсунки.
Принимая за прототип форсунку (см. фиг.2) [16], можно сформулировать независимый пункт и указать отличительные черты предлагаемой новой форсунки (см. фиг.3):
Форсунка, имеющая корпус, смеситель (отражатель), лопатки завихрителя, центробежный распылитель, топливные сетчатые фильтры, закрепленные в топливоподающих каналах с использованием уплотнительных колец из теплоизоляционных и герметичных материалов, отличается тем, что
1) форсунка является полностью разборной и состоит из двух основных частей: корпуса, выполненного в виде конфузора с отверстиями для подвода топлива и топливоподающими каналами, окруженного кольцевым форсуночным топливным коллектором, и смесителя (отражателя), который выполняет роль крепежной гайки и обеспечивает крепление корпуса форсунки к фронтальной плите;
2) крепление смесителя (отражателя) форсунки к фронтальной плите конструктивно осуществлено через уплотнительное теплоизоляционное кольцо, а крепление корпуса форсунки к фронтальной плите конструктивно осуществлено через уплотнительную теплоизоляционную втулку с фланцами;
3) топливные сетчатые фильтры установлены стационарно в топливоподающих каналах в стенке конфузорной части форсунки;
4) каждый топливоподающий канал с топливным сетчатым фильтром соединен с соответствующим центробежным распылителем;
5) в каждом топливоподающем канале с топливным сетчатым фильтром установлен электромагнитный клапан подачи (прекращения подачи) горючего;
6) в каждом топливоподающем канале с топливным сетчатым фильтром установлен микродатчик вертушечного типа для одновременного контроля расхода горючего и степени закоксованности топливного канала (топливного сетчатого фильтра, топливоподающего канала к центробежному распылителю, центробежного распылителя);
7) кольцевой форсуночный топливный коллектор осуществляет подачу горючего ко всем топливоподающим каналам форсунки и регенеративное проточное наружное охлаждение конфузорной части корпуса форсунки;
8) в проточной полости конфузорной части форсунки конструктивно расположен регулятор расхода окислителя (воздуха) в виде створок типа жалюзи, работающих в автоматическом режиме - в зависимости от количества работающих центробежных распылителей;
9) в проточной полости конфузорной части форсунки конструктивно расположен воздушный микрорасходомер-генератор, осуществляющий контроль за расходом поступающего окислителя (воздуха) и вырабатывающий электроэнергию для обеспечения работы электромагнитных клапанов форсунки, и приводимый в действие вентилятором при поступлении воздушного потока;
10) форсунка снабжена системой контроля и управления за подачей и расходом окислителя (воздуха), за поступлением горючего в центробежные распылители, за стехиометрическим соотношением горючего и окислителя (воздуха), за степенью закоксованности топливоподающих каналов и деталей форсунки, состоящей из регулятора расхода окислителя (воздуха) в виде створок типа жалюзи, воздушного микрорасходомера-генератора с вентилятором, электромагнитных клапанов подачи (отключения подачи) горючего, микродатчиков вертушечного типа для контроля расхода горючего и степени закоксованности топливных каналов, работающей в ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах;
11) форсунку можно использовать для сжигания различных жидких УВГ, а также (при необходимости) газообразных УВГ, например газообразного метана, с возможностью регулирования ее мощности при помощи подключения (отключения) в работу одновременно или последовательно большего (меньшего) количества топливоподающих каналов с центробежными распылителями по команде оператора (или автоматики) на открытие (закрытие) соответствующих электромагнитных клапанов.
Данное изобретение может эффективно применяться, в первую очередь, в ГТД, имеющих трубчато-кольцевые и трубчатые камеры сгорания, в однофорсуночных ЭУМИ (например, в двигателях беспилотных летательных аппаратов [17]), а также в различных наземных ЭУМИ и техносистемах.
Применение материалов данного изобретения значительно повысит эффективность, ресурс, надежность, мощность, компактность, многофункциональность, безопасность, экономичность и экологичность существующих и перспективных ЭУМИ наземного, воздушного, аэрокосмического и космического базирования [17, 18, 19].
Источники информации
1. Алтунин К.В. Предотвращение осадкообразования при тепловых процессах в энергетических установках // Материалы докл. XVII Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». Том 1. Секция №11. Казань: Изд-во Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева, 2009. С.214-216.
2. Алтунин К.В., Гортышов Ю.Ф. Конструктивные возможности борьбы с осадкообразованием в энергетических установках многоразового использования на жидких углеводородных горючих // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-2009»: Материалы V Всероссийской научно-технической конференции. Т.1. 12-13 октября 2009 г. Казань: Изд-во Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева, 2009. С.636-640.
3. Алтунин К.В., Гортышов Ю.Ф., Галимов Ф.М., Дресвянников Ф.Н., Алтунин В.А. Проблемы осадкообразования в энергоустановках на жидких углеводородных горючих и охладителях. // Энергетика Татарстана. №2. 2010. С.10-17.
4. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Галимов Ф.М., Гортышов Ю.Ф., Дресвянников Ф.Н., Яновский Л.С. Проблема осадкообразования в энергетических установках многоразового использования на жидких углеводородных горючих и охладителях // Вестник Казанского государственного технологического университета. 2010. №5. С.96-102.
5. Клячкин А.Л. Теория воздушно-реактивных двигателей. М.: Изд-во «Машиностроение», 1969. 512 с.
6. Большаков Г.Ф. Физико-химические основы образования осадков в реактивных топливах. Л.: Химия, 1972. 232 с.
7. 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.
8. Яновский Л.С., Иванов В.Ф., Галимов Ф.М. и др. Коксоотложения в авиационных и ракетных двигателях. Казань: Изд-во «Абак», 1999. 284 с.
9. 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.
10. Дубовкин И.Ф., Маланичева В.Г. и др. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. Справочник. М.: Изд-во «Химия», 1985. 240 с.
11. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. М.: Изд-во «Высшая школа», 1964. 458 с.
12. Кузнецов Н.Д., Радченко В.Д., Татаринов В.В. и др. Головка кольцевой камеры сгорания ГТД. Авторское свидетельство СССР №240391, кл. F23C 7/00; F23D 11/26; F23D 11/40. Бюл. №4 от 30.01.83.
13. Алтунин К.В. Методика проведения функционально-стоимостного анализа форсунки ВРД // Труды XXXIV Академических чтений по космонавтике. Секция 8: Экономика космической деятельности. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2010. С.215-216.
14. Алтунин К.В. Разработка новой конструктивной схемы форсунки воздушно-реактивного двигателя // Материалы докл. XVII Международной молодежной научной конференции «Туполевские чтения». Том 1. Секция №12: «Конструкция и рабочие процессы в тепловых двигателях и энергетических установках». Казань: Изд-во Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева, 2009. С.270-272.
15. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Галимов Ф.М. и др. Анализ возможных способов эволюции форсунок ВРД марки НК Н.Д.Кузнецова // Труды XXXIV Академических чтений по космонавтике. Секция 15: Комбинированные силовые установки для гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2010. С.458-459.
16. Алтунин К.В. Форсунка: Патент РФ на изобретение №2388966. Бюл. №13 от 10.05.2010. 8 с.
17. Алтунин В.А., Алтунин К.В. Повышение надежности и долговечности беспилотных летательных аппаратов. Сборник научно-технических статей: «Совершенствование боевого применения и разработок вооружения и военной техники, социально-педагогических аспектов подготовки военных специалистов. Казань: Изд-во КВВКУ, 2010. С.86-88.
18. Алтунин В.А., Алтунин К.В., Галимов Ф.М. и др. Разработка способов увеличения ресурса и надежности ВРД на жидких углеводородных горючих // Труды XXXIV Академических чтений по космонавтике. Секция 15: Комбинированные силовые установки для гиперзвуковых и воздушно-космических летательных аппаратов. М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства, 2010. С.453.
19. Алтунин К.В. Пути повышения надежности и долговечности газотурбинных установок на жидком углеводородном горючем // Материалы докладов V Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» / Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук, проф. Ю.Я.Петрушенко. Т.3. Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2010. С.140-141.