RU2636947C1 - Fuel jet of aircraft engine - Google Patents
Fuel jet of aircraft engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2636947C1 RU2636947C1 RU2016147548A RU2016147548A RU2636947C1 RU 2636947 C1 RU2636947 C1 RU 2636947C1 RU 2016147548 A RU2016147548 A RU 2016147548A RU 2016147548 A RU2016147548 A RU 2016147548A RU 2636947 C1 RU2636947 C1 RU 2636947C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- air
- metal
- voltage
- internal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M27/00—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
- F02M27/04—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by electric means, ionisation, polarisation or magnetism
Landscapes
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к авиастроению, в частности к способам и устройствам для распыла различных видов жидкого углеводородного топлива и подготовки топливно-воздушной смеси перед ее сжиганием, и может найти применение в системах питания газотурбинных двигателей, а также в турбореактивных двигателях и иных энергетических установках, например, в различного вида горелках.The invention relates to aircraft manufacturing, in particular to methods and devices for spraying various types of liquid hydrocarbon fuel and preparing a fuel-air mixture before burning it, and may find application in power systems of gas turbine engines, as well as in turbojet engines and other power plants, for example, in various types of burners.
Известны топливные форсунки, в которых для повышения эффективности распыла топлива создают в коаксиальных внутренних и наружных каналах закрученные в противоположном направлении потоки топлива и воздуха [пат. РФ №2172893, МПК F23D 11/12, F23C 11/00, B05B 1/34, опубл. 27.08.2001]. Недостатком известного устройства является невысокое качество распыла топлива, сложность конструкции и технологическая сложность его изготовления.Fuel nozzles are known in which, in order to increase the efficiency of fuel atomization, fuel and air flows are twisted in the opposite direction in coaxial internal and external channels [US Pat. RF №2172893, IPC
Известна также топливная форсунка газотурбинного двигателя, содержащая корпус, внутреннюю и наружную втулки, образующие с корпусом коаксиальные каналы для создания параллельных потоков жидкости в среднем канале и потоков распылителя во внутреннем и наружном каналах, подключенных к сопловому аппарату, позволяющему интенсифицировать горение жидкого топлива путем максимального развития поверхности жидкой фазы, что достигается переходом к сжиганию топлива в капельном состоянии. Известна пневматическая топливная форсунка, содержащая топливный и воздушные внутренний и наружный завихрители для закрутки потоков топлива и воздуха [пат. РФ №2431777, кл. F23D 11/12, опубл. БИ №29, 20.10.2011]. Недостатком известного устройства является невысокое качество распыла топлива, сложность конструкции и технологическая сложность его изготовления.A fuel nozzle of a gas turbine engine is also known, comprising a housing, inner and outer bushings forming coaxial channels with the housing for creating parallel fluid flows in the middle channel and atomizer flows in the inner and outer channels connected to the nozzle apparatus, which allows intensifying the combustion of liquid fuel by maximizing development surface of the liquid phase, which is achieved by the transition to the combustion of fuel in a droplet state. Known pneumatic fuel nozzle containing fuel and air internal and external swirls for swirling the flow of fuel and air [US Pat. RF №2431777, class F23D 11/12, publ. BI No. 29, 10.20.2011]. A disadvantage of the known device is the low quality of the atomization of fuel, the complexity of the design and the technological complexity of its manufacture.
Известны различные устройства и способы повышения эффективности распыла топлива путем создания (от источника электрического напряжения с электрическими резисторами, емкостями, индуктивностями) в топливе электрического поля и использования различных операций при подготовке топливно-воздушной смеси.There are various devices and methods for increasing the efficiency of fuel atomization by creating (from a source of electrical voltage with electric resistors, capacitors, inductances) in an electric field fuel and using various operations in preparing a fuel-air mixture.
По одному из них в дизельном двигателе внутреннего сгорания дизельное топливо дополнительно подвергают обработке электрическим полем в камере, в которой испарившийся пар диссоциирует на водород и кислород, поступающие в цилиндры в смеси с топливом [пат. РФ №2011881, МПК F02M 27/04, БИ №8, 1994]. Недостатками известного устройства являются невысокое качество распыла, многооперационность и конструктивная сложность, низкое быстродействие и низкая электро- и пожаробезопасность устройств, его реализующих.According to one of them, in a diesel internal combustion engine, diesel fuel is additionally subjected to electric field treatment in a chamber in which the vaporized vapor dissociates into hydrogen and oxygen entering the cylinders mixed with fuel [US Pat. RF №2011881, IPC F02M 27/04, BI No. 8, 1994]. The disadvantages of the known device are the low quality of the spray, multi-operation and structural complexity, low speed and low electrical and fire safety of devices that implement it.
Известна топливная форсунка, в которой на электроды, размещенные в корпусе, подают от источника электрического напряжения, содержащего электрические резисторы, емкости, индуктивности, высокое напряжение порядка 20-25 кВ и сообщают потоку топлива электрический заряд [пат. РФ №2032107, МПК F02M 27/04, БИ №9, 1995]. Недостатками известного устройства являются невысокое качество распыла, большие энергозатраты, использование очень высокого электрического напряжения, низкое быстродействие, а также низкая электро- и пожаровзрывобезопасность, конструктивная и технологическая сложность устройства.Known fuel nozzle, in which the electrodes placed in the housing are supplied from a source of electrical voltage containing electrical resistors, capacitance, inductance, a high voltage of the order of 20-25 kV and inform the fuel flow of an electric charge [US Pat. RF No. 2032107, IPC F02M 27/04, BI No. 9, 1995]. The disadvantages of the known device are the low quality of the spray, high energy consumption, the use of very high electrical voltage, low speed, as well as low electrical and fire and explosion safety, structural and technological complexity of the device.
Известна топливная форсунка, в которой в спиралевидной полости обработки жидких и/или газообразных сред, на электроды типа «игла-плоскость» подают электрическое напряжение от высоковольтного источника электрического напряжения, содержащего электрические резисторы, емкости, индуктивности, и дополнительно используют постоянные магниты, чередующиеся полярностью и усиливающие магнитное поле и магнитный экран [пат. РФ №2093699, МПК F02M 27/04, БИ №29, 1997]. Недостатками известного устройства являются невысокое качество распыла, конструктивная и технологическая сложность, требующая существенных конструктивных изменений применительно к существующим топливным системам газотурбинных двигателей, а также низкие быстродействие и электро- и пожаровзрывобезопасность.A fuel injector is known in which an electric voltage from a high-voltage source of electric voltage containing electric resistors, capacities, inductances is supplied to the needle-plane electrodes in a spiral cavity for processing liquid and / or gaseous media, and permanent magnets alternating with polarity are additionally used and reinforcing the magnetic field and magnetic screen [US Pat. RF №2093699, IPC F02M 27/04, BI №29, 1997]. The disadvantages of the known device are the low quality of the spray, structural and technological complexity, requiring significant structural changes in relation to the existing fuel systems of gas turbine engines, as well as low speed and electrical and fire and explosion safety.
Наиболее близким к заявляемому материалу и принятым в качестве прототипа является топливная форсунка [пат. РФ №2469205, МПК F02M 27/04], в которой в топливном канале размещены электроды типа «сетка-сетка», на которые подают постоянное электрическое напряжение от высоковольтного источника электрического напряжения, содержащего электрические резисторы, емкости, индуктивности, и создают между электродами электрическое поле с высокой напряженностью (8-15)·105 В/м. Далее подачей закрученного потока воздуха получают топливно-воздушную смесь и обеспечивают ее горение, при этом на электроды подают постоянное высоковольтное напряжение. В качестве топлива в прототипе применяли при экспериментах дизельное топливо и бензин, смешанный с 20% этилового спирта. Кроме указанных выше конструктивных элементов, данная топливная форсунка содержит корпус, распыливающее сопло, топливные и воздушные внутренние завихрители, конфузор.Closest to the claimed material and adopted as a prototype is a fuel nozzle [US Pat. RF №2469205, IPC F02M 27/04], in which fuel-grid-type electrodes are placed in the fuel channel, to which a constant voltage is supplied from a high-voltage source of electrical voltage, containing electrical resistors, capacities, inductances, and an electric circuit is created between the electrodes field with high intensity (8-15) · 10 5 V / m. Then, by supplying a swirling air stream, a fuel-air mixture is obtained and it is burned, while a constant high voltage voltage is applied to the electrodes. As the fuel in the prototype, diesel fuel and gasoline mixed with 20% ethyl alcohol were used in the experiments. In addition to the above structural elements, this fuel nozzle contains a housing, a spray nozzle, fuel and air internal swirls, a confuser.
К недостаткам данного устройства относится невысокое качество распыла, использование очень сильных электрических полей, низкое быстродействие, низкая электро- и пожаровзрывобезопасность. Оно требует высокой очистки топлива для исключения засорений сеток-электродов, использование вместо стандартного топлива специально приготовленного - бензина, смешанного с 20% этилового спирта, а также конструктивная и технологическая сложность устройства, требующая существенных конструктивных изменений в существующих топливных системах газотурбинных двигателей.The disadvantages of this device include the low quality of the spray, the use of very strong electric fields, low speed, low electrical and fire and explosion safety. It requires high fuel purification to prevent clogging of the electrode grids, the use of specially prepared gasoline mixed with 20% ethanol instead of standard fuel, as well as the structural and technological complexity of the device, which requires significant structural changes in the existing fuel systems of gas turbine engines.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение электро- и пожаровзрывобезопасность топливной форсунки при ее работе в авиационном двигателе, повышение быстродействия, упрощение конструкции и технологичности изготовления топливной форсунки и улучшение параметров каплеобразования на ее выходе, получение мелкодисперсной топливно-воздушной смеси, что в конечном итоге приведет к более полному ее сгоранию, а также снижению уровня токсичности выходных продуктов горения и повышению экономичности потребления топлива при обеспечении требуемой мощности авиадвигателя.The technical problem to which the invention is directed is to ensure electrical and fire and explosion safety of the fuel nozzle when it is operating in an aircraft engine, increase speed, simplify the design and manufacturability of the manufacture of the fuel nozzle and improve the droplet formation parameters at its outlet, and obtain a finely dispersed fuel-air mixture, which ultimately lead to a more complete combustion, as well as a decrease in the level of toxicity of the combustion products and increase the efficiency of consumption Fuel storage while ensuring the required engine power.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой топливной форсунке авиационного двигателя, содержащей корпус, топливный канал с распыливающим соплом, воздушные внутренний и наружный каналы, топливный и воздушные внутренний и наружный завихрители для закрутки потоков топлива и воздуха, два электрода, подсоединенных к источнику электрического напряжения, резисторы, изолирующие втулки между электродами, одним из электродов, соединенным через один из резисторов (первый резистор) с потенциальным выходом источника переменного электрического напряжения, является внутренний металлический воздушный завихритель с острой выходной кромкой и входным конфузором с размещенным центральным металлическим стержнем, металлическая пленка на острой выходной кромке внутреннего воздушного завихрителя и на выходном торце изолирующей втулки в топливном канале с закрученным потоком топлива, а вторым электродом, соединенным с выходом «земля» источника переменного электрического напряжения, является внутренняя поверхность распыливающего сопла в топливном канале вместе с металлическими корпусом и наружным воздушным завихрителем, причем внутренний воздушный канал образован внутренними поверхностями центрального стержня и внутреннего воздушного завихрителя, а выходы источника переменного электрического напряжения соединены через один (первый) и другой (второй) резисторы. При этом переменное электрическое напряжение с выхода источника электрического напряжения осуществляют с изменяющейся частотой следования пачек импульсов с изменением амплитуды напряжения в пачке импульсов.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed fuel nozzle of an aircraft engine comprising a housing, a fuel channel with a spray nozzle, air internal and external channels, fuel and air internal and external swirls for swirling the flow of fuel and air, two electrodes connected to an electric source voltage, resistors, insulating sleeves between the electrodes, one of the electrodes connected through one of the resistors (first resistor) to the potential output of the source voltage, is an internal metal air swirl with a sharp output edge and an inlet confuser with a central metal rod placed, a metal film on the sharp output edge of the internal air swirl and at the output end of the insulating sleeve in the fuel channel with a swirling fuel flow, and the second electrode connected with the output "ground" of the source of alternating electrical voltage, is the inner surface of the spray nozzle in the fuel channel naturally with a metal casing and an external air swirl, the inner air channel being formed by the inner surfaces of the central rod and the internal air swirl, and the outputs of the AC voltage source are connected through one (first) and another (second) resistors. In this case, an alternating electric voltage from the output of the electric voltage source is carried out with a varying pulse train repetition rate with a change in the voltage amplitude in the pulse packet.
Для увеличения устойчивости процесса горения топливно-воздушной смеси закрутка потоков топлива и воздуха в топливном и воздушных завихрителях осуществляется в одном направлении. При этом в качестве металла пленки на поверхности острой кромки внутреннего воздушного завихрителя и на выходном торце изолирующей втулки использован тугоплавкий металл, например вольфрам, титан, а толщина пленки и радиус закругления острой кромки внутреннего воздушного завихрителя составляют 1-5 мкм. Металлическая пленка на выходном торце изолирующей втулки заканчивается со стороны распыливающего сопла, образуя игольчатые электроды толщиной 1-5 мкм, причем в качестве материала изолирующей втулки выбрана керамика с относительной диэлектрической проницаемостью 3-15, выдерживающая температуру внешней среды до 800°C, например, корундоциркониевая керамика Al2O3 - 95%, ZrO2 - 5%.To increase the stability of the combustion process of the fuel-air mixture, the swirling flow of fuel and air in the fuel and air swirls is carried out in one direction. In this case, a refractory metal, for example, tungsten, titanium, is used as the film metal on the surface of the sharp edge of the inner air swirl and the output end of the insulating sleeve, and the film thickness and the radius of curvature of the sharp edge of the inner air swirl are 1-5 μm. The metal film at the output end of the insulating sleeve ends from the side of the spray nozzle, forming needle electrodes 1-5 μm thick, and ceramic with a relative dielectric constant of 3-15, withstanding ambient temperature up to 800 ° C, for example, corundum zirconium, is selected as the material of the insulating sleeve ceramics Al 2 O 3 - 95%, ZrO 2 - 5%.
Поскольку электрическое поле в топливной форсунке прикладывается непосредственно к диэлектрическому топливу (керосину), то источник электрического напряжения имеет высокоомную нагрузку (порядка 107-108 Ом) и рабочий ток в нем составляет единицы микроампер и ниже. Поэтому выходная мощность используемого в предлагаемом не превышать 1-2 Вт. Следовательно, при использовании таких маломощных высоковольтных схем проблемы безопасности обслуживающего персонала не возникает, поскольку они менее опасны, чем низковольтные (напряжение - десятки вольт и мощность - десятки ватт).Since the electric field in the fuel nozzle is applied directly to dielectric fuel (kerosene), the electric voltage source has a high resistance load (of the order of 10 7 -10 8 Ohms) and the working current in it is of a few microamperes and lower. Therefore, the output power used in the proposed one does not exceed 1-2 watts. Therefore, when using such low-power high-voltage circuits, the safety problems of the attendants do not arise, since they are less dangerous than low-voltage ones (voltage - tens of volts and power - tens of watts).
Электрическая схема источника электрического напряжения в предлагаемой топливной форсунке авиационного двигателя обладает внутренней взрывобезопасностью с учетом особенностей конструктивного исполнения топливной форсунки. Нагрузка источника электрического напряжения в предлагаемой топливной форсунке емкостная, однако емкость электродов типа игла-плоскость очень невелика (пикофарады), что исключает возможность накопления количества электрической энергии, достаточного для создания мощной искры, вызывающей взрыв. Кроме того, для этого в потенциальную цепь источника электрического напряжения последовательно с емкостной нагрузкой электродов включен один из резисторов (первый резистор), что ограничивает электрический ток между электродами. Последнее обосновано тем, что требуемый для работы топливной форсунки ток намного меньше тока, получаемого на выходе источника электрического напряжения.The electrical circuit of the voltage source in the proposed fuel nozzle of the aircraft engine has an internal explosion safety, taking into account the peculiarities of the design of the fuel nozzle. The load of the voltage source in the proposed fuel nozzle is capacitive, however, the capacity of the needle-plane electrodes is very small (picofarads), which excludes the possibility of accumulating enough electric energy to create a powerful spark that causes an explosion. In addition, for this, one of the resistors (the first resistor) is included in series with the capacitive load of the electrodes in the potential circuit of the voltage source, which limits the electric current between the electrodes. The latter is justified by the fact that the current required for the operation of the fuel injector is much less than the current received at the output of the electric voltage source.
Таким образом достигается необходимое условие выполнения требований по обеспечению взрывобезопасности, а именно обеспечению минимальной электрической энергии поджигания топливно-воздушной смеси (МЭП), накапливаемой в межэлектродном промежутке топливной форсунки, при которой исключается воспламенение керосино-воздушной смеси. Ниже МЭП поджигание керосино-воздушной смеси невозможно. Этому способствует и использование в топливной форсунке переменного электрического напряжения.Thus, the necessary condition for fulfilling the requirements for ensuring explosion safety is achieved, namely, ensuring the minimum electric energy of ignition of the fuel-air mixture (MEP) accumulated in the interelectrode gap of the fuel nozzle, in which ignition of the kerosene-air mixture is excluded. Below the MEP, the ignition of a kerosene-air mixture is impossible. This contributes to the use in the fuel injector of an alternating voltage.
Кроме того, для обеспечения высокого быстродействия воздействия электрического поля на топливо параллельно эквивалентному сопротивлению нагрузки на выходе источника электрического напряжения подсоединен в предлагаемой топливной форсунке другой (второй) резистор. Он ограничивает максимальный уровень накапливаемой электрической энергии в емкостной нагрузке при работе топливной форсунки.In addition, to ensure high speed effects of the electric field on the fuel in parallel with the equivalent load resistance at the output of the voltage source, another (second) resistor is connected in the proposed fuel nozzle. It limits the maximum level of accumulated electrical energy in a capacitive load during the operation of the fuel injector.
Для повышения частоты выходного напряжения большое значение имеют постоянные времени выходной цепи источника электрического напряжения. При использовании схем умножителей напряжения (удвоения) для повышения выходного напряжения необходимо иметь в виду, что схема удвоения по своему принципу действия должна иметь емкости. Поэтому для повышения частоты коммутации ограничивают напряжение, сводя эти емкости до минимального значения (десятки пикофарад). Для обеспечения максимального быстродействия и нагрузочной способности умножителей напряжения используется двукратное уменьшение емкости конденсаторов в ступенях.To increase the frequency of the output voltage, the time constants of the output circuit of the voltage source are of great importance. When using voltage multiplier (doubling) circuits to increase the output voltage, it must be borne in mind that the doubling circuit must have capacitances by its principle of operation. Therefore, to increase the switching frequency, they limit the voltage, reducing these capacities to a minimum value (tens of picofarads). To ensure maximum speed and load capacity of voltage multipliers, a twofold decrease in the capacitance of the capacitors in the steps is used.
Конструкция предлагаемой топливной форсунки представлена на фиг. 1 и 2.The design of the proposed fuel injector is shown in FIG. 1 and 2.
На фиг. 1 и2 приняты следующие обозначения:In FIG. 1 and 2 the following designations are accepted:
1 - трубка подвода топлива; 2 - корпус топливной форсунки; 3 - сопло топливного распылителя (распыливающее сопло); 4 - топливный завихритель с тремя тангенциальными пазами 19; 5 - воздушный наружный завихритель; 6 - металлическая пленка; 7 - изоляционная керамическая втулка; 8 - воздушный внутренний завихритель; 9 - изоляционная керамическая трубка; 10 - крышка; 11 - потенциальный электрод; 12 - металлическая шайба; 13 - гайка; 14 - стойки центрального стержня; 15 - центральный металлический стержень; 16 - источник электрического напряжения; 17 - первый резистор R1: 18 - второй резистор R2: 19 - паз топливного завихрителя; 20 - топливный распылитель.1 - fuel supply pipe; 2 - fuel injector body; 3 - nozzle of a fuel sprayer (spray nozzle); 4 - fuel swirl with three
Воздушный внутренний завихритель 8 выполнен с входным (по направлению потока воздуха) конфузором и выходной острой кромкой (см. фиг. 1), радиус закругления которой составляет 1-5 мкм. Во входном конфузоре внутреннего воздушного завихрителя 8 располагается центральный металлический стержень 15, механически соединенный посредством четырех стоек 14 с внутренними стенками конфузора. При этом обеспечивается хороший электрический контакт стоек 14 с внутренними стенками конфузора внутреннего воздушного завихрителя 8 таким образом, чтобы их электрическое сопротивление было одинаковым.The air
В центральном металлическом стержне 15 выполнена резьба для резьбового присоединения специального металлического электрода 11 посредством гайки 13 и шайбы 12 к потенциальному выходу источника электрического напряжения 16. Сборка 13, 12, 11 с наружной частью центрального стержня 15 размещается в изолирующей трубке (на фиг. 1 не показано) для обеспечения требований техники безопасности. Внутренний воздушный завихритель 8 выполнен из металла и изолирован от корпуса форсунки 2 с помощью керамической втулки 7 и керамической трубки 9, материал которых выбран из условий обеспечения хороших изоляционных свойств с одновременным выполнением требований обеспечения жаропрочности, поскольку при работе топливной форсунки в авиационном двигателе температура внешней среды может достигать 800°C. Поэтому в предлагаемой топливной форсунке в качестве материала керамических втулки 7 и трубки 9 выбрана керамика с относительной диэлектрической проницаемостью 3-15, выдерживающая температуру внешней среды до 800°C, например, корундоциркониевая керамика Al2O3 - 95%, ZrO2 - 5%.A thread is made in the
На выходную острую кромку с радиусом закругления 1-5 мкм внутреннего воздушного завихрителя 8, собранного совестно с изоляционной керамической втулкой 7, нанесено проводящая металлическая пленка (проводящее металлическое покрытие) 6 из тугоплавкого металла, например вольфрама, титана (см. фиг. 2), толщиной 1-5 мкм. При этом металлическая пленка 6 на выходном торце изолирующей керамической втулки 7 заканчивается со стороны распыливающего сопла 3, образуя игольчатые электроды толщиной 1-5 мкм.A conductive metal film (conductive metal coating) 6 made of a refractory metal, for example tungsten, titanium (see Fig. 2), is applied to the output sharp edge with a radius of 1-5 μm of the
Таким образом, в предлагаемой топливной форсунке потенциальным электродом, соединенным через резистор 17 с потенциальным выходом источника электрического напряжения 16, являются центральный металлический стержень 15, размещенный во входном конфузоре внутреннего металлического воздушного завихрителя 8 с острой выходной кромкой, сам внутренний металлический воздушный завихритель 8 с острой выходной кромкой, пленка 6 из тугоплавкого металла на данной острой кромке и на выходном торце изолирующей керамической втулки 7 в топливном канале с закрученным потоком топлива. При этом пленка 6 заканчивается на выходном торце изолирующей керамической втулки 7 со стороны распыливающего сопла 3, образуя игольчатые электроды толщиной 1-5 мкм.Thus, in the proposed fuel nozzle, the potential electrode connected through the
В свою очередь, внутренний воздушный канал образован внутренними поверхностями центрального металлического стержня 15, размещенного с помощью стоек 14 во входном конфузоре внутреннего металлического воздушного завихрителя 8, внутренние поверхности внутреннего воздушного завихрителя 8 с острой выходной кромкой.In turn, the inner air channel is formed by the inner surfaces of the
Вторым электродом, соединенным с выходом «земля» источника электрического напряжения 16 и с выходом резистора 18 (вход резистор 18 соединен с выходом резистора 17), является внутренняя поверхность распыливающего сопла 3 топливного распылителя 20 в топливном канале, металлические корпус 2 и наружный воздушный завихритель 5.The second electrode connected to the ground output of the
Следовательно, отличительные от прототипа признаки заявленного изобретения состоят в том, что одним из электродов, соединенным через резистор 17 с потенциальным выходом источника переменного электрического напряжения 16, являются металлические центральный стержень 15 во внутреннем воздушном канале, внутренний воздушный завихритель 8, выполненный с входным конфузором и выходной острой кромкой с радиусом закругления 1-5 мкм, металлическая пленка 6 из тугоплавкого металла на данной острой кромке и на выходном торце изолирующей керамической втулки 7 в топливном канале с закрученным потоком топлива, одной из стенок которого является внутренняя поверхность распыливающего сопла 3, одновременно являющаяся вместе с металлическими корпусом 2, наружным воздушным завихрителем 5 вторым электродом, соединенным с выходом «земля» источника переменного электрического напряжения 16. При этом выходы источника переменного электрического напряжения 16 соединены через резисторы 17, 18, а пленка 6 заканчивается на выходном торце изолирующей керамической втулки 7 со стороны распыливающего сопла 3, образуя игольчатые электроды толщиной 1-5 мкм. Закрутка потока топлива в топливном канале осуществляется с помощью топливного завихрителя 4 с тремя тангенциальными пазами 19.Therefore, distinctive features of the prototype of the claimed invention are that one of the electrodes connected through a
Детали внутреннего воздушного контура форсунки вставляются в корпус 2 и прижимаются крышкой 10. Крышка 10 фиксирует внутреннюю конструкцию форсунки, но данная крышка электрически не контактирует с потенциальным электродом топливной форсунки.Details of the internal air circuit of the nozzle are inserted into the
Предлагаемая конструкция топливной форсунки обеспечивает повышение быстродействия и взрывобезопасности, конструктивное упрощение и повышение технологичности изготовления топливной форсунки при одновременном повышении качества распыла топлива за счет уменьшения диаметра распыливаемых капель топлива и сообщении им униполярного электрического заряда. Это обусловлено следующим:The proposed design of the fuel nozzle provides improved performance and explosion safety, structural simplification and improved manufacturability of the fuel nozzle while improving the quality of fuel atomization by reducing the diameter of the atomized fuel droplets and communicating a unipolar electric charge to them. This is due to the following:
- обеспечением минимальной электрической энергии поджигания топливно-воздушной смеси, использованием маломощного (1-2 Вт) источника переменного электрического напряжения 16 с рабочими токами единицы микроампер и ниже, обладающего внутренней взрывобезопасностью и исключением возможности накопления в межэлектродном промежутке количества электрической энергии, достаточного для создания мощной искры, вызывающей взрыв. Кроме того, для этого в потенциальную цепь источника электрического напряжения 16 последовательно с емкостной нагрузкой электродов включен резистор 17, что ограничивает электрический ток между электродами. В свою очередь, переменное электрическое напряжение с выхода источника электрического напряжения 16 осуществляют с изменяющейся частотой следования пачек импульсов (до 50 кГц) с изменением амплитуды импульсов напряжения в пачке (уменьшением амплитуды напряжения в пачке по экспоненте с постоянными времени до 100 мкс). Длительность фронта импульса в пачке импульсов не превышает 1 мкс, а амплитуда переменного напряжения не превышает 4 кВ;- ensuring minimum electric energy for igniting the fuel-air mixture, using a low-power (1-2 W) source of alternating
- обеспечением высокого быстродействия воздействия электрического поля на топливо за счет того, что параллельно эквивалентному сопротивлению нагрузки на выходе источника электрического напряжения 16 подсоединен резистор 18, одновременно ограничивающий максимальный уровень накапливаемой электрической энергии в емкостной нагрузке электродов топливной форсунки. При этом используются схемы умножителей напряжения с двухкратым уменьшением емкости конденсаторов в ступенях умножения источника электрического напряжения, причем эти емкости имеют очень малые значения (десятки пикофарад);- ensuring high speed of the impact of the electric field on the fuel due to the fact that a
- сообщением закрученным в одном направлении потокам топлива и воздуха униполярного электрического заряда в резко неоднородном поле между электродами типа «игла-плоскость», где роль иглы играют срезы напыленной тугоплавкой металлической пленки на выходном торце изолирующей керамической втулки и острая выходная кромка внутреннего воздушного распылителя, а роль плоскости - внутренняя поверхность распыливающего сопла;- communication of unipolar electric charge flows of fuel and air in one direction in a sharply inhomogeneous field between the needle-plane electrodes, where the role of the needle is played by slices of a sprayed refractory metal film at the output end of the insulating ceramic sleeve and the sharp output edge of the internal air atomizer, and the role of the plane is the inner surface of the spray nozzle;
- применением изоляционных керамических деталей простой формы, потому что при этом существенно упрощается их изготовление и уменьшается количество брака, поскольку обработка на современных станках твердых и хрупких керамических заготовок с относительной диэлектрической проницаемостью 3-15, выдерживающих температуру внешней среды до 800°C, например, корундоциркониевой керамики Al2O3 - 95%, ZrO2 - 5%, является технологически сложной;- the use of insulating ceramic parts of a simple form, because their manufacture is significantly simplified and the number of defects is reduced, since processing on modern machines of hard and brittle ceramic billets with a relative dielectric constant of 3-15, withstanding an ambient temperature of up to 800 ° C, for example, corundum zirconia ceramics Al 2 O 3 - 95%, ZrO 2 - 5%, is technologically complex;
- в предлагаемой конструкции топливной форсунки максимально уменьшено число изоляционных керамических деталей (их всего две), при этом, как уже отмечалось выше, сами керамические детали имеют простую форму и сниженные требования к точности изготовления, что улучшает технологичность их изготовления:- the number of insulating ceramic parts is minimized in the proposed design of the fuel nozzle (there are only two of them), while, as noted above, the ceramic parts themselves have a simple shape and reduced requirements for manufacturing accuracy, which improves the manufacturability of their manufacture:
- повышением надежности крепления изоляционных керамических деталей к металлу, поскольку в предлагаемой конструкции топливной форсунки не требуется применения относительно ненадежной органосиликатной композиции, например, органосиликатной эмали, в качестве клея для крепления керамики к металлу. Предлагаемая конструкция топливной форсунки полностью сварная. Детали внутреннего воздушного контура форсунки вставляются в корпус и прижимаются крышкой, которая, в свою очередь, приваривается к корпусу. Это повышает надежность и максимально возможную температуру применения топливной форсунки;- increasing the reliability of fastening of insulating ceramic parts to metal, since the proposed design of the fuel nozzle does not require the use of a relatively unreliable organosilicate composition, for example, organosilicate enamel, as an adhesive for fixing ceramics to metal. The proposed design of the fuel nozzle is fully welded. The parts of the internal air circuit of the nozzle are inserted into the housing and pressed against the cover, which, in turn, is welded to the housing. This increases the reliability and the maximum possible temperature of the fuel injector;
- применением конструктивно простой системы подвода электрического напряжения от источника электрического напряжения к потенциальному электроду топливной форсунки за счет изменения конструкции внутреннего воздушного завихрителя. В конструкцию внутреннего воздушного завихрителя на входе в форсунку введен центральный металлический стержень, на конце которого выполнена резьба. На резьбу, в свою очередь, устанавливается специальный электрод, к которому подводится электрическое напряжение.- the use of a structurally simple system for supplying electric voltage from an electric voltage source to a potential electrode of a fuel injector due to a change in the design of the internal air swirl. A central metal rod has been introduced into the structure of the internal air swirl at the inlet to the nozzle, at the end of which a thread is made. On the thread, in turn, a special electrode is installed, to which an electrical voltage is applied.
Принцип действия предлагаемой топливной форсунки основан на распыливании заданного объема топлива с использованием электрофизических и электрогидрогазодинамических эффектов (модификации топлива, уменьшение коэффициента поверхностного натяжения униполярно заряженных капель топлива, исключение слияния униполярно заряженных капель в топливо-воздушной смеси и других) в соответствующим образом организованных электрических полях от источника электрического напряжения 16, а также энергии воздушного потока. Игольчатые электроды образованы острой выходной кромкой воздушного внутреннего завихрителя 8 и краями нанесенной на нее и на торец изоляционной керамической втулки 7 металлической пленки 6 из тугоплавкого материала, например вольфрама или титана (см. фиг. 1 и 2).The principle of operation of the proposed fuel injector is based on spraying a predetermined volume of fuel using electrophysical and electrohydro-gas-dynamic effects (fuel modifications, reduction of the surface tension coefficient of unipolar charged fuel droplets, elimination of the merger of unipolar charged droplets in a fuel-air mixture and others) in appropriately organized electric fields a source of
Для создания униполярного потока ионов знака потенциала игольчатого электрода используется резко неоднородное поле, которое прикладывается к закрученным потокам топлива и воздуха между кольцевыми коаксиальными электродами типа «игла» и выходом распыливающего сопла 3.To create a unipolar ion flux of the needle electrode potential sign, a sharply inhomogeneous field is used, which is applied to the swirling flows of fuel and air between the “needle” ring coaxial electrodes and the
Все это позволяет увеличить, по сравнению с прототипом, эффективность параметров распыла топлива и горения топливно-воздушной смеси в газотурбинных двигателях. Кроме того, использование энергии воздушного потока позволяет снизить перепад давления топлива на форсунке, что, в свою очередь, способствует повышению ресурса как самой топливной форсунки, так и топливного насоса (на фиг. 1 не показанного). При этом используется энергия высокоскоростного закрученного с помощью внутреннего 8 и наружного 5 воздушных завихрителей воздушного потока, поступающего из компрессора (на фиг. 1 не показанного).All this allows you to increase, compared with the prototype, the efficiency of the parameters of the fuel atomization and combustion of the fuel-air mixture in gas turbine engines. In addition, the use of energy from the air flow reduces the pressure drop across the nozzle, which in turn helps to increase the life of both the fuel nozzle and the fuel pump (not shown in FIG. 1). This uses the energy of a high-speed swirling with the help of the internal 8 and external 5 air swirls of the air flow coming from the compressor (not shown in Fig. 1).
Таким образом, на выходе данной топливной форсунки образуется гомогенизированная топливно-воздушная смесь, что также снижает уровень дымления в выхлопных газах газотурбинного двигателя.Thus, at the exit of this fuel injector a homogenized air-fuel mixture is formed, which also reduces the level of smoke in the exhaust gases of a gas turbine engine.
Для распыливания заданного объема топлива необходимо, чтобы поток топлива в топливном канале был преобразован в кольцевую пленку в распыливающем сопле 3. Для этого топливо в форсунку поступает через топливную трубку 1 и отверстие в корпусе 2 и далее попадает в кольцевой топливный канал и проходит через тангенциальные пазы 19 топливного завихрителя 4. После прохождения тангенциальных каналов топливного завихрителя 4 закрученный поток топлива под действием центробежных сил распределяется по внутренней поверхности канала распыливающего сопла - «префилмера» 3 в виде закрученной пленки и попадает на распыливающую кромку сопла, где встречается с потоком воздуха из центрального воздушного канала внутреннего воздушного завихрителя 8 с острой выходной кромкой. Данный канал образован внутренним каналом воздушного внутреннего металлического завихрителя 8 и его острой кромкой. Игольчатые электроды образованы острой выходной кромкой воздушного внутреннего завихрителя 8 и краями нанесенной на нее и на торец изоляционной керамической втулки 7 металлической пленки 6 из тугоплавкого материала, например вольфрама или титана, толщиной (1-5) мкм. При этом керамика выбрана из условий выполнения требований как по обеспечению необходимых изолирующих свойств, так и жаропрочности. Исходя из этих условий в предлагаемой топливной форсунке использована керамика с относительной диэлектрической проницаемостью 3-15, выдерживающая температуру внешней среды до 800°C, например, корундоциркониевая керамика типа Al2O3 - 95%, ZrO2 - 5%. Напыленная металлическая пленка 6 образует электрический контакт между игольчатым электродом внутреннего воздушного завихрителя и игольчатыми электродами на торце изоляционной керамической втулки 7. Таким образом реализуется потенциальный электрод топливной форсунки, который через проводящий центральный стержень 15, электрически контактирующий с металлическим дифузором внутреннего воздушного завихрителя 8, и электрод 11, подсоединяется к потенциальному выходу источника электрического напряжения 16.To spray a given amount of fuel, it is necessary that the fuel flow in the fuel channel is converted into an annular film in the
Внутренний (центральный) воздушный канал форсунки представляет собой канал, образованный внутренним воздушным завихрителем 8 например, осевым двухлопаточным завихрителем с плоскими лопатками с заданным углом закрутки. Закрученный воздух после прохождения внутреннего (центрального) воздушного канала затем воздействует на закрученную топливную пленку. При этом закрутка топлива и воздуха осуществляется в одну и ту же сторону, что обеспечивает устойчивость процесса горения на некоторых режимах работы камеры сгорания турбореактивного двигателя.The inner (central) nozzle air channel is a channel formed by the
При подаче электрического напряжения от источника 16 на электроды заявленной топливной форсунки между электродами типа «острие» и распыливающим металлическим соплом 3 возникает резко неоднородное электрическое поле и образуется униполярный поток ионов знака потенциала игольчатых электродов. При этом закрученной топливной пленке и закрученном потоку воздуха сообщается униполярный электрический заряд. Сообщается также униполярный заряд и каплям топлива при распаде заряженной топливной пленки. Кроме того, при проходе потока топлива топливо модифицируется в однородном электрическом поле. Модификация топлива повышает эффективность сгорания топлива.When applying electric voltage from the
После срыва с кромки распыливающего сопла 3 топливно-воздушная пленка по периферии обдувается закрученным потоком воздуха из наружного осевого воздушного завихрителя 5. Омывающий границу раздела сред воздух имеет значительную скорость (80…100 м/с), возмущая и дестабилизируя ниже по потоку межфазную границу с образованием крупномасштабных связанных заряженных униполярно структур - «лигаментов». Заряженные униполярно лигаменты дробятся на более мелкие капли за счет кулоновских сил отталкивания и высоким уровнем турбулентных напряжений в сдвиговом слое, индуцированном закруткой потоков воздуха с наружной и внутренней стороны, которые затем поступают в основную зону горения камеры сгорания газотурбинного двигателя.After disengaging from the edge of the spraying
Таким образом, (по сравнению с прототипом) дополнительно к вышеуказанным отличиям:Thus, (compared with the prototype) in addition to the above differences:
- существенно уменьшается гидравлическое сопротивления электродной системы потоку топлива и воздуха;- significantly reduces the hydraulic resistance of the electrode system to the flow of fuel and air;
- увеличивается надежность работы топливной форсунки, поскольку исключается засорение электродной системы;- increases the reliability of the fuel nozzle, since excluded clogging of the electrode system;
- упрощается конструкция и увеличивается технологичность изготовления топливной форсунки;- simplified design and increases the manufacturability of the manufacture of the fuel nozzle;
- повышается эффективность распыла топлива и горения топливно-воздушной смеси специальным образом организованных электрических полей.- increases the efficiency of fuel atomization and combustion of the fuel-air mixture in a specially organized electric fields.
По своему функциональному назначению заявленное устройство является электропневматической форсункой. В ней для увеличения эффективности процессов распыла топлива, образования и горения топливно-воздушной смеси создают в топливном канале после топливного завихрителя в закрученном потоке топлива однородное электрическое поле и резко неоднородное электрическое поле на выходе из сопла закрученной топливной пленки и в закрученном потоке воздуха. При этом однородное и резко неоднородное электрическое поле создают одновременно, причем создают в резко неоднородном электрическом поле в закрученных топливной пленке и потоке воздуха униполярный электрический заряд одного знака. Каплям топлива при распаде топливной пленки сообщается униполярный электрический заряд. Последнее способствует более интенсивному распаду униполярно заряженной вытекающей из распыливающего сопла топливной пленки на более мелкие капли в закрученном потоке воздуха и препятствует их слиянию за счет кулоновских сил в образующейся топливно-воздушной смеси. В свою очередь, сообщение униполярного заряда закрученному потоку воздуха того же знака, что и каплям топлива, способствует (за счет кулоновских сил) более интенсивному перемешиванию топливно-воздушной смеси.According to its functionality, the claimed device is an electro-pneumatic nozzle. In it, to increase the efficiency of the processes of fuel atomization, formation and combustion of the air-fuel mixture, a uniform electric field and a sharply inhomogeneous electric field are created in the fuel channel after the fuel swirl in the swirling fuel flow at the exit of the nozzle of the swirling fuel film and in the swirling air flow. In this case, a uniform and sharply inhomogeneous electric field is created simultaneously, and a unipolar electric charge of the same sign is created in a sharply inhomogeneous electric field in the swirling fuel film and air flow. Drops of fuel during the decay of the fuel film is given a unipolar electric charge. The latter contributes to a more intense decay of the unipolarly charged fuel film flowing out of the spray nozzle into smaller droplets in a swirling air stream and prevents their coalescence due to Coulomb forces in the resulting air-fuel mixture. In turn, the communication of a unipolar charge to a swirling stream of air of the same sign as the droplets of fuel contributes (due to Coulomb forces) to more intensive mixing of the fuel-air mixture.
Электрический заряд капель топлива снижает их поверхностное натяжение, что облегчает распад заряженной капли на более мелкие капли, интенсифицирует испарение заряженной капли при попадании капли в жаровую трубу.The electric charge of the fuel droplets reduces their surface tension, which facilitates the disintegration of the charged droplet into smaller droplets, intensifies the evaporation of the charged droplet when the droplet enters the flame tube.
Все эти обстоятельства способствуют интенсификации процессов распыла и горения топливно-воздушной смеси в турбореактивном двигателе, снижают тепловое излучение и, соответственно, снижают лучистый тепловой поток, негативно воздействующий на стенки жаровой трубы.All these circumstances contribute to the intensification of the processes of atomization and combustion of the fuel-air mixture in a turbojet engine, reduce heat radiation and, accordingly, reduce the radiant heat flux that adversely affects the walls of the flame tube.
Предлагаемая топливная форсунка прежде всего предназначена для камер сгорания богато-бедного типа, в которой обдув заряженной топливной пленки с распыливающего сопла воздухом осуществляется с внутренней и внешней стороны с использованием внутреннего и наружного воздушных завихрителей. В этом случае турбулентные пульсации, возникающие как за счет газогидродинамических явлений, так и электрогидрогазодинамических явлений, активно участвуют в процессе распада топливной пленки, вытекающей из распыливающего сопла. Для вовлечении сил инерции в процесс дробления капель топливо и воздух, как отмечалось выше, предварительно закручивают. Противоположная закрутка воздуха, проходящего через внутренний и наружный завихрители, позволяют максимально интенсифицировать процесс распада топливной пленки и дальнейшее дробление капель. Однако при этом противоположная закрутка, как правило, приводит к более значительным нестационарным эффектам. Это негативно сказывается на устойчивости процесса горения на некоторых режимах работы камеры сгорания турбореактивного двигателя.The proposed fuel nozzle is primarily intended for the rich-poor type combustion chambers, in which air is blown from the inner and outer sides of a charged fuel film from a spray nozzle using internal and external air swirlers. In this case, turbulent pulsations arising both from gas-hydrodynamic phenomena and electro-hydro-gas-dynamic phenomena are actively involved in the decay of the fuel film flowing from the spray nozzle. To engage the inertia forces in the process of droplet crushing, the fuel and air, as noted above, are pre-screwed. The opposite swirling of air passing through the inner and outer swirlers allows to intensify the process of decay of the fuel film and the further crushing of droplets. However, the opposite twist, as a rule, leads to more significant non-stationary effects. This negatively affects the stability of the combustion process in some modes of operation of the combustion chamber of a turbojet engine.
В связи с этим, в предлагаемом устройстве используется закрутка потоков в одном направлении для повышения устойчивости процесса горения в газотурбинном двигателе.In this regard, the proposed device uses a swirl of flows in one direction to increase the stability of the combustion process in a gas turbine engine.
В основу предлагаемой топливной форсунки положены следующие физико-технические и физикохимические явления.The basis of the proposed fuel injector is based on the following physical, technical and physicochemical phenomena.
Известно, что распыливание топлива играет важную роль в эффективности сгорания топливно-воздушной смеси и количестве испускания при сгорании загрязняющих веществ. В частности, более мелкодисперсная топливно-воздушная смесь обеспечивает более эффективное сгорание топлива, приводящее к увеличению отдаваемой двигателем мощности и уменьшению вредных выбросов. Это связано с тем фактом, что сгорание начинается от поверхности раздела между каплями топлива и воздухом (кислородом). Если размер капель топлива уменьшается, полная площадь поверхности до начала процесса горения увеличивается, повышая эффективность сгорания топливно-воздушной смеси и улучшая качественные характеристики выбросов продуктов сгорания (улучшая экологические показатели работы авиадвигателей).It is known that fuel atomization plays an important role in the efficiency of combustion of a fuel-air mixture and the amount of emission during the combustion of pollutants. In particular, a finer-dispersed fuel-air mixture provides a more efficient combustion of the fuel, leading to an increase in the power output from the engine and a reduction in harmful emissions. This is due to the fact that combustion starts from the interface between the droplets of fuel and air (oxygen). If the size of the droplets of fuel decreases, the total surface area before the start of the combustion process increases, increasing the efficiency of combustion of the fuel-air mixture and improving the quality of emissions of combustion products (improving the environmental performance of aircraft engines).
В предлагаемом устройстве уменьшение размера капель на выходе топливной форсунки достигается тем, что в потоке топлива после топливного завихрителя в однородном переменном электрическом поле с изменяющейся частотой при относительно малых (до 4 кВ) напряжениях на электродах осуществляют молекулярную модификацию топлива путем возбуждения энергетических уровней молекул углеводородного топлива, а также осуществляют разбивку больших кластеров соединений различных молекул топлива на более мелкие. В свою очередь, в резко неоднородном электрическом поле на выходе из распыливающего сопла в закрученной топливной пленке и в закрученном потоке воздуха создают униполярный поток ионов. Таким образом сообщают униполярный заряд того или иного знака как каплям разбивающейся вытекающей из сопла закрученной топливной пленки, так и обдуваемому потоку воздуха. При этом знак электрического заряда как на каплях, так и в потоке обдуваемого воздуха выбирают один и тот же. Причем однородное и резко неоднородное электрическое поле создают одновременно.In the proposed device, reducing the size of the droplets at the outlet of the fuel injector is achieved by the fact that in the fuel stream after the fuel swirl in a uniform alternating electric field with a varying frequency at relatively low (up to 4 kV) voltages on the electrodes, molecular modification of the fuel is carried out by excitation of energy levels of hydrocarbon fuel molecules , and also break down large clusters of compounds of various fuel molecules into smaller ones. In turn, in a sharply inhomogeneous electric field at the exit of the spray nozzle in a swirling fuel film and in a swirling air stream, a unipolar ion flow is created. In this way, a unipolar charge of one or another sign is reported to both drops of a broken swirling fuel film flowing out of the nozzle and to a blown air stream. In this case, the sign of the electric charge both on the droplets and in the flow of the blown air is chosen the same. Moreover, a uniform and sharply inhomogeneous electric field is created simultaneously.
На основании условий устойчивости капли под действием сил поверхностного натяжения и электростатических сил установлено, что электрический заряд уменьшает поверхностное натяжение капли на величинуBased on the conditions of droplet stability under the influence of surface tension and electrostatic forces, it was found that the electric charge reduces the surface tension of the droplet by
где Δα=α-αq - уменьшение коэффициента поверхностного натяжения заряженной капли, Н/м; α - коэффициент поверхностного натяжения незаряженной капли, Н/м; αq - коэффициент поверхностного натяжения заряженной капли, Н/м; q - электрический заряд капли, Кл; 
Следовательно, имеет место уменьшение поверхностного натяжения заряженной капли топлива по сравнению с незаряженной каплей, что способствует ее разрушению под действием аэродинамических сил. Образуются более мелкие капли. Известно, что чем меньше диаметр капли горючего и чем однородней состав горючей смеси, тем эффективнее процесс воспламенения и горения углеводородных топлив и их смесей.Therefore, there is a decrease in the surface tension of a charged drop of fuel compared to an uncharged drop, which contributes to its destruction under the action of aerodynamic forces. Smaller drops form. It is known that the smaller the diameter of the droplet of fuel and the more uniform the composition of the combustible mixture, the more efficient the process of ignition and combustion of hydrocarbon fuels and their mixtures.
Условие неустойчивого равновесия заряженной капли топлива, движущейся в потоке воздуха при отсутствии внешнего электрического поля, при котором начинается ее разрушение, имеет видThe condition of unstable equilibrium of a charged drop of fuel moving in an air stream in the absence of an external electric field, at which its destruction begins, has the form
где νотн - относительная скорость воздуха по отношению к скорости заряженной капли; γn - поверхностная плотность капли топлива, кг/м2.where ν rel - the relative speed of air relative to the speed of a charged drop; γ n is the surface density of a drop of fuel, kg / m 2 .
В результате обработки полученных экспериментальных данных, подтверждающих уменьшение поверхностного капли топлива при сообщении ей электрического заряда, поверхностное натяжение заряженной капли топлива определяется следующим выражением, справедливым для всех возможных диаметров капель при распыле топливной пленки на выходе распыливающего сопла в воздушном потоке:As a result of processing the obtained experimental data confirming a decrease in the surface drop of fuel when an electric charge is communicated to it, the surface tension of a charged drop of fuel is determined by the following expression, which is valid for all possible diameter of the droplets when spraying the fuel film at the exit of the spray nozzle in the air stream:
где dk - диаметр капли, м.where d k is the diameter of the drop, m
В результате осуществляют уменьшение поверхностного натяжения заряженных капель модифицированного в однородном электрическом поле углеводородного топлива и одновременно создают интенсивную турбулизацию среды вокруг капель топлива за счет аэрогидродинамических и кулоновских сил отталкивания (электрические заряды капель топлива и обдуваемого воздушного потока одного знака).As a result, the surface tension of charged drops of hydrocarbon fuel modified in a uniform electric field is reduced and intense turbulence of the medium around the fuel drops is created due to the aerohydrodynamic and Coulomb repulsive forces (electric charges of the fuel droplets and the blown air stream of the same sign).
Как следствие, исходные капли топлива разбившейся вытекающей из сопла закрученной топливной пленки дробятся на более мелкие одноименно заряженные капли в двухсторонних предварительно закрученных потоках обдуваемого воздуха, что обеспечивает получение мелкодисперсной топливно-воздушной смеси.As a result, the initial fuel droplets of a crashed swirling fuel film flowing out of the nozzle are crushed into smaller, like-charged droplets in bilateral pre-swirled flows of blown air, which provides a finely dispersed fuel-air mixture.
Кроме того, заряженная закрученная пленка топлива легче разбивается на капли в потоке воздуха. Последнее обстоятельство приводит к тому, что при необходимости можно уменьшить скорости обдуваемого пленку воздуха для получения требуемых размеров капель топлива.In addition, a charged swirling film of fuel more easily breaks into droplets in the air stream. The latter circumstance leads to the fact that, if necessary, you can reduce the speed of the blown film of air to obtain the required size of the droplets of fuel.
Поскольку получаемые в предлагаемом устройстве более мелкие капли имеют электрический заряд одного знака, исключается возможность их слияния в полете. Таким образом обеспечивается не только уменьшение размера капель топлива, но и увеличиваются интенсивность распыливания топлива и равномерность распределения капель топлива в создаваемой топливно-воздушной смеси.Since the smaller drops obtained in the proposed device have an electric charge of the same sign, the possibility of their merging in flight is excluded. This ensures not only a reduction in the size of fuel droplets, but also increases the intensity of fuel atomization and the uniform distribution of fuel droplets in the created air-fuel mixture.
Механизм модификации топлива в форсунке непосредственно перед его закруткой в переменном однородном электрическом поле состоит в следующем.The mechanism for modifying the fuel in the nozzle immediately before it is twisted in an alternating uniform electric field is as follows.
Углеводородное топливо (в том числе и авиационное) состоит из ряда компонентов, в частности в его химический состав входит декан. Под воздействием переменного электрического поля и после его воздействия декан может дать три дочерних продукта: тетрагидрометилфуран, метилпентан и изометилпентан, которые также подвергаются деструкции, продуктами которой при сохранении атомарного состава, должны быть этилен C2H4 и пропилен C3H6. Продукты с углеродным скелетом C2-C6, обладают большей теплотой сгорания, чем исходная молекула декана с углеродным скелетом C10. При деструкции молекулы декана C10H22 с образованием двух молекул тетрагидрометилфурана C5H10 должны образовываться два свободных атома водорода. Свободный водород может возникнуть также при деструкции метилпентана и изометилпентана. Образование свободного водорода и перенос его вместе с жидким топливом в камеру сгорания ускоряет химическую реакцию окисления. Она протекает быстрее и полнее, так как наличие активных центров в виде атомарного водорода в зоне горения уменьшает среднее значение энергии активации. Высокая реакционная способность атомарного водорода приводит к тому, что эти центры определяют механизм реакции окисления и ее скорость.Hydrocarbon fuel (including aviation) consists of a number of components, in particular, a dean is included in its chemical composition. Under the influence of an alternating electric field and after its exposure, the decane can give three daughter products: tetrahydromethylfuran, methylpentane and isomethylpentane, which also undergo degradation, the products of which, while maintaining the atomic composition, should be ethylene C 2 H 4 and propylene C 3 H 6 . Products with a carbon skeleton C 2 -C 6 have a higher calorific value than the original decane molecule with a carbon skeleton C 10 . Upon the destruction of the C 10 H 22 decane molecule with the formation of two C 5 H 10 tetrahydromethylfuran molecules, two free hydrogen atoms should form. Free hydrogen can also occur during the destruction of methylpentane and isomethylpentane. The formation of free hydrogen and its transfer together with liquid fuel to the combustion chamber accelerates the chemical oxidation reaction. It proceeds faster and more fully, since the presence of active centers in the form of atomic hydrogen in the combustion zone reduces the average value of the activation energy. The high reactivity of atomic hydrogen leads to the fact that these centers determine the oxidation reaction mechanism and its rate.
При молекулярной модификации углеводородного топлива скорость образования радикалов определяется напряженностью и частотой электрического поля. Напряженность поля определяет концентрацию активных частиц, возникающих при каждом импульсе, а частота определяет скорость генерации активных частиц.In the molecular modification of hydrocarbon fuel, the rate of formation of radicals is determined by the strength and frequency of the electric field. The field strength determines the concentration of active particles that occur at each pulse, and the frequency determines the rate of generation of active particles.
Поскольку углеводородное топливо является многокомпонентной химической средой, содержащей примеси, то его можно рассматривать как слабый полярный диэлектрик.Since hydrocarbon fuel is a multicomponent chemical medium containing impurities, it can be considered as a weak polar dielectric.
При переменном напряжении диэлектрические потери возникают под действием как тока сквозной проводимости, так и релаксационных видов поляризации и процессов возбуждения полем энергетических уровней молекул углеводородного топлива. Максимальному тангенсу угла диэлектрических потерь tgδ будет соответствовать круговая частота переменного напряжения на электродах, обратная времени релаксации возбужденных электрическим полем молекул в топливе. При этом tgδ имеет значения ~10~3-10~2 и более.Under alternating voltage, dielectric losses occur under the influence of both through-current and relaxation types of polarization and processes of excitation of energy levels of hydrocarbon fuel molecules by the field. The maximum dielectric loss tangent tanδ will correspond to the circular frequency of the alternating voltage at the electrodes inverse to the relaxation time of the molecules excited in the electric field in the fuel. Moreover, tanδ has values of ~ 10 ~ 3 -10 ~ 2 and more.
В свою очередь, поскольку авиационное топливо является многокомпонентной средой с образованием в нем больших кластеров молекул, то переменное электрическое поле с изменяющейся частотой способствует распаду этих кластеров на более мелкие. Это обеспечивает относительно большое время последействия поля на топливо и улучшает процесс каплеобразования.In turn, since aviation fuel is a multicomponent medium with the formation of large clusters of molecules in it, an alternating electric field with a changing frequency contributes to the decay of these clusters into smaller ones. This provides a relatively long aftereffect of the field on fuel and improves the process of droplet formation.
Результаты экспериментальных исследований содержания 
Здесь Cтек - текущее содержание декана в предварительно обработанном в переменном электрическом поле топливе; Cдпо - содержание декана в топливе непосредственно после обработки в электрическом топливе при перекачке топлива из заправочной емкости в дополнительную емкость.Here C tech is the current content of the dean in the fuel previously processed in an alternating electric field; C dpo - the content of the decane in the fuel immediately after processing in electric fuel when pumping fuel from a refueling tank to an additional tank.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016147548A RU2636947C1 (en) | 2016-12-05 | 2016-12-05 | Fuel jet of aircraft engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016147548A RU2636947C1 (en) | 2016-12-05 | 2016-12-05 | Fuel jet of aircraft engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2636947C1 true RU2636947C1 (en) | 2017-11-29 |
Family
ID=60581250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016147548A RU2636947C1 (en) | 2016-12-05 | 2016-12-05 | Fuel jet of aircraft engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2636947C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118032660A (en) * | 2024-04-12 | 2024-05-14 | 北京理工大学长三角研究院(嘉兴) | Liquid drop bottom air film interference experimental device and method under high pressure condition |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2156878C2 (en) * | 1997-03-25 | 2000-09-27 | Рынин Александр Николаевич | Method of and system for activation of fuel for internal combustion engine |
| WO2009079420A2 (en) * | 2007-12-18 | 2009-06-25 | Perriquest Defense Research Enterprises Llc | Plasma assisted combustion device |
| RU2469205C2 (en) * | 2006-10-31 | 2012-12-10 | Темпл Юниверсити Оф Дзе Коммонвелт Систем Оф Хайер Эдьюкейшн | System of fuel spray facilitated by electric field and method of its use |
| RU2562505C2 (en) * | 2013-12-17 | 2015-09-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method of efficiency increasing of hydrocarbon fuel combustion |
-
2016
- 2016-12-05 RU RU2016147548A patent/RU2636947C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2156878C2 (en) * | 1997-03-25 | 2000-09-27 | Рынин Александр Николаевич | Method of and system for activation of fuel for internal combustion engine |
| RU2469205C2 (en) * | 2006-10-31 | 2012-12-10 | Темпл Юниверсити Оф Дзе Коммонвелт Систем Оф Хайер Эдьюкейшн | System of fuel spray facilitated by electric field and method of its use |
| WO2009079420A2 (en) * | 2007-12-18 | 2009-06-25 | Perriquest Defense Research Enterprises Llc | Plasma assisted combustion device |
| RU2562505C2 (en) * | 2013-12-17 | 2015-09-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") | Method of efficiency increasing of hydrocarbon fuel combustion |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118032660A (en) * | 2024-04-12 | 2024-05-14 | 北京理工大学长三角研究院(嘉兴) | Liquid drop bottom air film interference experimental device and method under high pressure condition |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106438158B (en) | Aero-engine main chamber based on plasma jet ignition | |
| JP5248731B2 (en) | Combustion enhancement system and combustion enhancement method | |
| KR910002122B1 (en) | Plasma jet ignition apparatus | |
| US6695234B2 (en) | Liquid fuel injection nozzles | |
| US11725586B2 (en) | Jet engine with plasma-assisted combustion | |
| CN101158321A (en) | Low-temperature plasma non-hot point fire steadying flame device | |
| US4342551A (en) | Ignition method and system for internal burner type ultra-high velocity flame jet apparatus | |
| CN111735078B (en) | Plasma jet-creeping discharge dual-mode fuel atomizing nozzle | |
| CN109084328B (en) | Slip arc discharge enhanced supersonic speed aerosol mixing combustor | |
| CN109668169A (en) | A kind of aeroengine combustor buring room plasmaassisted is atomized ignition burner | |
| CN111734532A (en) | Filament arc plasma exciter based on swirl hole | |
| RU2636947C1 (en) | Fuel jet of aircraft engine | |
| RU2615618C1 (en) | Fuel jet of gas turbine engine | |
| US2656824A (en) | Electric apparatus for decomposing liquids and its use as a gasoline economizer | |
| Rigit et al. | Electrical performance of charge injection electrostatic atomizers | |
| WO1992020913A1 (en) | Plasma ignition apparatus and method for enhanced combustion and flameholding in engine combustion chambers | |
| CN109967460A (en) | A kind of engine nozzle carbon distribution minimizing technology based on low temperature plasma | |
| RU2634649C1 (en) | Fuel nozzle | |
| JP2001524181A (en) | Molecular reactor for fuel induction | |
| WO2020086139A4 (en) | Intake plasma generator systems and methods | |
| CN109057993B (en) | Plasma spray combustion device with electrode cooling function | |
| US20190186375A1 (en) | Plasma-Distributing Structure and Directed Flame Path in a Jet Engine | |
| Cheng et al. | Experimental study on the working characteristics of a pre-combustion AC plasma jet igniter | |
| RU2582376C1 (en) | Method of increasing efficiency of fuel spray | |
| EP2603687A1 (en) | Dipole triboelectric injector nozzle |