RU2266470C1

RU2266470C1 - Method for preparing liquid fuel for dispersion into combustion chamber

Info

Publication number: RU2266470C1
Application number: RU2004111262/06A
Authority: RU
Inventors: Б.Н. Антипов (RU); Б.Н. Антипов; С.А. Волков (RU); С.А. Волков; Е.М. Копин (RU); Е.М. Копин; В.И. Фурлетов (RU); В.И. Фурлетов
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-12-20
Also published as: RU2004111262A

Abstract

FIELD: technology for producing high dispersion, evaporation and gasification of liquid fuel.

SUBSTANCE: method for preparing liquid fuel for dispersion in combustion chamber of primarily gas-turbine engine includes adding water to fuel, mixing those and forming an emulsion. Water component of emulsion is heated by UHF emission up to temperature, exceeding boiling temperature under pressure in combustion chamber, using heated water fuel temperature is increased and after that emulsion is injected into combustion chamber, while water immediately evaporates and increases in volume, and disperses heated fuel on drops in explosive manner. Fuel component of emulsion is heated to temperature, exceeding boiling temperature under pressure in combustion chamber, and after that emulsion is injected into combustion chamber, while both components of emulsion, being immediately evaporated, transform themselves to steam-like fuel torch. Fuel component of emulsion is heated to temperature, necessary for destruction of fuel, and after that resulting dispersion mixture with partially or fully gasified fuel is injected into combustion chamber, while liquid components of mixture, immediately evaporating, form steam-gas fuel torch together with gaseous fuel.

EFFECT: higher efficiency.

3 cl

Description

Изобретение относится к способам получения мелкодисперсного распыливания, испарения и газификации жидкого топлива при его использовании в камерах сгорания преимущественно газотурбинных двигателей или установок в авиадвигателестроении, энергетике и в других отраслях машиностроения.The invention relates to methods for producing fine atomization, evaporation and gasification of liquid fuel when it is used in combustion chambers of predominantly gas turbine engines or installations in aircraft engine manufacturing, power engineering, and other engineering industries.

Известен способ подготовки жидкого топлива к сжиганию (Заявка Российской Федерации RU N 95122303 от 25.12.95, кл. F 23 К 5/12, «Способ подготовки жидкого топлива к сжиганию»). Описанный способ включает в себя перемешивание жидкого топлива с водой, которая играет роль ингибитора, вещества, тормозящего образование окислов азота и серы при горении.A known method of preparing liquid fuel for combustion (Application of the Russian Federation RU N 95122303 from 12.25.95, CL F 23 K 5/12, "Method of preparing liquid fuel for burning"). The described method involves mixing liquid fuel with water, which plays the role of an inhibitor, a substance that inhibits the formation of nitrogen and sulfur oxides during combustion.

Недостатком указанного способа является то, что вода выполняет отведенную ей роль ингибитора только на стадии горения и не принимает активного участия в процессе распыливания топлива.The disadvantage of this method is that water plays the role of an inhibitor assigned to it only at the stage of combustion and does not take an active part in the process of atomization of fuel.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ предварительной обработки топлива (Авторское свидетельство Российской Федерации SU N 1254191 от 06.07.84, кл. F 02 М 27/00, «Способ обработки топлива двигателей внутреннего сгорания»). Описанный способ включает в себя перемешивание топлива с водой перед его распыливанием. Достигаемая за счет образования и схлопывания кавитационных пузырьков однородность смеси способствует улучшению качества распыливания топлива за счет уменьшения ее вязкости.The closest in technical essence to the claimed invention is a method of pre-treatment of fuel (Copyright certificate of the Russian Federation SU N 1254191 of 07/06/84, CL F 02 M 27/00, "Method of processing fuel of internal combustion engines"). The described method involves mixing fuel with water before spraying it. Achieved by the formation and collapse of cavitation bubbles, the uniformity of the mixture improves the quality of atomization of the fuel by reducing its viscosity.

Недостатком указанного способа является то, что вода, влияя на физические свойства смеси, активно не участвует в процессе распыливания топлива.The disadvantage of this method is that water, affecting the physical properties of the mixture, does not actively participate in the process of atomization of fuel.

В предложенном авторами изобретении решается задача активного участия воды в процессе предварительного подогрева топлива для улучшения мелкости его распыливания, испарения и деструкции (газификации), а также в процессе распыливания топлива.The invention proposed by the authors solves the problem of the active participation of water in the process of preheating the fuel to improve the fineness of its atomization, evaporation and destruction (gasification), as well as in the process of atomization of fuel.

Технический результат, направленный на решение поставленной задачи, обеспечивается тем, что к топливу добавляют воду, перемешивают и образуют эмульсию, причем водную составляющую эмульсии нагревают СВЧ излучением до температуры, превышающей температуру кипения при давлении в камере сгорания, с помощью подогретой воды повышают температуру топлива и после этого впрыскивают эмульсию в камеру, при этом вода, мгновенно испаряясь, увеличивает свой объем и взрывообразно распыливает подогретое топливо на капли.The technical result aimed at solving the problem is provided by the fact that water is added to the fuel, mixed and an emulsion is formed, the water component of the emulsion being heated by microwave radiation to a temperature exceeding the boiling point at a pressure in the combustion chamber, with the help of heated water, the fuel temperature is increased and after that, the emulsion is injected into the chamber, while water, instantly evaporating, increases its volume and explosively sprays heated fuel into drops.

Кроме того, технический результат обеспечивается тем, что топливную составляющую эмульсии нагревают до температуры, превышающей температуру кипения при давлении в камере сгорания, и после этого впрыскивают эмульсию в камеру сгорания, при этом обе составляющие эмульсии, мгновенно испаряясь, превращаются в парообразный топливный факел.In addition, the technical result is ensured by the fact that the fuel component of the emulsion is heated to a temperature exceeding the boiling point at a pressure in the combustion chamber, and then the emulsion is injected into the combustion chamber, while both components of the emulsion, instantly evaporating, turn into a vaporous fuel torch.

Помимо этого, технический результат достигается за счет того, что топливную составляющую эмульсии нагревают до температуры, необходимой для деструкции топлива, и после этого получившуюся дисперсную смесь с частично или полностью газифицированным горючим впрыскивают в камеру сгорания, при этом жидкие компоненты смеси, мгновенно испаряясь, образуют вместе с газообразным горючим парогазовый топливный факел.In addition, the technical result is achieved due to the fact that the fuel component of the emulsion is heated to the temperature necessary for the destruction of the fuel, and then the resulting dispersed mixture with partially or fully gasified fuel is injected into the combustion chamber, while the liquid components of the mixture, instantly evaporating, form together with gaseous fuel, a gas-vapor fuel torch.

Сущность предложенного способа заключается в следующем. На подготовленную водо-топливную эмульсию воздействуют СВЧ излучением с частотой 2.5-30 ГГц. За счет поглощения энергии СВЧ излучения водой происходит ее нагревание до температуры, превышающей температуру кипения воды при давлении в камере сгорания. Часть тепла вода отдает топливу. Благодаря большой длине волны СВЧ излучения (1-12 см), нагрев потока эмульсии происходит равномерно по всему сечению канала его подачи. После впрыска эмульсии в камеру сгорания перегретые капельки воды практически мгновенно испаряются, увеличивают свой объем и разрывают окружающие слои нагретого топлива на мелкие капли. При значении абсолютного давления в камере сгорания, например, 300 кПа капли воды должны быть нагреты до 130°С и выше. Это можно сделать без кипения воды, так как давление в системе подачи топлива превосходит давление в камере сгорания.The essence of the proposed method is as follows. The prepared water-fuel emulsion is exposed to microwave radiation with a frequency of 2.5-30 GHz. Due to the absorption of microwave energy by water, it is heated to a temperature exceeding the boiling point of water at a pressure in the combustion chamber. Water gives up part of the heat to the fuel. Due to the large wavelength of microwave radiation (1-12 cm), the heating of the emulsion flow occurs evenly over the entire cross section of its feed channel. After the emulsion is injected into the combustion chamber, superheated water droplets evaporate almost instantly, increase their volume and break the surrounding layers of heated fuel into small droplets. When the absolute pressure in the combustion chamber is, for example, 300 kPa, water droplets should be heated to 130 ° C and above. This can be done without boiling water, since the pressure in the fuel supply system exceeds the pressure in the combustion chamber.

Увеличивая мощность СВЧ излучения и время его воздействия на эмульсию, можно повысить температуру топлива до температуры, превышающей температуру его кипения при давлении в камере сгорания. Поскольку температура кипения жидкого углеводородного топлива превышает температуру кипения воды, то впрыск эмульсии в камеру сгорания под большим давлением вызывает взрывообразное испарение топлива и воды.By increasing the power of microwave radiation and the time of its effect on the emulsion, it is possible to increase the temperature of the fuel to a temperature exceeding its boiling point at a pressure in the combustion chamber. Since the boiling point of liquid hydrocarbon fuel exceeds the boiling point of water, the injection of the emulsion into the combustion chamber under high pressure causes explosive evaporation of the fuel and water.

Для термического разложения топлива (керосина) оно должно быть нагрето выше 570 К (300°С). Чтобы нагреть воду до этой температуры без кипения, давление должно быть равно примерно 9.5 МПа; при давлении 14 МПа воду можно нагреть без кипения до 335°С, Н.Ф. Дубовкин «Справочник по углеводородным топливам и их продуктам сгорания», ГЭИ, М., Л., 1962 г., с.28. Образовавшиеся в результате деструкции топлива газы сначала просто газируют эмульсию, затем по мере усиления газификации топлива превращают эмульсию в пену и, наконец, в аэрозоль, в которой мелкие капельки воды и топлива, оставшегося жидким, взвешены в газе. При впрыске сильно нагретой дисперсной среды, содержащей газ, в камеру сгорания мгновенно образуется парогазовый топливный факел.For thermal decomposition of fuel (kerosene), it must be heated above 570 K (300 ° C). To heat water to this temperature without boiling, the pressure should be equal to about 9.5 MPa; at a pressure of 14 MPa, water can be heated without boiling to 335 ° C, N.F. Dubovkin "Handbook of hydrocarbon fuels and their combustion products", SEI, M., L., 1962, p.28. The gases formed as a result of the degradation of the fuel first simply carbonate the emulsion, then, as the gasification of the fuel intensifies, the emulsion is transformed into foam and, finally, into an aerosol in which small droplets of water and fuel remaining liquid are suspended in the gas. When a highly heated dispersed medium containing gas is injected into the combustion chamber, a gas-vapor fuel torch instantly forms.

Перед впрыском в камеру сгорания вода из топлива не удаляется, ее присутствие не только помогает распылить топливо на мелкие капли, уменьшить сажеобразование, но и понизить эмиссию оксидов азота за счет снижения температуры пламени.Before injection into the combustion chamber, water is not removed from the fuel, its presence not only helps to spray the fuel into small droplets, reduce soot formation, but also reduce the emission of nitrogen oxides by lowering the flame temperature.

Мощность и время, в течение которого суспензия из топлива и воды должны подвергаться СВЧ излучению, а также объемная концентрация воды подбираются в зависимости от используемого способа подготовки топлива к сжиганию и требований, предъявляемых к устройству подачи топлива и в целом к двигателю.The power and time during which the suspension of fuel and water must be subjected to microwave radiation, as well as the volumetric concentration of water, are selected depending on the method used to prepare the fuel for combustion and the requirements for the fuel supply device and the engine as a whole.

Claims

1. The method of preparing liquid fuel for spraying mainly a gas turbine engine into the combustion chamber, in which water is added to the fuel, mixed and an emulsion is formed, characterized in that the water component of the emulsion is heated by microwave radiation to a temperature exceeding the boiling point at a pressure in the combustion chamber, with the help of heated water, increase the temperature of the fuel and then inject the emulsion into the combustion chamber, while the water, evaporating instantly, increases its volume and explosively sprays the heating etoe fuel into droplets.

2. The method according to claim 1, characterized in that the fuel component of the emulsion is heated to a temperature exceeding the boiling point at a pressure in the combustion chamber, and then the emulsion is injected into the combustion chamber, while both components of the emulsion, instantly evaporating, turn into vaporous fuel torch.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the fuel component of the emulsion is heated to a temperature necessary for the destruction of the fuel, and then the resulting dispersed mixture with partially or fully gasified fuel is injected into the combustion chamber, while the liquid components of the mixture are instantly evaporating, form a gas-vapor fuel torch together with gaseous fuel.