RU2127822C1

RU2127822C1 - Mechanical nozzle

Info

Publication number: RU2127822C1
Application number: RU96124698A
Authority: RU
Inventors: Н.В. Федорец; В.Н. Опрышко; И.С. Конюхов; В.М. Фирсов; С.А. Ерофеев; А.В. Опрышко; И.В. Фирсов
Original assignee: Саратовское региональное отделение межрегиональной общественной организации "Академия военных наук"
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1996-12-31
Publication date: 1999-03-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; power engineering; chemical industry; liquid injection and atomizing devices; liquid propellant rocket engines where accuracy of maintenance of preset propellant rate is required. SUBSTANCE: design of nozzle makes it possible to atomize various viscosity fuel components at constant atomizing characteristics. This is provided by imparting longitudinally reciprocating motions to nozzle rod end face by connecting it with ultrasonic vibration generator. Liquid is fed into nozzle channels through zones of vibration concentration of active cover plate at a distance from end face of body equal to λ/4 and

. In some cases liquid is fed along central axis of ultrasonic converter through passive cover plate at a distance from end face of body equal to

Description

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для впрыска и распыления жидкости и может быть использовано в различных тепловых двигателях, в силовых энергетических установках, в машинах и аппаратах химической промышленности, а также в ЖРД ракетно-космической техники, где требуется высокая точность поддержания заданного расхода жидкости. The present invention relates to devices for injection and atomization of liquids and can be used in various heat engines, power plants, in machines and apparatuses of the chemical industry, as well as rocket and rocket engines, which require high accuracy of maintaining a given flow rate.

Известна механическая форсунка, содержащая разъемный цилиндрический корпус с входным отверстием в боковой стенке и центральным выходным соплом, снабженным клапаном с подпружиненным тарельчатым задним торцом, скрепленным с пульсаром, выполненным в виде сильфона. Known mechanical nozzle containing a detachable cylindrical body with an inlet in the side wall and a Central output nozzle equipped with a valve with a spring-loaded poppet rear end, fastened with a pulsar made in the form of a bellows.

Основным недостатком такой форсунки является использование ее для впрыска и распыления только одного компонента с постоянным физико-химическими свойствами. The main disadvantage of this nozzle is its use for injection and spraying of only one component with constant physico-chemical properties.

Наиболее близким техническим решением к описываемому является механическая двухкомпонентная форсунка, содержащая составной корпус с соплом, с каналами для подвода двух компонентов (а.с. СССР N 611683 F 23D 11/04, 1978 г. - выбран за прототип). The closest technical solution to the described is a mechanical two-component nozzle containing a composite housing with a nozzle, with channels for supplying two components (AS USSR N 611683 F 23D 11/04, 1978 - selected as the prototype).

Хотя данная механическая форсунка обеспечивает распыливание и смешение двух компонентов топлива, в ней имеет место недостаточный процесс распыления компонентов на торце корпуса. Although this mechanical nozzle provides atomization and mixing of the two fuel components, there is an insufficient atomization process of the components at the end of the housing.

Задача настоящего изобретения состоит в расширении технических возможностей форсунки, заключающееся в возможности использования жидкостей с различными вязкостями и с поддержанием постоянства характеристики распыла. The objective of the present invention is to expand the technical capabilities of the nozzle, which consists in the possibility of using liquids with different viscosities and maintaining a constant spray characteristics.

Решение поставленной задачи достигается за счет придания торцу штока форсунки продольных возвратно-поступательных движений в результате соединения его с генератором ультразвуковых колебаний. Данные колебания снижают внешнее трение в подвижных частях форсунки, интенсифицируют процесс распыление компонентов топлива и увеличивают их расход. The solution to this problem is achieved by giving the end face of the nozzle rod longitudinal reciprocating movements as a result of connecting it to the generator of ultrasonic vibrations. These vibrations reduce external friction in the moving parts of the nozzle, intensify the process of atomization of the fuel components and increase their consumption.

Поставленная задача достигается тем, что неподвижный корпус жестко установлен в активную излучающую накладку и расположен соосно центральной оси ультразвукового преобразователя, а подвод компонентов в каналы корпуса форсунки, а также создание давления в полости сильфонов, подключенных к соответствующим сквозным каналам в неподвижной части ее корпуса осуществляется через активную накладку ультразвукового преобразователя на расстоянии от торца корпуса λ/4, где λ - длина ультразвуковой волны. Кроме этого, подвод компонентов в каналы корпуса форсунки, подвод в полости сильфонов в неподвижной части ее корпуса, осуществляется через зоны кучностей колебаний активной накладки на расстоянии от торца корпуса λ/4 и

а также в ряде случаев осуществляется вдоль центральной оси ультразвукового преобразователя через пассивную накладку на расстоянии то торца корпуса

где n - количество полуволн, λ - длина ультразвуковой волны.The task is achieved by the fact that the stationary body is rigidly mounted in the active emitting plate and is located coaxially with the central axis of the ultrasonic transducer, and the components are supplied to the nozzle body channels, as well as the pressure is created in the bellows cavity connected to the corresponding through channels in the fixed part of its body through the active pad of the ultrasonic transducer at a distance from the end of the housing λ / 4, where λ is the length of the ultrasonic wave. In addition, the components are fed into the channels of the nozzle body, and the bellows are inserted into the cavity of the fixed part of its body through the zones of vibrations of the active plate at a distance from the body end λ / 4 and

as well as in some cases, it is carried out along the central axis of the ultrasonic transducer through a passive plate at a distance from the end of the housing

where n is the number of half waves, λ is the length of the ultrasonic wave.

На фиг. 1, 2, 3, 4 показана конструкция механической форсунки. Форсунка состоит из корпуса 1 с центральным выходным соплом 2, имеющим многозаходную коническую резьбу на рабочей поверхности, образующую перепускные канавки 3, и центрально размещенный в сопле 2 подпружиненный плунжер 4. Выходной участок корпуса 1 заключен в кожух 5, имеющий свое выходное сопло 6, а в кольцевом зазоре между корпусом 1 и кожухом 5 установлен второй подпружиненный плунжер 7. In FIG. 1, 2, 3, 4 shows the design of a mechanical nozzle. The nozzle consists of a housing 1 with a central outlet nozzle 2 having a multi-thread tapered thread on the working surface, forming a bypass groove 3, and a spring-loaded plunger 4 centrally located in the nozzle 2. The outlet portion of the housing 1 is enclosed in a casing 5 having its outlet nozzle 6, and in the annular gap between the housing 1 and the casing 5 is installed a second spring-loaded plunger 7.

Корпус 1 выполнен составным из неподвижной и подвижной частей 8 и 9, последняя из которых образована направляющей втулкой 10 с поршнем 11, имеющим многозаходную коническую резьбу на боковой поверхности, и размещена в кожухе 5 с образованием с ним и вторым плунжером 7 кольцевой полости 12, а с неподвижной частью 9 корпуса 1 - торцевого зазора, в котором дополнительно размещены по крайней мере два сильфона 13, соединенные с обеими частями 8 и 9 корпуса 1, причем полость каждого сильфона 13 подключена к соответствующему сквозному каналу 14, дополнительно выполненному в неподвижной части 8 корпуса 1. Для подвода одного из компонентов топлива в боковой стенке неподвижной части 8 корпуса 1 выполнен ряд отверстий 15, а для подвода другого компонента - отверстия 16, выполненные в кожухе 5, и отверстия 17 в плунжере 7. Многозаходная коническая резьба на боковой поверхности поршня 11 образует перепускные канавки 18. В полости 12 установлена пружина 19, а в плунжере 7 выполнены отверстия 20, а в тарели 21 плунжера 4 выполнены отверстия 22. Тарель 21 подпружинена при помощи пружины 23. The housing 1 is made up of a fixed and movable parts 8 and 9, the last of which is formed by a guide sleeve 10 with a piston 11 having a multi-thread conical thread on the side surface, and is placed in the casing 5 with the formation of an annular cavity 12 with it and the second plunger 7, and with the fixed part 9 of the housing 1 - the end gap, in which at least two bellows 13 are additionally placed, connected to both parts 8 and 9 of the housing 1, and the cavity of each bellows 13 is connected to the corresponding through channel 14, additionally made in the fixed part 8 of the housing 1. For the supply of one of the fuel components in the side wall of the fixed part 8 of the housing 1, a series of holes 15 are made, and for the supply of another component - holes 16 made in the casing 5, and holes 17 in the plunger 7. Multiple conical the thread on the lateral surface of the piston 11 forms a bypass groove 18. A spring 19 is installed in the cavity 12, holes 20 are made in the plunger 7, and holes 22 are made in the plate 21 of the plunger 4. The plate 21 is spring-loaded with a spring 23.

Ступенчатый корпус 1 жестко закреплен с помощью резьбового соединения 24 в ультразвуковом преобразователе 25, в его активной накладке 26. The stepped housing 1 is rigidly fixed using a threaded connection 24 in the ultrasonic transducer 25, in its active plate 26.

Ультразвуковой преобразователь 25 состоит из активной накладки 26, пассивной накладки 27, пьезокерамических элементов 28, токоподводящих шайб 29, токоизолирующей шайбы 30 и шпильки 31. Токоподводящие шайбы 29 подсоединены к ультразвуковому генератору (на чертеже он не показан). The ultrasonic transducer 25 consists of an active plate 26, a passive plate 27, piezoceramic elements 28, current-carrying washers 29, current-insulating washers 30 and studs 31. Current-carrying washers 29 are connected to an ultrasonic generator (it is not shown in the drawing).

Сквозной канал 14, соединенный с полостью каждого сильфона 13, отверстия подвода различных компонентов топлива 15 и 16, выполненные соответственно в боковой стенке неподвижной части 8 корпуса 1 и в кожухе 5, жестко соединены соответственно с каналами 32, 33, 34, которые расположены в ультразвуковом преобразователе 25, в частности и в активной накладке 26, в шпильке 31 и в пассивной накладке 27. The through channel 14 connected to the cavity of each bellows 13, the inlet openings of the various fuel components 15 and 16, respectively made in the side wall of the fixed part 8 of the housing 1 and in the casing 5, are rigidly connected respectively to channels 32, 33, 34, which are located in the ultrasonic the Converter 25, in particular in the active plate 26, in the stud 31 and in the passive plate 27.

Механическая форсунка работает следующим образом. В исходном положении подвижные части форсунки, а именно подпружиненные плунжеры 4 и 7 и направляющая втулка 10, находятся в крайнем верхнем положении. The mechanical nozzle operates as follows. In the initial position, the movable parts of the nozzle, namely the spring-loaded plungers 4 and 7 and the guide sleeve 10, are in the highest position.

Для настройки работы механической форсунки на заданный режим, подается управляющее давление необходимой величины в межсильфонную полость и направляющая втулка 10 перемещается вниз. To adjust the operation of the mechanical nozzle to a predetermined mode, a control pressure of the required value is supplied to the inter-bellows cavity and the guide sleeve 10 moves down.

При подаче компонентов топлива в форсунку на пьезоэлементы 28 через токоподводящие шайбы 30 от ультразвукового генератора подается переменное напряжение. Ультразвуковой преобразователь 25 возбуждается, и в нем создается стоячая волна. Ультразвуковой преобразователь 25 работает как полуволновая колебательная система на частоте f = 22, 44 кГц с амплитудой колебания до 20 мкм. Объединение пассивной накладки 27 и пьезоэлементов 28 в полуволновую систему позволяет вывести источник колебаний из зоны максимальных внутренних напряжений, облегчает условия работы, снижает нагрев и повышает его эффективность. Наличие узловых плоскостей, расположенных на накладках 26 и 27, позволяет крепить преобразователь 25 и подавать в узловые плоскости компоненты топлива по каналам 33 и 34, а также создавать необходимое давление в сильфонах 13 по каналам 32. When the fuel components are fed into the nozzle, the piezoelectric elements 28 are supplied with alternating voltage from the ultrasonic generator through the current supply washers 30. The ultrasound transducer 25 is excited and a standing wave is generated in it. Ultrasonic transducer 25 operates as a half-wave oscillatory system at a frequency f = 22, 44 kHz with an oscillation amplitude of up to 20 μm. The combination of the passive lining 27 and the piezoelectric elements 28 in a half-wave system allows you to remove the oscillation source from the zone of maximum internal stresses, facilitates working conditions, reduces heating and increases its efficiency. The presence of nodal planes located on the linings 26 and 27, allows you to mount the Converter 25 and feed into the nodal planes of the fuel components through channels 33 and 34, as well as create the necessary pressure in the bellows 13 through channels 32.

При подаче компонентов топлива, с увеличением давления, подпружиненные плунжеры 4 и 7 перемещаются вниз за счет сил, действующих на кольцевые выступы плунжеров, причем резко снижаются силы внешнего трения и перекрываются перепускные канавки 3 и 18. When the fuel components are supplied, with increasing pressure, the spring-loaded plungers 4 and 7 move down due to the forces acting on the annular protrusions of the plungers, and the external friction forces sharply decrease and the bypass grooves 3 and 18 overlap.

После воспламенения компонентов топлива на нижнюю поверхность подвижных частей начинает действовать сила давления в камере, при этом подвижные части форсунки легче перемещаются вверх. При достижении заданного давления в камере устанавливается равновесие всех подвижных частей форсунки. Равновесие подвижных частей обеспечивается силами жесткости пружин 19, 23, сильфонов 13. After ignition of the fuel components, the pressure force in the chamber begins to act on the lower surface of the moving parts, while the moving parts of the nozzle move upward more easily. When the specified pressure in the chamber is reached, the equilibrium of all moving parts of the nozzle is established. The equilibrium of the moving parts is provided by the stiffness of the springs 19, 23, bellows 13.

При уменьшении управляющего давления, направляющая втулка 10 легче перемещается вверх, уменьшаются пощади проходных сечений протекания обоих компонентов топлива, - это режим дросселирования. Увеличение величин управляющего давления соответствует режиму формирования. When the control pressure decreases, the guide sleeve 10 moves upward more easily, the flow area of the flow cross sections of both fuel components decreases, this is the throttling mode. The increase in control pressure values corresponds to the formation mode.

В промежуточных режимах форсунка работает как регулятор прямого действия, однако учитывается фактор, что все подвижные элементы форсунки работают в более благоприятном режиме, например, при возрастании давления одного из компонентов за счет сил действующих на кольцевые выступы, плунжер 4 легко перемещается вниз, перепускные канавки 3 перекрываются и уменьшается расход компонента. In intermediate modes, the nozzle works as a direct-acting regulator, however, the factor is taken into account that all movable elements of the nozzle work in a more favorable mode, for example, when the pressure of one of the components increases due to the forces acting on the annular protrusions, the plunger 4 easily moves down, the bypass grooves 3 overlap and reduced component consumption.

Отверстия 10 и 22 в плунжере 7 и тарели 21 служат для гидравлического демпфирования подвижных частей форсунки, причем ультразвуковые колебания способствуют этому. The holes 10 and 22 in the plunger 7 and the plate 21 are used for hydraulic damping of the moving parts of the nozzle, and ultrasonic vibrations contribute to this.

Предлагаемая механическая форсунка обеспечивает распыление компонентов топлива за счет продольных колебаний в центральном выходном сопле 2 до 80 мкм, а в выходном сопле 6 до 40 мкм, что достаточно для эффективного горения в камерах ЖРД. The proposed mechanical nozzle provides atomization of the fuel components due to longitudinal vibrations in the central output nozzle of 2 to 80 μm, and in the output nozzle of 6 to 40 μm, which is sufficient for efficient combustion in the LRE chambers.

В настоящее время разработаны малогабаритные, простые и надежные в эксплуатации ультразвуковые генераторы на тиристорах значительной мощности, а предполагаемая механическая форсунка обеспечивает требуемую расходонапряженность, характерную для современных камер сгорания ЖРД, работающих на загущенных топливах. Small-sized, simple and reliable ultrasonic generators based on thyristors of significant power have been developed at present, and the proposed mechanical nozzle provides the required flow-rate characteristic of modern combustion engines operating on liquid fuel.

Claims

1. A mechanical nozzle containing a composite housing with a nozzle, with channels for supplying two components, characterized in that the composite housing with a nozzle is rigidly mounted in an active radiating pad and is aligned with the central axis of the ultrasonic transducer.

2. The nozzle according to claim 1, characterized in that the components are fed into the channels of the nozzle body through the active pad of the ultrasonic transducer at a distance from the end of the body λ / 4, where λ is the length of the ultrasonic wave.

3. The nozzle according to claims 1 and 2, characterized in that the supply of two components to the channels of the nozzle body is carried out through the zones of accuracy of vibrations of the active plate at a distance from the end of the body

where n is the number of half waves, λ is the length of the ultrasonic wave.

4. The nozzle according to any one of the preceding paragraphs, characterized in that the components are fed into the channels of the housing along the central axis of the ultrasonic transducer through a passive pad at a distance from the end of the housing

where n is the number of half waves, λ is the length of the ultrasonic wave.