RU2147075C1

RU2147075C1 - Fuel processing device mainly for gas turbine engines

Info

Publication number: RU2147075C1
Application number: RU99110481A
Authority: RU
Inventors: В.Н. Лыженков; А.А. Хохонин; Ю.П. Минаков; Р.Д. Бигеев; А.Г. Астафьев
Original assignee: Лыженков Василий Николаевич; Хохонин Александр Александрович
Priority date: 1999-05-19
Filing date: 1999-05-19
Publication date: 2000-03-27

Abstract

FIELD: power engineering; internal combustion engines and power plants operating on similar types of fuel; boiler burners. SUBSTANCE: proposed device has different polarity central electrode and ring electrode coaxially arranged relative to central electrode, both electrodes being connected to supply source. Device is furnished additionally with different polarity ring electrodes. Like polarity electrodes are installed in clearances between other polarity electrodes with displacement S at end faces in direction of longitudinal axis found from equation S=(0.21 - 0.79) L where L is width of electrodes. EFFECT: increased degree of fuel combustion at reduced toxicity of combustion products. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к способам обработки топлива перед его сжиганием путем воздействия на поток топлива высоковольтного напряжения, и может быть использовано в газотурбинных двигателях, а также в иных энергетических установках с аналогичными видами топлива, например в горелках котельных, двигателях внутреннего сгорания, двигателях Стирлинга и т.п. The invention relates to heat engineering, in particular to methods of processing fuel before burning it by exposing the fuel flow to high voltage, and can be used in gas turbine engines, as well as in other power plants with similar types of fuel, for example, boiler burners, internal combustion engines, Stirling engines, etc.

Уровень техники. The prior art.

Известно устройство для обработки топлива, выполненное в виде цилиндрического корпуса из электроизоляционного материала, на наружной поверхности которого размещен отрицательный электрод в виде оплетки, а внутри корпуса с зазором относительно его внутренней поверхности расположен положительный электрод (см. SU 1671934, F 02 М 27/04, 1991). A device for processing fuel is known, made in the form of a cylindrical body made of insulating material, on the outer surface of which a negative electrode in the form of a braid is placed, and a positive electrode is located inside the body with a gap relative to its inner surface (see SU 1671934, F 02 M 27/04 , 1991).

В данном устройстве топливо проходит в зазоре между внутренней поверхностью корпуса и положительным электродом и подвергается воздействию электрического поля. Обработанное таким образом топливо направляется на сжигание, после которого образуются продукты сгорания, имеющие меньшую токсичность, поскольку воздействие электрического поля на топливо приводит к уменьшению размера капель топлива при его распылении, например в карбюраторе. In this device, the fuel passes in the gap between the inner surface of the housing and the positive electrode and is exposed to an electric field. The fuel treated in this way is directed to combustion, after which combustion products are formed that have less toxicity, since the effect of an electric field on the fuel leads to a reduction in the size of droplets of fuel when it is sprayed, for example, in a carburetor.

Однако данное устройство недостаточно эффективно, т.к. между положительным и отрицательным электродами расположен корпус из электроизоляционного материала, уменьшающий напряженность электрического поля. However, this device is not effective enough, because between the positive and negative electrodes is a body made of electrical insulating material, which reduces the electric field strength.

Известно также устройство для обработки топлива, содержащее два параллельно (коаксиально) расположенных электрода, между которыми размещен корпус из электроизоляционного материала (см. RU 2038506, F 02 М 27/04, 1992). It is also known a device for processing fuel, containing two parallel (coaxial) located electrodes between which a housing of electrical insulating material is placed (see RU 2038506, F 02 M 27/04, 1992).

Устройство содержит генератор переменного напряжения, которое при перемещении топлива внутри корпуса вызывает в топливе подвижное электромагнитное поле. Под действием электромагнитного поля топливо энергетизируется и дробится на мелкие фракции. Воздействие электромагнитного поля на топливо, с одной стороны, увеличивает степень диспергации, но, с другой стороны, создание переменного подвижного электромагнитного поля сопровождается существенными потерями электрической энергии, которые обусловлены относительно низкой электропроводностью топлива. Наличие корпуса из электроизоляционного материала еще в большей степени увеличивает потери электрической энергии. The device comprises an alternating voltage generator, which, when the fuel moves inside the housing, causes a moving electromagnetic field in the fuel. Under the influence of an electromagnetic field, fuel is energized and crushed into small fractions. The impact of the electromagnetic field on the fuel, on the one hand, increases the degree of dispersion, but, on the other hand, the creation of an alternating moving electromagnetic field is accompanied by significant losses of electrical energy, which are caused by the relatively low electrical conductivity of the fuel. The presence of a housing made of electrical insulating material further increases the loss of electrical energy.

В устройстве для обработки топлива (см. SU 1773282, F 02 М 27/04, 1991) внутри электроизоляционного корпуса установлены последовательно с зазором по торцам электроды, выполненные в виде втулок. Наличие зазоров между торцами приводит к резкому расширению топлива, которое интенсивно турбулизируется. Электрическое поле между торцами электродов повышает степень обработки, а отсутствие электроизоляционного материала между рабочими поверхностями электродов уменьшает потери электрической энергии. Вместе с тем создание электрического поля только по торцам электродов, т.е. в незначительном объеме, не позволяет в полной мере использовать энергию поля для воздействия на топливо. In the device for processing fuel (see SU 1773282, F 02 M 27/04, 1991), electrodes made in the form of bushings are installed in series with an end gap at the ends of the electrical insulating casing. The presence of gaps between the ends leads to a sharp expansion of the fuel, which is intensively turbulized. The electric field between the ends of the electrodes increases the degree of processing, and the absence of an insulating material between the working surfaces of the electrodes reduces the loss of electrical energy. However, the creation of an electric field only at the ends of the electrodes, i.e. to a small extent, it does not allow the full use of field energy for influencing fuel.

Наиболее близким по своей технической сущности к описываемому устройству является устройство для обработки топлива преимущественно газотурбинных двигателей, содержащее разнополярные центральный электрод и коаксиально расположенный по отношению к центральному электроду кольцевой электрод, подключенные к источнику питания (см. RU 2032107, F 02 М 27/04, 1995). The closest in technical essence to the described device is a device for processing fuel of mainly gas turbine engines, containing a bipolar central electrode and a ring electrode coaxially located with respect to the central electrode, connected to a power source (see RU 2032107, F 02 M 27/04, 1995).

В известном устройстве два электрода подключены к источнику высокого напряжения, создающему электрическое поле. При пропускании потока топлива через электрическое поле с напряжением от 20 кВ до 25 кВ происходит поляризация молекул топлива и образуются диполи, которые под действием того же поля приобретают определенную ориентацию. Одноименные диполи отталкиваются друг от друга и тем самым снижают межмолекулярное притяжение частиц топлива. Чем выше заряд, получаемый диполями, тем больше сила отталкивания и соответственно меньше межмолекулярное притяжение. В связи с уменьшением сил межмолекулярного притяжения, диспергация жидкого топлива происходит почти до молекулярного состояния, что существенно повышает эффективность последующего сжигания топлива. In the known device, two electrodes are connected to a high voltage source that creates an electric field. When a fuel stream is passed through an electric field with a voltage from 20 kV to 25 kV, the fuel molecules become polarized and dipoles form, which acquire a certain orientation under the influence of the same field. The dipoles of the same name repel each other and thereby reduce the intermolecular attraction of fuel particles. The higher the charge received by the dipoles, the greater the repulsive force and, accordingly, the less intermolecular attraction. Due to the decrease in the forces of intermolecular attraction, the dispersion of liquid fuel occurs almost to the molecular state, which significantly increases the efficiency of subsequent combustion of fuel.

Однако воздействие высокого напряжения на топливо в известном устройстве неравномерно по объему потока топлива, протекающего в кольцевом зазоре между электродами. Это обусловлено тем, что зазор между электродами должен быть достаточным для исключения пробоя и отсутствия возникновения электрической дуги при высоких значениях напряжения. Поэтому в известном устройстве кольцевое поперечное сечение обрабатываемого потока топлива достаточно велико, а воздействие электрического поля на поток топлива неоднородно по кольцевому сечению потока топлива. However, the effect of high voltage on fuel in the known device is not uniform in the volume of fuel flow flowing in the annular gap between the electrodes. This is due to the fact that the gap between the electrodes should be sufficient to prevent breakdown and the absence of an electric arc at high voltage values. Therefore, in the known device, the annular cross section of the processed fuel flow is quite large, and the effect of the electric field on the fuel flow is not uniform over the annular cross section of the fuel flow.

Увеличение числа электродов в известном устройстве не приведет к повышению эффективности обработки, т.к. для исключения пробоя зазор между электродами должен быть сохранен и, следовательно, сохранится неоднородность воздействия электрического поля по поперечному сечению потока топлива. The increase in the number of electrodes in the known device will not lead to increased processing efficiency, because to avoid breakdown, the gap between the electrodes must be maintained and, therefore, the heterogeneity of the electric field over the cross section of the fuel flow will be preserved.

Сущность изобретения. SUMMARY OF THE INVENTION

Задачей настоящего изобретения является разработка и создание устройства для обработки топлива, которое имеет большую эффективность и позволяет увеличить параметры последующего сжигания топлива при меньшей токсичности продуктов сгорания. The objective of the present invention is to develop and create a device for processing fuel, which has greater efficiency and allows you to increase the parameters of subsequent combustion of fuel with less toxicity of combustion products.

В результате решения данной задачи могут быть получены новые технические результаты, заключающиеся в том, что повышается однородность обработки потока топлива по его поперечному сечению и увеличивается степень воздействия электрического поля на топливо при обеспечении возможности снижения напряжения. As a result of solving this problem, new technical results can be obtained, consisting in the fact that the uniformity of processing the fuel flow along its cross section increases and the degree of influence of the electric field on the fuel increases while providing the possibility of reducing voltage.

Указанные результаты достигаются тем, что устройство для обработки топлива, преимущественно газотурбинных двигателей, содержащее разнополярные центральный электрод и коаксиально расположенный по отношению к центральному электроду кольцевой электрод, подключенные к источнику питания, дополнительно содержит кольцевые электроды различной полярности, причем электроды одной полярности установлены в зазорах между электродами другой полярности со смещением S по торцам в направлении продольной оси, выбранным из условия:
S=(0,21-0,79)•L,
где L - ширина электродов.These results are achieved by the fact that the device for processing fuel, mainly gas turbine engines, containing a bipolar central electrode and a ring electrode coaxially located relative to the central electrode connected to a power source, further comprises ring electrodes of different polarity, the electrodes of the same polarity being installed in the gaps between electrodes of a different polarity with an offset S at the ends in the direction of the longitudinal axis, selected from the condition:
S = (0.21-0.79) • L,
where L is the width of the electrodes.

Отличительная особенность описываемого изобретения состоит в том, что устройство для обработки топлива преимущественно газотурбинных двигателей дополнительно содержит кольцевые электроды различной полярности, причем электроды одной полярности установлены в зазорах между электродами другой полярности. Неожиданно оказалось, что уменьшение зазоров между электродами с достижением технического результата возможно в том случае, если электроды одной полярности смещены по торцам в направлении продольной оси относительно электродов другой полярности. A distinctive feature of the described invention is that the device for processing fuel of mainly gas turbine engines further comprises ring electrodes of different polarity, and the electrodes of one polarity are installed in the gaps between the electrodes of another polarity. It unexpectedly turned out that reducing the gaps between the electrodes with the achievement of a technical result is possible if the electrodes of one polarity are displaced along the ends in the direction of the longitudinal axis relative to the electrodes of another polarity.

Экспериментально было выявлено, что величина смещения S зависит от ширины L кольцевых электродов и составляет от 0,21 до 0,79. It was experimentally revealed that the bias value S depends on the width L of the ring electrodes and ranges from 0.21 to 0.79.

Действительно, если смещение S будет менее 0,21•L, то электроды одной полярности практически будут вложены в электроды другой полярности, что приведет к возможности пробоя, поскольку силовые линии электрического поля будут направлены практически по радиусу, т.е. длина силовых линий электрического поля приблизительно равна величине зазора между электродами. Indeed, if the displacement S is less than 0.21 • L, then the electrodes of one polarity will practically be inserted into the electrodes of another polarity, which will lead to the possibility of breakdown, since the lines of force of the electric field will be directed practically along the radius, i.e. the length of the electric field lines is approximately equal to the gap between the electrodes.

Если смещение S будет более 0,21•L, но менее 0,79•L, то длина силовых линий электрического поля, проходящих от поверхности одного электрода к поверхности другого электрода, существенно превышает величину зазора, что позволяет его уменьшить. If the displacement S is more than 0.21 • L, but less than 0.79 • L, then the length of the electric field lines passing from the surface of one electrode to the surface of the other electrode significantly exceeds the gap, which allows it to be reduced.

В случае превышения смещения S значения 0,79•L возможен пробой по торцам электродов, т. к. в этом случае распределение силовых линий электрического поля в существенной степени подобно распределению силовых линий при последовательной установке электродов. If the bias S is exceeded, 0.79 • L, breakdown at the ends of the electrodes is possible, because in this case the distribution of the electric field lines is substantially similar to the distribution of the field lines during the sequential installation of the electrodes.

Вместе с тем кольцевые электроды, установленные коаксиально со смещением вдоль продольной оси, ламинизируют поток обрабатываемого топлива и исключают возникновение пульсационных составляющих потока топлива, снижая вероятность пробоя. Вероятность пробоя уменьшается также в связи с тем, что наличие дополнительных кольцевых разнополярных электродов, количество которых, очевидно, не меньше двух, увеличивает суммарную рабочую поверхность электродов, поскольку силовые линии электрического поля расположены как со стороны внутренней поверхности кольцевого электрода, так и со стороны наружной поверхности кольцевого электрода. At the same time, ring electrodes mounted coaxially with an offset along the longitudinal axis laminate the flow of the processed fuel and exclude the occurrence of pulsating components of the fuel flow, reducing the likelihood of breakdown. The probability of breakdown is also reduced due to the fact that the presence of additional ring bipolar electrodes, the number of which, obviously, is not less than two, increases the total working surface of the electrodes, since the electric field lines are located both from the side of the inner surface of the ring electrode and from the outside surface of the ring electrode.

Кроме того, электроды могут быть выполнены с возможностью изменения положения вдоль продольной оси и/или с возможностью перемещения вдоль продольной оси. In addition, the electrodes can be configured to change position along the longitudinal axis and / or to move along the longitudinal axis.

Целесообразно также наличие регулятора напряжения, соединенного с источником питания и с электродами. It is also advisable to have a voltage regulator connected to a power source and to the electrodes.

Перечень фигур чертежей. The list of figures drawings.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства, на фиг. 2 показано поперечное сечение электродного блока, а на фиг. 3 показан вид А на фиг. 2. In FIG. 1 shows a general view of the device, FIG. 2 shows a cross section of an electrode block, and FIG. 3 shows a view A in FIG. 2.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Information confirming the possibility of carrying out the invention.

Устройство для обработки топлива содержит электродный блок 1, соединенный с трубопроводом 2 подачи топлива посредством, например, фланцевого соединения 3. Электродный блок 1 подключен к источнику 4 питания кабелями 5. Устройство может быть снабжено регулятором напряжения, в качестве которого использован, в частности, реостат 6 или любое известное устройство с аналогичными функциями. The fuel processing device comprises an electrode unit 1 connected to a fuel supply pipe 2 by, for example, a flange connection 3. The electrode unit 1 is connected to the power supply 4 by cables 5. The device can be equipped with a voltage regulator, in particular, a rheostat 6 or any known device with similar functions.

Электродный блок 1 содержит корпус 7, который может быть набран из цилиндрических колец 8. Кольца 8 выполнены из элетроизоляционного материала, например из текстолита. Внутри корпуса 7 на несущих элементах 9 установлены кольцевые электроды 10 одной полярности и кольцевые электроды 11 другой полярности. Электроды одной из полярностей имеют центральный электрод 12, который может быть также выполнен кольцевой формы. Электроды 10 одной полярности и электроды 11 другой полярности расположены коаксиально, причем электроды 10 и одной полярности установлены в зазорах между электродами 11 другой полярности со смещением S в направлении продольной оси, выбранным из условия: S = (0,21 - 0,79)•L, где L - ширина электродов. Изменение величины смещения S, т. е. изменение положения электродов в продольном направлении, может быть осуществлено посредством использования промежуточных кольцевых вставок 13 и 14 различной толщины. Перемещение электродов вдоль продольной оси можно осуществить за счет выполнения колец 8 с внутренней и наружной соответствующей резьбой (на чертежах не показано). Электроды различной полярности электрически соединены с соответствующими несущими элементами 9, к которым подключены выводы 15. The electrode unit 1 contains a housing 7, which can be assembled from cylindrical rings 8. The rings 8 are made of electrical insulating material, for example, PCB. Inside the housing 7, ring electrodes 10 of one polarity and ring electrodes 11 of another polarity are mounted on the supporting elements 9. The electrodes of one of the polarities have a central electrode 12, which can also be made ring-shaped. The electrodes 10 of one polarity and the electrodes 11 of the other polarity are located coaxially, and the electrodes 10 and one polarity are installed in the gaps between the electrodes 11 of the other polarity with an offset S in the direction of the longitudinal axis, selected from the condition: S = (0.21 - 0.79) • L, where L is the width of the electrodes. The change in the magnitude of the displacement S, i.e., the change in the position of the electrodes in the longitudinal direction, can be accomplished by using intermediate ring inserts 13 and 14 of different thicknesses. The movement of the electrodes along the longitudinal axis can be accomplished by making rings 8 with internal and external corresponding threads (not shown in the drawings). The electrodes of different polarity are electrically connected to the corresponding supporting elements 9, to which the terminals 15 are connected.

Устройство для обработки топлива функционирует следующим образом. При необходимости обработки топлива устройство с помощью фланцевых соединений 3 подключают к трубопроводу 2. Соединяют клеммы 15 с помощью кабелей 5 с источником питания 4, на который подают постоянное напряжение от 4,0 кВ до 35 кВ. Величина выбранного напряжения устанавливается с помощью реостата 6 или любого известного регулятора. Установкой колец 13 и 14, количество которых и толщина выбирается из условия обеспечения минимальной и максимальной величин смещения S разнополярных электродов и выбранного шага положения разнополярных электродов в направлении продольной оси. Несложным предварительным подбором величины смещения разнополярных электродов, значения рабочего напряжения в зависимости от скорости потока топлива и его характеристик добиваются наилучших режимов обработки. A device for processing fuel operates as follows. If it is necessary to process fuel, the device using flange connections 3 is connected to the pipeline 2. Connect terminals 15 using cables 5 to a power source 4, to which a constant voltage from 4.0 kV to 35 kV is supplied. The value of the selected voltage is set using rheostat 6 or any known regulator. The installation of rings 13 and 14, the number of which and the thickness is selected from the condition of ensuring the minimum and maximum values of the displacement S of the opposite-polar electrodes and the selected position pitch of the opposite-polar electrodes in the direction of the longitudinal axis. A simple preliminary selection of the bias values of bipolar electrodes, the values of the operating voltage, depending on the fuel flow rate and its characteristics, achieve the best processing conditions.

Claims

1. A device for processing fuel mainly of gas turbine engines, containing a bipolar central electrode and a ring electrode coaxially located relative to the central electrode connected to a power source, characterized in that it further comprises ring electrodes of different polarity, the electrodes of the same polarity being installed in the gaps between the electrodes a different polarity with an offset S in the direction of the longitudinal axis selected from the condition
S = (0.21 - 0.79) • L,
where L is the width of the electrodes.

2. The fuel processing device according to claim 1, characterized in that the electrodes are arranged to change position along the longitudinal axis and / or to move along the longitudinal axis.

3. The device for processing fuel according to claim 1 or 2, characterized in that it is equipped with a voltage regulator connected to a power source and electrodes.