RU2807268C1 - Method for preparing liquid fuel for combustion and device for its implementation - Google Patents
Method for preparing liquid fuel for combustion and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807268C1 RU2807268C1 RU2023111950A RU2023111950A RU2807268C1 RU 2807268 C1 RU2807268 C1 RU 2807268C1 RU 2023111950 A RU2023111950 A RU 2023111950A RU 2023111950 A RU2023111950 A RU 2023111950A RU 2807268 C1 RU2807268 C1 RU 2807268C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid fuel
- fuel
- water
- pressure gauge
- combustion
- Prior art date
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 120
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 69
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 48
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 27
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 20
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 4
- 239000002360 explosive Substances 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract description 5
- 238000007599 discharging Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 16
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 12
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 9
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 6
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 5
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 5
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 239000002828 fuel tank Substances 0.000 description 2
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 2
- 241000237858 Gastropoda Species 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- YXTPWUNVHCYOSP-UHFFFAOYSA-N bis($l^{2}-silanylidene)molybdenum Chemical compound [Si]=[Mo]=[Si] YXTPWUNVHCYOSP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021343 molybdenum disilicide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 239000002076 α-tocopherol Substances 0.000 description 1
- GVJHHUAWPYXKBD-IEOSBIPESA-N α-tocopherol Chemical compound OC1=C(C)C(C)=C2O[C@@](CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)(C)CCC2=C1C GVJHHUAWPYXKBD-IEOSBIPESA-N 0.000 description 1
- 235000004835 α-tocopherol Nutrition 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретения относятся к получению парогазокапельной смеси методом мелкодисперсного распыления и испарения жидкого топлива для его подготовки к сжиганию в камерах сгорания, преимущественно газотурбинных двигателей, и могут быть использованы в автомобилестроении, энергетике, химической, пищевой и других отраслях промышленности. The inventions relate to the production of a vapor-gas-droplet mixture by the method of fine atomization and evaporation of liquid fuel for its preparation for combustion in combustion chambers, mainly gas turbine engines, and can be used in the automotive industry, energy, chemical, food and other industries.
Известен способ распыления жидкого топлива [п.п. 10-14 ф-лы RU 2569797 С2, МПК (2006.01) В05В7/04, F02M29/00, F02M61/18, МПК F02M67/02, опубл. 20.05.2010], включающий: использование распылительного устройства, содержащего, по меньшей мере, одно основное входное отверстие, поверхность соударения, смесительную камеру и множество вторичных отверстий; направление потока топлива через, одно основное входное отверстие для создания множества первых капель топлива; введения в контакт поверхности соударения с множеством первых капель топлива для разбиения множества капель топлива на множество меньших вторых капель топлива и создания тонкой пленки вторых капель топлива на поверхности соударения; разбиение тонкой пленки вторых капель от периферийной кромки поверхности соударения на меньшие вторые капли топлива; смешивание множества вторых капель с вихрем воздушного потока в смесительной камере для образования парогазокапельной смеси, причем воздушный поток подают через, по меньшей мере, один канал для сжатого воздуха, расположенный под радиальным и тангенциальным углами относительно продольной оси корпуса; направление парогазокапельной смеси через множество вторичных отверстий для сдвига множества вторых капель топлива на множество меньших третьих капель топлива; и рассеивание множества третьих капель топлива из распылительного устройства.There is a known method of spraying liquid fuel [pp. 10-14 files RU 2569797 C2, IPC (2006.01) B05B7/04 , F02M29/00 , F02M61/18 , IPC F02M67/02 , publ. 05.20.2010], including: the use of a spray device containing at least one main inlet hole, an impact surface, a mixing chamber and a plurality of secondary holes; directing the flow of fuel through, one main inlet to create multiple first drops of fuel; contacting the impact surface with a plurality of first fuel droplets to break the plurality of fuel droplets into a plurality of smaller second fuel droplets and create a thin film of the second fuel droplets on the impact surface; breaking up the thin film of second droplets from the peripheral edge of the impact surface into smaller second droplets of fuel; mixing a plurality of second drops with a vortex of air flow in the mixing chamber to form a vapor-gas-droplet mixture, wherein the air flow is supplied through at least one channel for compressed air located at radial and tangential angles relative to the longitudinal axis of the housing; directing the vapor-gas-droplet mixture through a plurality of secondary holes to shift the plurality of second fuel droplets onto a plurality of smaller third fuel droplets; and dispersing a plurality of third droplets of fuel from the atomizing device.
Известно устройство для смешивания топлива с воздухом перед сгоранием [п.п. 15-19 ф-лы RU 2569797 С2, МПК (2006.01) В05В7/04, F02M29/00, F02M61/18, F02M67/02, опубл. 20.05.2010], которое содержит: корпус; клапан, окруженный корпусом и предназначенный для подачи потока топлива; первый распылительный элемент, содержащий, по меньшей мере, одно первое отверстие, при этом прохождение потока топлива через, по меньшей мере, одно первое отверстие создает множество первых капель топлива; поверхность соударения, расположенную в канале для потока множества первых капель топлива, причем вхождение в контакт множества первых капель топлива с поверхностью соударения вызывает разбиение множества первых капель топлива на множество меньших вторых капель, при этом, по меньшей мере, некоторые из множества вторых капель топлива образуют тонкую пленку вторых капель топлива на поверхности соударения; смесительную камеру; множество наклонных проходов в смесительную камеру, через которые подается поток воздуха для смешивания с множеством вторых капель топлива для создания парогазокапельной смеси и для разбиения тонкой пленки вторых капель топлива от периферийной кромки поверхности соударения для образования меньших вторых капель топлива, причем множество наклонных проходов расположено под радиальными и тангенциальными углами относительно продольной оси корпуса, при этом поток воздуха образует вихревой поток в смесительной камере; множество вторых отверстий, через которые проходит парогазокапельная смесь, в которых множество вторых капель топлива ускоряется до скорости звука, проходя через множество вторых отверстий для уменьшения размера множества вторых капель топлива до размера множества меньших третьих капель топлива; и распылитель, который поддерживает дистанцию для множества третьих капель топлива для увеличения испаряемости множества третьих капель топлива.A known device for mixing fuel with air before combustion [pp. 15-19 files RU 2569797 C2, IPC (2006.01) B05B7/04 , F02M29/00 , F02M61/18 , F02M67/02 , publ. 05.20.2010], which contains: body; a valve surrounded by a housing and designed to supply a flow of fuel; a first atomization element comprising at least one first opening, wherein passage of a fuel stream through the at least one first opening creates a plurality of first fuel droplets; an impact surface located in the flow channel of a plurality of first fuel droplets, wherein contact of the plurality of first fuel droplets with the impact surface causes the plurality of first fuel droplets to break into a plurality of smaller second droplets, wherein at least some of the plurality of second fuel droplets form a thin film of second fuel droplets on the impact surface; mixing chamber; a plurality of inclined passages into the mixing chamber through which a stream of air is supplied to mix with a plurality of second fuel droplets to create a vapor-gas-droplet mixture and to break up a thin film of second fuel droplets from the peripheral edge of the impact surface to form smaller second fuel droplets, the plurality of inclined passages being located under the radial and tangential angles relative to the longitudinal axis of the housing, while the air flow forms a vortex flow in the mixing chamber; a plurality of second holes through which the vapor-gas-droplet mixture passes, in which the plurality of second fuel droplets are accelerated to the speed of sound by passing through the plurality of second holes to reduce the size of the plurality of second fuel droplets to the size of a plurality of smaller third fuel droplets; and an atomizer that maintains a distance for the plurality of third fuel droplets to increase the volatility of the plurality of third fuel droplets.
При работе такого устройства происходит скоростное взаимодействие капель с внутренними поверхностями устройства, что приводит к их быстрому эрозионному износу, то есть снижению долговечности устройства.When such a device operates, drops rapidly interact with the internal surfaces of the device, which leads to their rapid erosive wear, that is, a decrease in the durability of the device.
Известны способ сверхтонкого распыления жидкого топлива и устройство для его осуществления [RU 2644422 C1, МПК B05B17/04 (2006.01), B82Y40/00 (2011.01), опубл. 12.02.2018]. Способ включает подачу жидкости или среды на ее основе при помощи форсунки в область фрагментации. Поданную жидкость или среду периодически подвергают воздействию сильной ударной волны с образованием факела со сверхтонким распылом. A known method for ultrafine atomization of liquid fuel and a device for its implementation [RU 2644422 C1, IPCB05B17/04(2006.01),B82Y40/00(2011.01), publ. 02/12/2018]. The method includes supplying a liquid or a medium based on it using a nozzle into the fragmentation area. The supplied liquid or medium is periodically exposed to a strong shock wave to form a torch with an ultra-fine spray.
Устройство для осуществления указанного способа сверхтонкого распыления жидкости содержит форсунку подачи жидкости или среды на ее основе, импульсный генератор ударных волн с секцией ударно-волновой фрагментации. Форсунка подачи жидкости или среды на ее основе установлена в секции ударно-волновой фрагментации импульсного генератора ударных волн.A device for implementing the specified method of ultrafine atomization of liquid contains a nozzle for supplying liquid or a medium based on it, a pulsed shock wave generator with a shock wave fragmentation section. The nozzle for supplying liquid or a medium based on it is installed in the shock wave fragmentation section of the pulsed shock wave generator.
Эти способ и устройство обеспечивают сверхтонкое распыление жидкости или среды на ее основе с размером фрагментов в факеле распыла 10-15 мкм. При первичном их распылении возникают эффекты уноса капель за счет встречных воздушных потоков, что приводит к неполному заполнению объема камеры сгорания парогазокапельной смесью.This method and device provide ultrafine atomization of a liquid or a medium based on it with a fragment size in the spray plume of 10-15 microns. During their initial spraying, droplet entrainment effects occur due to counter air flows, which leads to incomplete filling of the combustion chamber volume with the vapor-gas-droplet mixture.
Известен способ подготовки жидкого топлива к сжиганию [RU 2330985 C2, МПК (2006.01) F02M29/04, F02M29/06, опубл. 10.08.2008], включающий впрыскивание жидкого топлива в воздух на впуске, разбивание указанного жидкого топлива на капли предопределенного размера; смешивание капель топлива с потоком воздуха на впуске; втягивание потока воздуха на впуске, содержащего капли топлива, в камеру сгорания для сжигания и стадию прохождения транспортирующего газа, отличного от потока воздуха на впуске, содержащего жидкое топливо, через ограниченную трубку с множеством пластин, в которой создается турбулентность. Разбивание жидкого топлива осуществляют с помощью турбулентности, при этом регулируют количество топлива, вводимого в воздух на впуске.There is a known method for preparing liquid fuel for combustion [RU 2330985 C2, IPC (2006.01) F02M29/04, F02M29/ 06, publ. 08/10/2008], including injecting liquid fuel into the air at the inlet, breaking said liquid fuel into droplets of a predetermined size; mixing fuel droplets with the air flow at the inlet; drawing an intake air stream containing fuel droplets into a combustion chamber for combustion; and a step of passing a transport gas other than the intake air stream containing liquid fuel through a confined multi-plate tube in which turbulence is generated. The breakdown of liquid fuel is carried out using turbulence, while the amount of fuel introduced into the air at the inlet is controlled.
Для этого способа требуется множество смонтированных на определенном расстоянии друг от друга круглых пластин с отверстием в центре и с разрезами по направлению наружу от этого отверстия. This method requires a number of round plates mounted at a certain distance from each other with a hole in the center and with cuts outward from this hole.
Известен способ подготовки жидкого топлива к сжиганию в камере сгорания [RU 2527005 C1, МПК (2006.01) F23K5/12, F02M25/022, F02M31/00, F02M27/04, опубл. 29.03.2013], заключающийся в том, что создают воздуховодяную мелкодисперсную эмульсию путем распыления воды, на полученную эмульсию воздействуют СВЧ-излучением до нагрева эмульсии до температуры кипения воды, затем обработанную эмульсию подают в камеру сгорания и повторно воздействуют на нее СВЧ-излучением до нагрева эмульсии до температуры, превышающей температуру кипения воды при давлении в камере сгорания, после чего в камеру сгорания впрыскивают топливо.There is a known method for preparing liquid fuel for combustion in a combustion chamber [RU 2527005 C1, IPC (2006.01) F23K5/12, F02M25/022, F02M31/00, F02M27 /04, publ. 03/29/2013], which consists in creating an air-water finely dispersed emulsion by spraying water, the resulting emulsion is exposed to microwave radiation until the emulsion is heated to the boiling point of water, then the treated emulsion is fed into the combustion chamber and re-exposed to it with microwave radiation until heating emulsion to a temperature above the boiling point of water at combustion chamber pressure, after which fuel is injected into the combustion chamber.
Недостатком указанного способа является то, что мелкодисперсная вода, влияя на физические свойства парогазокапельной смеси, не участвует в процессе распыления жидкого топлива.The disadvantage of this method is that finely dispersed water, affecting the physical properties of the vapor-gas-droplet mixture, does not participate in the process of atomizing liquid fuel.
Известен способ подготовки жидкого топлива к сжиганию [RU 95122303 A, МПК F23K5/12 (1995.01), опубл. 20.02.1998], заключающийся в том, что жидкое топливо перемешивают с водой, и с поглотителем, например, оксидом магния. Затем полученную смесь диспергируют.There is a known method for preparing liquid fuel for combustion [RU 95122303 A, IPC F23K5/12 (1995.01), publ. 02.20.1998], which consists in mixing liquid fuel with water and an absorber, for example, magnesium oxide. The resulting mixture is then dispersed.
Однако, вода в указанном способе выполняет отведенную ей роль ингибитора только на стадии горения и не принимает активного участия в процессе распыливания топлива.However, water in this method performs its assigned role as an inhibitor only at the combustion stage and does not take an active part in the process of fuel atomization.
Известен способ подготовки жидкого топлива к распыливанию в камеру сгорания, преимущественно газотурбинного двигателя [RU 2266470 C1, МПК F23K5/12 (2006.01), F02M27/04 (2006.01), опубл. 20.12.2005], выбранный в качестве прототипа. Способ заключается в том, что к топливу добавляют воду, перемешивают и образуют эмульсию, 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 сгорания, при этом вода, мгновенно испаряясь, увеличивает свой объем и взрывообразно распыляет подогретое топливо на капли.There is a known method for preparing liquid fuel for spraying into the combustion chamber, mainly of a gas turbine engine [RU 2266470 C1, IPC F23K5/12 (2006.01), F02M27/04 (2006.01), publ. 12/20/2005], chosen as a prototype. The method consists of adding water to the fuel, mixing and forming an emulsion; the water component of the emulsion is heated by microwave radiation to a temperature exceeding the boiling point at the pressure in the combustion chamber. Using heated water, the temperature of the fuel is increased and then the emulsion is injected into the combustion chamber, while the water, instantly evaporating, increases its volume and explosively sprays the heated fuel into droplets.
Недостатком указанного способа является то, что мелкодисперсная вода практически равномерно распределена внутри жидкого топлива, что приводит к ее быстрому локальному и неполному объемному перегреву с образованием крупных вторичных капель размерами (радиусами) более 100 мкм, а используемое для нагрева воды СВЧ-излучение требует соблюдения особых мер безопасности.The disadvantage of this method is that finely dispersed water is almost uniformly distributed inside the liquid fuel, which leads to its rapid local and incomplete volumetric overheating with the formation of large secondary droplets with sizes (radii) of more than 100 microns, and the microwave radiation used to heat water requires compliance with special security measures.
Известно устройство подготовки и сжигания жидкого топлива [п.п. 4, 5 ф-лы RU 2310132 С1, МПК (2006.01) F23K5/12, опубл. 10.11.2007], выбранное в качестве прототипа, которое содержит топливную емкость, емкость воды или сбросной воды, загрязненной нефтепродуктами, устройство для приготовления водотопливной эмульсии, насосы первого подъема для подачи жидкого топлива из топливной емкости в устройство для приготовления водотопливной эмульсии, топливные трубопроводы, форсунку и топку котла. В топливных трубопроводах после насосов первого подъема установлен эжекционно-волновой смеситель, содержащий последовательно установленные гидродинамический волновой генератор с входными тангенциальными отверстиями и эжекторную камеру, снаружи которой размещен кольцевой коллектор, гидравлически соединенный с упомянутым волновым генератором через отверстия в общей поверхности эжекторной камеры, причем вход эжекционно-волнового смесителя соединен с трубопроводом грубой смеси топлива с водой или со с сбросной водой, загрязненной нефтепродуктами, а кольцевой коллектор - с рециркуляционными трубопроводом тонкодисперсной водотопливной эмульсии, вход которого подключен к регулируемому тройнику трубопровода тонкодисперсной водотопливной эмульсии, подаваемой на форсунку в топку котла. В трубопроводе тонкодисперсной водотопливной эмульсии перед подачей топлива на форсунку дополнительно установлены гидродинамический волновой генератор, последовательно совмещенный с расширительной резонансной камерой, выход которой трубопроводом соединен с форсункой, и насосы второго подъема для подачи водотопливной эмульсии в дополнительно установленный гидродинамический генератор.A known device for the preparation and combustion of liquid fuel [pp. 4, 5 files RU 2310132 C1, IPC (2006.01) F23K5/12 , publ. 10.11.2007], selected as a prototype, which contains a fuel tank, a tank of water or waste water contaminated with oil products, a device for preparing a water-fuel emulsion, first lift pumps for supplying liquid fuel from the fuel tank to a device for preparing a water-fuel emulsion, fuel pipelines, nozzle and boiler firebox. In the fuel pipelines after the first lift pumps, an ejection-wave mixer is installed, containing a sequentially installed hydrodynamic wave generator with tangential inlet holes and an ejector chamber, outside of which there is an annular manifold, hydraulically connected to the mentioned wave generator through holes in the common surface of the ejector chamber, and the inlet is ejection The wave mixer is connected to a pipeline of a coarse mixture of fuel with water or with waste water contaminated with oil products, and the ring manifold is connected to a recirculation pipeline of a fine water-fuel emulsion, the input of which is connected to an adjustable tee of a pipeline of a fine water-fuel emulsion supplied to the nozzle in the boiler furnace. In the pipeline of the finely dispersed water-fuel emulsion, before supplying fuel to the nozzle, a hydrodynamic wave generator is additionally installed, sequentially combined with an expansion resonance chamber, the output of which is connected to the nozzle by a pipeline, and second lift pumps for supplying the water-fuel emulsion to the additionally installed hydrodynamic generator.
Поток тонкодисперсной водотопливной эмульсии перед подачей на горелку разделяют на две составляющие части и подают одну часть через горелку на сжигание, а другую - по рециркуляционному трубопроводу на смешение с основным потоком тонкодисперсной водотопливной эмульсии.The flow of finely dispersed water-fuel emulsion is divided into two components before being fed to the burner and one part is fed through the burner for combustion, and the other through a recirculation pipeline for mixing with the main flow of finely dispersed water-fuel emulsion.
Техническим результатом предложенных нами изобретений является подготовка жидкого топлива к сжиганию в камере сгорания преимущественно газотурбинного двигателя. The technical result of the inventions we propose is the preparation of liquid fuel for combustion in the combustion chamber of a gas turbine engine.
Способ подготовки жидкого топлива к сжиганию в камере сгорания преимущественно газотурбинного двигателя заключается в том, что жидкое топливо и воду в объемном соотношении 9:1 одновременно подают сверху в нагревательную камеру через соответствующие каналы двухканальной центробежной форсунки, и распыляют в виде потока двухжидкостных капель водотопливной смеси при температуре 850-1150°С, при одновременной подаче в нагревательную камеру азота под давлением выше атмосферного, обеспечивая при этом испарение воды, увеличение объема пара и взрывообразное распыление жидкого топлива на капли. Полученную парогазокапельную смесь направляют через патрубок в камеру сгорания.The method of preparing liquid fuel for combustion in the combustion chamber of a predominantly gas turbine engine is that liquid fuel and water in a volumetric ratio of 9:1 are simultaneously fed from above into the heating chamber through the corresponding channels of a two-channel centrifugal nozzle, and sprayed in the form of a stream of two-liquid drops of a water-fuel mixture at temperature 850-1150°C, while simultaneously supplying nitrogen under pressure above atmospheric pressure into the heating chamber, thereby ensuring evaporation of water, increasing the volume of steam and explosive atomization of liquid fuel into droplets. The resulting vapor-gas-droplet mixture is directed through the pipe into the combustion chamber.
Устройство для подготовки жидкого топлива к сжиганию в камере сгорания преимущественно газотурбинного двигателя содержит теплоизолированную нагревательную камеру, в которую сверху встроена двухканальная центробежная топливная форсунка, один канал которой трубопроводами через последовательно расположенные первый манометр, первый регулирующий клапан, первый расходомер переменного перепада давления, топливный фильтр и первый шаровой кран соединен с резервуаром, наполненным жидким топливом и оснащен вторым манометром. Второй канал форсунки трубопроводами через последовательно расположенные третий манометр, второй регулирующий клапан, второй расходомер переменного перепада давления и второй шаровой кран соединен с резервуаром, наполненным водой и оснащен четвертым манометром. Сверху в нагревательную камеру вставлен патрубок, который трубопроводом последовательно через пятый манометр, третий регулирующий клапан, третий расходомер переменного перепада давления и третий шаровой кран соединен с первым баллоном, наполненным азотом, который снабжен шестым манометром. На дне нагревательной камеры выполнен патрубок для вывода полученной парогазокапельной смеси. Первый баллон с азотом трубопроводами последовательно через четвертый регулирующий клапан и первый регулятор давления соединен с резервуаром, наполненным водой. Второй баллон, наполненный азотом, трубопроводами последовательно через пятый регулирующий клапан и второй регулятор давления соединен с резервуаром, наполненным жидким топливом. Второй баллон, наполненный азотом, оснащен седьмым манометром.A device for preparing liquid fuel for combustion in a combustion chamber of a predominantly gas turbine engine contains a thermally insulated heating chamber into which a two-channel centrifugal fuel injector is built on top, one channel of which is piped through a sequentially located first pressure gauge, a first control valve, a first variable pressure differential flow meter, a fuel filter and The first ball valve is connected to a tank filled with liquid fuel and equipped with a second pressure gauge. The second channel of the nozzle is connected by pipelines through a sequential third pressure gauge, a second control valve, a second variable pressure differential flow meter and a second ball valve to a tank filled with water and equipped with a fourth pressure gauge. A pipe is inserted into the heating chamber from above, which is connected through a pipeline sequentially through a fifth pressure gauge, a third control valve, a third variable pressure differential flow meter and a third ball valve to the first cylinder filled with nitrogen, which is equipped with a sixth pressure gauge. At the bottom of the heating chamber there is a pipe for discharging the resulting vapor-gas-droplet mixture. The first nitrogen cylinder is connected through pipelines in series through the fourth control valve and the first pressure regulator to a tank filled with water. The second cylinder filled with nitrogen is connected through pipelines in series through the fifth control valve and the second pressure regulator to a tank filled with liquid fuel. The second cylinder, filled with nitrogen, is equipped with a seventh pressure gauge.
Предложенная группа изобретений позволяет подготовить жидкое топливо к сжиганию в камере сгорания преимущественно газотурбинного двигателя за счет взрывообразного распыления жидкого топлива на капли с формированием парогазокапельной смеси.The proposed group of inventions makes it possible to prepare liquid fuel for combustion in the combustion chamber of a predominantly gas turbine engine due to the explosive spraying of liquid fuel into droplets with the formation of a vapor-gas-droplet mixture.
Подготовка жидкого топлива к сжиганию реализуется без СВЧ-излучения и без предварительного перемешивания воды и жидкого топлива.Preparation of liquid fuel for combustion is carried out without microwave radiation and without preliminary mixing of water and liquid fuel.
При получении двухжидкостных капель в нагревательной камере процессы цепной микровзрывной фрагментации реализуются в области так называемого вторичного измельчения, то есть уже после первичного распыления двухканальной центробежной форсункой, что приводит к равномерному распылу топлива в нагревательной камере. Дробление капель жидкостей непосредственно в зоне теплообмена минимизирует влияние негативных эффектов уноса, разворота и торможения мелких капель за счет встречных конвективных потоков. Уменьшение размеров капель, подаваемых в камеру сгорания, способствует увеличению площади поверхности испарения и химического реагирования за счет увеличения площади свободной поверхности жидкости, контактирующей с греющей средой.When producing two-liquid droplets in a heating chamber, the processes of chain microexplosive fragmentation are realized in the area of so-called secondary grinding, that is, after the initial spraying by a two-channel centrifugal nozzle, which leads to a uniform spray of fuel in the heating chamber. The crushing of liquid droplets directly in the heat exchange zone minimizes the influence of the negative effects of entrainment, reversal and braking of small droplets due to counter convective flows. Reducing the size of droplets supplied to the combustion chamber helps to increase the surface area of evaporation and chemical reaction by increasing the free surface area of the liquid in contact with the heating medium.
Таким образом, вовлечение водной составляющей в процесс диспергирования жидкого топлива позволяет создать парогазокапельную смесь при мелкодисперсном распылении и испарении жидкого топлива. Использование полученной парогазокапельной смеси в камере сгорания газотурбинного двигателя приводит к снижению расхода жидкого топлива, необходимого для его работы, а также к снижению токсичности выхлопных газов.Thus, the involvement of the water component in the process of dispersion of liquid fuel makes it possible to create a vapor-gas-droplet mixture with fine atomization and evaporation of liquid fuel. The use of the resulting vapor-gas-droplet mixture in the combustion chamber of a gas turbine engine leads to a decrease in the consumption of liquid fuel required for its operation, as well as to a decrease in the toxicity of exhaust gases.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для реализации способа подготовки жидкого топлива к сжиганию. In fig. Figure 1 shows a schematic diagram of a device for implementing a method for preparing liquid fuel for combustion.
На фиг. 2 приведен общий вид нагревательной камеры.In fig. Figure 2 shows a general view of the heating chamber.
На фиг. 3 приведены кадры образующихся в ходе реализации способа групп фрагментирующихся двухжидкостных капель на основе жидкого топлива (керосина ТС-1) и дистиллированной воды в объемном соотношении 9:1 при температуре нагрева в камере 850°С (а), 1000°С (б) и 1150°С (в).In fig. Figure 3 shows frames of groups of fragmented two-liquid droplets formed during the implementation of the method based on liquid fuel (TS-1 kerosene) and distilled water in a volumetric ratio of 9:1 at a heating temperature in the chamber of 850°C ( a ), 1000°C ( b ) and 1150°C ( v ).
Для осуществления способа использовано устройство для распыления жидкого топлива, которое содержит нагревательную камеру 1, в которую сверху встроена двухканальная центробежная топливная форсунка 2.To implement the method, a device for spraying liquid fuel is used, which contains a heating chamber 1, into which a two-channel centrifugal fuel nozzle 2 is built on top.
Один канал форсунки 2 трубопроводами через последовательно расположенные первый манометр 3, первый регулирующий клапан 4, первый расходомер переменного перепада давления 5, топливный фильтр 6 и первый шаровой кран 7 соединен с резервуаром 8, наполненным жидким топливом, который оснащен вторым манометром 9.One channel of the injector 2 is connected by pipelines through the sequentially located first pressure gauge 3, the first control valve 4, the first variable pressure differential flow meter 5, the fuel filter 6 and the first ball valve 7 to a tank 8 filled with liquid fuel, which is equipped with a second pressure gauge 9.
Второй канал форсунки 2 трубопроводами через последовательно расположенные третий манометр 10, второй регулирующий клапан 11, второй расходомер переменного перепада давления 12 и второй шаровой кран 13 соединен с резервуаром 14, наполненным водой, и оснащен четвертым манометром 15.The second channel of the nozzle 2 is connected by pipelines through a sequential third pressure gauge 10, a second control valve 11, a second variable pressure differential flow meter 12 and a second ball valve 13 to a tank 14 filled with water and equipped with a fourth pressure gauge 15.
Сверху в нагревательную камеру 1 вставлен патрубок, который трубопроводом последовательно через пятый манометр 16, третий регулирующий клапан 17, третий расходомер переменного перепада давления 18 и третий шаровой кран 19 соединен с первым баллоном 20, наполненным азотом, который снабжен шестым манометром 21.A pipe is inserted into the heating chamber 1 from above, which is connected through a pipeline sequentially through the fifth pressure gauge 16, the third control valve 17, the third variable pressure differential flow meter 18 and the third ball valve 19 to the first cylinder 20 filled with nitrogen, which is equipped with a sixth pressure gauge 21.
На дне нагревательной камеры 1 выполнен патрубок 22 для вывода приготовленной парогазокапельной смеси.At the bottom of the heating chamber 1 there is a pipe 22 for discharging the prepared vapor-gas-droplet mixture.
Первый баллон 20, наполненный азотом, трубопроводами последовательно через четвертый регулирующий клапан 23 и первый регулятор давления 24 соединен с резервуаром 14, наполненным водой.The first cylinder 20 filled with nitrogen is connected through pipelines in series through the fourth control valve 23 and the first pressure regulator 24 to a tank 14 filled with water.
Второй баллон 25, наполненный азотом, трубопроводами последовательно через пятый регулирующий клапан 26 и второй регулятор давления 27 соединен с резервуаром 8, наполненным жидким топливом. Второй баллон 25, наполненный азотом, оснащен седьмым манометром 28.The second cylinder 25, filled with nitrogen, is connected through pipelines in series through the fifth control valve 26 and the second pressure regulator 27 to a tank 8 filled with liquid fuel. The second cylinder 25, filled with nitrogen, is equipped with a seventh pressure gauge 28.
Снаружи нагревательная камера 1 изолирована волокнистыми теплоизоляционными плитами. Внутри нагревательной камеры 1 на ее боковых стенках закреплены дисилицид молибденовые нагревательные элементы, которые подключены к источнику питания и блоку управления нагревом 29. В качестве двухканальной центробежной топливной форсунки 2 использована улиточная форсунка камеры сгорания газотурбинного двигателя АИ-25.On the outside, heating chamber 1 is insulated with fibrous heat-insulating boards. Inside the heating chamber 1, molybdenum disilicide heating elements are fixed on its side walls, which are connected to a power source and a heating control unit 29. A snail injector from the combustion chamber of an AI-25 gas turbine engine is used as a two-channel centrifugal fuel injector 2.
Нагревательную камеру 1 включают в промышленную сеть и с помощью блока управления нагревом 29 задают температуру в диапазоне от 850°С до 1150°С [«Micro-explosion and autoignition of composite fuel/water droplets» // D.V. Antonov, G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak, O. Rybdylova, S.S. Sazhin / Combustion and Flame. 2019. V. 210. C. 479-489]. В резервуары 8 и 14 заливают соответственно керосин ТС-1 и воду до заданного уровня 24 л. Первый 7, второй 13 и третий 19 шаровые краны и первый 4, второй 11, третий 17, четвертый 23 и пятый 26 регулирующие клапаны переводят в положение открыто. Из резервуара 8 жидкое топливо проходит через топливный фильтр 6. Первый 5 и второй 12 расходомеры переменного перепада давления измеряют расход топлива и воды соответственно. Давление топлива и воды, подаваемых в форсунку 2, измеряют первым 3 и третьим 10 манометрами соответственно. Давление газа в резервуарах 8 и 14 измеряют вторым 9 и четвертым 15 манометрами соответственно. Давление в первом баллоне 20, наполненном азотом, и в втором баллоне 25, наполненном азотом, контролируют шестым 21 и седьмым 28 манометрами соответственно. Одновременно из первого баллона 20, наполненного азотом, газ под давлением поступает в нагревательную камеру 1, вытесняя из нее парогазокапельную смесь, и в резервуар 14, наполненный водой, вытесняя из него воду. Давление азота при подаче в нагревательную камеру 1 контролируют пятым манометром 16. Третий расходомер переменного перепада давления 18 измеряет расход азота при подаче в нагревательную камеру 1. Давление в резервуаре 8, наполненном жидким топливом, и в резервуаре 14, наполненном водой, контролируют вторым 9 и четвертым 15 манометрами соответственно. Давление газов в этих резервуарах регулируют с помощью первого 24 и второго 25 регуляторов давления соответственно. Из второго баллона 25, наполненного азотом, газ под давлением поступает в резервуар 8, наполненный жидким топливом, вытесняя из него жидкое топливо, которое по трубопроводу поступает в первый канал форсунки 2. Воду из резервуара 14, наполненного водой, по трубопроводам под давлением подают во второй канал форсунки 2. Heating chamber 1 is connected to the industrial network and, using the heating control unit 29, the temperature is set in the range from 850°C to 1150°C [“Micro-explosion and autoignition of composite fuel/water droplets” // D.V. Antonov, G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak, O. Rybdylova, S.S. Sazhin/Combustion and Flame. 2019. V. 210. C. 479-489]. TS-1 kerosene and water are poured into tanks 8 and 14, respectively, to a predetermined level of 24 liters. The first 7, second 13 and third 19 ball valves and the first 4, second 11, third 17, fourth 23 and fifth 26 control valves are moved to the open position. From tank 8, liquid fuel passes through fuel filter 6. The first 5 and second 12 variable pressure differential flow meters measure the consumption of fuel and water, respectively. The pressure of fuel and water supplied to injector 2 is measured by the first 3 and third 10 pressure gauges, respectively. The gas pressure in tanks 8 and 14 is measured by the second 9 and fourth 15 pressure gauges, respectively. The pressure in the first cylinder 20 filled with nitrogen and in the second cylinder 25 filled with nitrogen is controlled by the sixth 21 and seventh 28 pressure gauges, respectively. At the same time, from the first cylinder 20 filled with nitrogen, gas under pressure enters the heating chamber 1, displacing the vapor-gas-droplet mixture from it, and into the tank 14 filled with water, displacing water from it. The pressure of nitrogen when supplied to the heating chamber 1 is controlled by the fifth pressure gauge 16. The third variable pressure differential flow meter 18 measures the flow rate of nitrogen when supplied to the heating chamber 1. The pressure in the tank 8 filled with liquid fuel and in the tank 14 filled with water is controlled by the second 9 and the fourth 15 pressure gauges, respectively. The gas pressure in these tanks is regulated using the first 24 and second 25 pressure regulators, respectively. From the second cylinder 25 filled with nitrogen, gas under pressure enters the tank 8 filled with liquid fuel, displacing liquid fuel from it, which enters the first channel of the nozzle 2 through a pipeline. Water from the tank 14 filled with water is supplied through pipelines under pressure to second channel of injector 2.
Объемное соотношение жидкого топлива и воды, подаваемых в форсунку 2, составляющее 9:1 [«Micro-explosion and autoignition of composite fuel/water droplets» // D.V. Antonov, G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak, O. Rybdylova, S.S. Sazhin / Combustion and Flame. 2019. V. 210. C. 479-489], контролируют первым 4 и вторым 11 регулирующими клапанами.The volumetric ratio of liquid fuel and water supplied to injector 2 is 9:1 [“Micro-explosion and autoignition of composite fuel/water droplets” // D.V. Antonov, G.V. Kuznetsov, P.A. Strizhak, O. Rybdylova, S.S. Sazhin/Combustion and Flame. 2019. V. 210. P. 479-489], control the first 4 and second 11 control valves.
Из форсунки 2 распыленный поток двухжидкостных капель поступает в нагревательную камеру 1, где происходит их нагрев до взрывного вскипания воды. Перегретые капли воды практически мгновенно взрывообразно испаряются, повышают давление в нагревательной камере 1 и гомогенизируют парогазокапельную смесь.From nozzle 2, a sprayed stream of two-liquid droplets enters heating chamber 1, where they are heated until water boils explosively. Superheated drops of water almost instantly evaporate explosively, increase the pressure in heating chamber 1 and homogenize the vapor-gas-droplet mixture.
Готовую парогазокапельную смесь через патрубок 22 за счет избыточного давления выше атмосферного в нагревательной камере 1 подают в камеру сгорания, например, газотурбинного двигателя.The finished vapor-gas-droplet mixture is fed through pipe 22 due to excess pressure above atmospheric pressure in heating chamber 1 into the combustion chamber of, for example, a gas turbine engine.
Испытания процесса распыления жидкого топлива с водой для получения парогазокапельной смеси были проведены в лабораторных условиях, используя идентичную заявляемому устройству нагревательную камеру 1, на противоположных боковых стенках которой были выполнены прозрачные окна из высокотемпературного кварцевого стекла 30 и 31 (фиг. 2). Напротив первого окна 30 снаружи нагревательной камеры 1 была размещена высокоскоростная видеокамера 32, соединенная с компьютером 33. Напротив второго окна 31 снаружи нагревательной камеры 1 был размещен светодиодный прожектор 34. Процесс распыления жидкого топлива с водой регистрировали с помощью высокоскоростной видеокамеры 32 с частотой съемки не менее 5400 кадров в секунду. Вывод кадров с видеокамеры 32 происходил на компьютере 33. Пространство в нагревательной камере 1 подсвечивали сбоку напротив видеокамеры 32 с помощью светодиодного прожектора 34. Процесс фрагментации наблюдали через прозрачные окна 30 и 31.Tests of the process of spraying liquid fuel with water to obtain a vapor-gas-droplet mixture were carried out in laboratory conditions, using a heating chamber 1 identical to the claimed device, on the opposite side walls of which transparent windows were made of high-temperature quartz glass 30 and 31 (Fig. 2). Opposite the first window 30 outside the heating chamber 1, a high-speed video camera 32 was placed, connected to a computer 33. Opposite the second window 31 outside the heating chamber 1, an LED spotlight 34 was placed. The process of spraying liquid fuel with water was recorded using a high-speed video camera 32 with a recording frequency of at least 5400 frames per second. The output of frames from video camera 32 took place on computer 33. The space in heating chamber 1 was illuminated from the side opposite video camera 32 using an LED spotlight 34. The fragmentation process was observed through transparent windows 30 and 31.
Была использована высокоскоростная видеокамера 32 - видеокамера Phantom Miro M310. Светодиодный прожектор 34 - прожектор GS Vitec MultiLED.A high-speed video camera 32 was used - a Phantom Miro M310 video camera. LED floodlight 34 - GS Vitec MultiLED floodlight.
Анализ видеокадров (фиг. 3), где τ - время в секундах, показывает, что увеличение температуры нагрева внутри нагревательной камеры 1 приводит к росту количества образующихся вторичных капель и уменьшению их размеров (радиусов) в факеле распыла до 5 мкм. Варьирование температуры нагрева внутри камеры 1 позволяет управлять количеством вторичных капель и их размерами (радиусами), получая от 10-15 капель размерами (радиусами) до 50 мкм при температуре 850°С и более 100 капель размерами (радиусами) до 5 мкм при температуре 1150°С. При этом увеличивается площадь поверхности испарения и химического реагирования жидкого топлива в десятки и сотни раз относительно первично распыленных капель, формируя готовую парогазокапельную смесь, подаваемую через патрубок 22 в камеру сгорания.Analysis of video frames (Fig. 3), where τ is time in seconds, shows that an increase in the heating temperature inside heating chamber 1 leads to an increase in the number of secondary droplets formed and a decrease in their sizes (radii) in the spray plume to 5 μm. Varying the heating temperature inside chamber 1 allows you to control the number of secondary droplets and their sizes (radii), obtaining from 10-15 drops with sizes (radii) up to 50 microns at a temperature of 850°C and more than 100 drops with sizes (radii) up to 5 microns at a temperature of 1150 °C. At the same time, the surface area of evaporation and chemical reaction of liquid fuel increases tens and hundreds of times relative to the initially atomized droplets, forming a ready-made vapor-gas-droplet mixture supplied through pipe 22 into the combustion chamber.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2807268C1 true RU2807268C1 (en) | 2023-11-13 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4144015A (en) * | 1975-09-10 | 1979-03-13 | Columbia Chase Corporation | Combustion process |
| RU2266470C1 (en) * | 2004-04-14 | 2005-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" | Method for preparing liquid fuel for dispersion into combustion chamber |
| RU2310132C1 (en) * | 2006-10-05 | 2007-11-10 | Закрытое Акционерное Общество "Новые технологии" /НОВОТЕХ+/ | Method and device for preparing and burning of liquid fuel |
| RU2310133C1 (en) * | 2006-10-05 | 2007-11-10 | Закрытое Акционерное Общество "Новые технологии" /НОВОТЕХ+/ | Power plant for burning liquid fuel |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4144015A (en) * | 1975-09-10 | 1979-03-13 | Columbia Chase Corporation | Combustion process |
| RU2266470C1 (en) * | 2004-04-14 | 2005-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова" | Method for preparing liquid fuel for dispersion into combustion chamber |
| RU2310132C1 (en) * | 2006-10-05 | 2007-11-10 | Закрытое Акционерное Общество "Новые технологии" /НОВОТЕХ+/ | Method and device for preparing and burning of liquid fuel |
| RU2310133C1 (en) * | 2006-10-05 | 2007-11-10 | Закрытое Акционерное Общество "Новые технологии" /НОВОТЕХ+/ | Power plant for burning liquid fuel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chong et al. | Spray flame structure of rapeseed biodiesel and Jet-A1 fuel | |
| RU2569797C2 (en) | Fuel sprayer, fuel spraying process and device to mix fuel with air, and method of fuel evaporation | |
| Li et al. | An optical investigation on spray macroscopic characteristics of ducted fuel injection | |
| RU2807268C1 (en) | Method for preparing liquid fuel for combustion and device for its implementation | |
| US4594969A (en) | Method and apparatus for producing a fuel mixture | |
| Lai et al. | An experimental and analytical investigation of the spray structure from automotive port injectors | |
| Kim et al. | Atomization characteristics of emulsified fuel oil by instant emulsification | |
| Lloyd | Combustion in the gas turbine | |
| US4225305A (en) | Combustion head for a combustion chamber | |
| RU193788U1 (en) | Boiler installation | |
| Anufriev et al. | Diesel fuel combustion under steam gasification conditions | |
| JP2003329216A (en) | Burner | |
| RU182397U1 (en) | Boiler installation | |
| US1965144A (en) | Carburetor | |
| Gvozdyakov et al. | Spraying Characteristics of Alcohol‐Coal‐Water Slurries with Low Coal Content | |
| Yuan et al. | Semi-empirical model for the liquid fuel film formed by an oblique jet impinging on a curved wall | |
| US1583692A (en) | Process and apparatus for vaporizing heavy hydrocarbons | |
| RU2266470C1 (en) | Method for preparing liquid fuel for dispersion into combustion chamber | |
| TWI685378B (en) | Emulsified heavy oil equipment | |
| RU2690802C1 (en) | Method of producing a stream of droplets with controlled disperse composition | |
| Rehman et al. | Design and fabrication of the high-pressure effervescent spray combustion system | |
| Khodir et al. | Experimental Study of Flame Characteristics by Twin Fluid Air Assist Atomizer in a Cylindrical Laboratory Combustor | |
| RU2779679C1 (en) | Burner for liquid fuel | |
| Strizhak et al. | Evaporation of oil-water emulsion drops when heated at high temperature | |
| Chaudhari et al. | Design and experimental investigation of 60 pressure swirl nozzle for penetration length and cone angle at different pressure |