RU2615618C1 - Fuel jet of gas turbine engine - Google Patents
Fuel jet of gas turbine engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2615618C1 RU2615618C1 RU2015154585A RU2015154585A RU2615618C1 RU 2615618 C1 RU2615618 C1 RU 2615618C1 RU 2015154585 A RU2015154585 A RU 2015154585A RU 2015154585 A RU2015154585 A RU 2015154585A RU 2615618 C1 RU2615618 C1 RU 2615618C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- air
- nozzle
- confuser
- channel
- 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
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, various kind 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 [патент РФ №2172893, МПК F23D 11/12, F23C 11/00, B05B 1/34, опубликовано 27.08.2001], недостатком известного устройства является невысокое качество распыла топлива.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 [RF patent No. 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 интенцифицировать 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 [патент РФ №2431777, кл. F23D 11/12, опубликовано БИ №29, 20.10.2011], недостатком известного устройства является невысокое качество распыла топлива.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 swirlers for swirling the flow of fuel and air [RF patent No. 2431777, class. F23D 11/12, published by BI No. 29, 10.20.2011], a disadvantage of the known device is the low quality of the atomization of fuel.
Известны различные устройства и способы повышения эффективности распыла топлива путем создания 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 an electric field in the fuel and using various operations in preparing the 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 [патент РФ №2011881, МПК F02M 27/04, БИ №8, 1994]. Недостатками известного устройства являются невысокое качество распыла, многооперационность и конструктивная сложность устройств его реализующих.According to one of them, in a diesel internal combustion engine, diesel fuel is additionally subjected to an electric field treatment in a chamber in which the vaporized vapor dissociates into hydrogen and oxygen entering the cylinders mixed with fuel [RF patent No. 20111881, 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 of devices that implement it.
Известна топливная форсунка, в которой на электроды, размещенные в корпусе, подают высокое напряжение порядка 20-25 кВ и сообщают потоку топлива электрический заряд [патент РФ №2032107, МПК F02M 27/04, БИ№ 9, 1995]. Недостатками известного устройства являются невысокое качество распыла, большие энергозатраты, использование очень высокого электрического напряжения, а также конструктивная и технологическая сложность устройства.A fuel injector is known in which a high voltage of the order of 20-25 kV is applied to the electrodes placed in the housing and the electric charge is reported to the fuel flow [RF patent 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, as well as the 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 напряжения и дополнительно используют постоянные магниты, чередующиеся полярностью и усиливающие магнитное поле и магнитный экран [патент РФ №2093699, МПК F02M 27/04, БИ№ 29, 1997]. Недостатками известного устройства являются невысокое качество распыла, а также конструктивная и технологическая сложность устройств его реализующих, требующая существенных конструктивных изменений применительно к существующим топливным системам газотурбинных двигателей.Known fuel nozzle in which in a spiral cavity for processing liquid and / or gaseous media electrodes of the "needle-plane" type are supplied with electric voltage from a high-voltage voltage source and additionally, permanent magnets alternating in polarity and reinforcing the magnetic field and magnetic screen are used [RF patent No. 2093699, IPC F02M 27/04, BI No. 29, 1997]. The disadvantages of the known device are the low quality of the spray, as well as the structural and technological complexity of the devices that implement it, requiring significant structural changes in relation to the existing fuel systems of gas turbine engines.
Наиболее близкой к заявляемому материалу и принятой в качестве прототипа является топливная форсунка [патент РФ №2469205, МПК F02M 27/04], в которой в топливном канале размещены электроды типа «сетка-сетка», на которые подают постоянное электрическое напряжение 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 [RF patent No. 2469205, IPC F02M 27/04], in which fuel-grid-type electrodes are placed in the fuel channel, to which a constant voltage is applied and created between the electrodes electric 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, 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, it requires high fuel cleaning to prevent clogging of the electrode grids, instead of using standard fuel, it is specially prepared gasoline mixed with 20% ethanol, as well as the structural and technological complexity of the device requiring significant structural changes in existing fuel systems of gas turbine engines.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение параметров каплеобразования на выходе топливной форсунки, 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 improve the droplet formation parameters at the exit of the fuel nozzle, to obtain a finely dispersed fuel-air mixture, which will ultimately lead to a more complete combustion thereof, as well as to reduce the level of toxicity of the combustion products and increase fuel economy when providing the required aircraft engine power.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой топливной форсунке одним из электродов, соединенным с потенциальным выходом источника электрического напряжения, является металлический внутренний воздушный завихритель и соединенная проводящей перемычкой металлическая пленка на внутренней и внешней поверхности конфузора изолирующей втулки, одновременно образующие внутренний воздушный канал, при этом металлическая пленка на наружной поверхности конфузора изолирующей втулки является одновременно одной из стенок топливного канала с закрученным потоком топлива и распыливающим соплом, другая стенка которого образует конфузорный участок распыливающего сопла и одновременно является вместе с металлическим корпусом и наружным воздушным завихрителем с соплом вторым электродом топливной форсунки, соединенным с выходом «земля» источника электрического напряжения. 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 конфузора изолирующей втулки использован тугоплавкий металл, например вольфрам, титан, а толщина пленки составляет 1-5 мкм. Металлическая пленка на внутренней и внешней поверхности конфузора изолирующей втулки заканчивается на торце конфузора 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 Аl2O3 - 95%, ZrO2 - 5%.The specified technical result is achieved by the fact that in the proposed fuel nozzle one of the electrodes connected to the potential output of the voltage source is a metal internal air swirl and a metal film connected by a conductive jumper on the inner and outer surfaces of the confuser of the insulating sleeve, simultaneously forming an internal air channel, this metal film on the outer surface of the confuser of the insulating sleeve is simultaneously one of the wall fuel channel with a swirling flow of fuel and the atomizing nozzle, the other wall of which forms a convergent nozzle portion of the spray and is simultaneously together with the metal casing and the outer air swirler of the fuel nozzle injectors second electrode connected to the output "earth" voltage source. 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 confuser of the insulating sleeve, and the film thickness is 1-5 μm. The metal film on the inner and outer surfaces of the confuser of the insulating sleeve ends at the end of the confuser 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 the ambient temperature up to 800, is selected as the material of the insulating sleeve ° C, for example corundum-zirconium ceramic Al 2 O 3 - 95%, ZrO 2 - 5%.
Конструкция предлагаемой топливной форсунки представлена на фиг. 1.The design of the proposed fuel injector is shown in FIG. one.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения: 1 - трубка подвода топлива; 2 - керамическая шайба; 3 - внутренний воздушный завихритель; 4 - воздушный внутренний канал; 5 - проводящий стержень; 6 - изоляционная керамическая трубка; 7 - входной электрод; 8 - корпус форсунки; 9 - топливный канал; 10 - топливный завихритель; 11 - воздушный наружный завихритель; 12 - металлическая пленка на наружной поверхности конфузора изолирующей втулки; 13 - металлическая пленка на внутренней поверхности конфузора изолирующей втулки; 14 - распыливающее сопло; 15 - проводящая перемычка; 16 - канал воздушного наружного завихрителя; 17 - изолирующая втулка; 18 - источник электрического напряжения.In FIG. 1 the following designations are accepted: 1 - fuel supply pipe; 2 - ceramic washer; 3 - internal air swirl; 4 - air internal channel; 5 - conductive rod; 6 - insulating ceramic tube; 7 - input electrode; 8 - nozzle body; 9 - a fuel channel; 10 - fuel swirl; 11 - air external swirl; 12 - a metal film on the outer surface of the confuser of the insulating sleeve; 13 - a metal film on the inner surface of the confuser of the insulating sleeve; 14 - spray nozzle; 15 - conductive jumper; 16 - channel of the air external swirl; 17 - insulating sleeve; 18 is a source of electrical voltage.
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 топливовоздушной смеси и других) в соответствующим образом организованных электрических полях от источника электрического напряжения 18, а также энергии воздушного потока. Однородное электрическое поле воздействует на закрученный поток топлива после топливного завихрителя 10. 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» 12, 13 (с радиусами закругления, меньшими половины толщины нанесенной на внутреннею и внешнюю поверхности конфузора изолирующей втулки 17, то есть меньшими 0,5-2,5 мкм) и распыливающим соплом 14.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 the air-fuel mixture and others) in appropriately organized electric fields from the source of
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 (не показан). При этом используется энергия высокоскоростного закрученного с помощью внутреннего 4 и наружного 11 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 of the fuel at the nozzle, which, in turn, helps to increase the resource of both the fuel nozzle and the fuel pump (not shown). In this case, the energy of a high-speed swirling by means of the internal 4 and external 11 air swirls of the air flow coming from the compressor (not shown in Fig. 1) is used.
Таким образом, на выходе данной топливной форсунки образуется гомогенизированная топливно-воздушная смесь, что также снижает уровень дымления в выхлопных газах газотурбинного двигателя. Для распыливания заданного объема топлива необходимо, чтобы поток топлива в топливном канале был преобразован в кольцевую пленку в распыливающем сопле 14. Для этого топливо в форсунку поступает через топливную трубку 1 и отверстие в корпусе 8 и далее попадает в кольцевой топливный канал 9 и проходит через винтовые каналы топливного завихрителя 10. После прохождения шнековых каналов топливного завихрителя 10 закрученный поток топлива под действием центробежных сил распределяется по внутренней поверхности канала распыливающего сопла - «префилмера» 14 в виде закрученной пленки и попадает на распыливающую кромку сопла, где встречается с потоком воздуха из внутреннего центрального воздушного канала 4. Данный канал образован внутренним каналом воздушного внутреннего металлического завихрителя 3 и электродом 13. Электрод 13 выполнен в виде напыленной тонкой пленки из тугоплавкого металла, например вольфрама, титана, толщиной (1-5) мкм на внутренней поверхностьи конфузора изолирующей втулки 17 из керамики. 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%. Торец внутреннего воздушного завихрителя 3 касается напыленной металлической пленки 13, образуя электрический контакт. Таким образом реализуется потенциальный электрод топливной форсунки, который через проводящий стержень 5, электрически контактирующий с металлическим корпусом внутреннего воздушного завихрителя 3, и входной электрод 7 подсоединяется к потенциальному выходу источника электрического напряжения 18. Входной электрод 7 отделен от корпуса 8 форсунки изоляционной керамической трубкой 6.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. 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 4, образованный внутренним воздушным завихрителем 3, например осевым двухлопаточным завихрителем с плоскими лопатками с заданным утлом закрутки, который далее переходит в конфузорный канал изолирующей втулки 17. 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) air channel of the nozzle is a
При подаче электрического напряжения от источника 18 на электроды заявленной топливной форсунки между электродами 12, 13 типа «острие» и распыливающим металлическим соплом 14 возникает резко неоднородное электрическое поле и образуется униполярный поток ионов знака потенциала игольчатых электродов 12, 13. При этом закрученной топливной пленке и закрученному потоку воздуха сообщается униполярный электрический заряд. Сообщается также униполярный заряд и каплям топлива при распаде заряженной топливной пленки. Кроме того, при проходе закрученного потока топлива после топливного завихрителя 10 топливо модифицируется в однородном электрическом поле. Модификация топлива повышает эффективность сгорания топлива.When voltage is applied from the
После срыва с кромки распыливающего сопла 14 топливно-воздушная пленка по периферии обдувается закрученным потоком воздуха из наружного осевого воздушного завихрителя 11. 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 высокого уровня турбулентных напряжений в сдвиговом слое, индуцированном закруткой потоков воздуха с наружной и внутренней стороны, которые затем поступают в основную зону горения камеры сгорания газотурбинного двигателяAfter disengaging from the edge of the
Следовательно, в отличие от прототипа, в предлагаемой топливной форсунке для увеличения эффективности распыла топлива и горения топливно-воздушной смеси одним из электродов, соединенным с потенциальным выходом источника электрического напряжения 18, является металлический внутренний воздушный завихритель 3 и соединенная проводящей перемычкой 15 металлическая пленка 13, 12 на внутренней и внешней поверхности конфузора изолирующей керамической втулки 17, одновременно образующие внутренний воздушный канал 4. При этом металлическая пленка 12 на наружной поверхности конфузора изолирующей втулки 17 является одновременно одной из стенок топливного канала с закрученным завихрителем 10 потоком топлива и распыливающим соплом 14. Другая стенка топливного канала образует конфузорный участок распыливающего металлического сопла 14. Она одновременно является вместе с металлическими корпусом 8, наружным воздушным завихрителем 11 с соплом вторым электродом топливной форсунки, соединенным с выходом «земля» источника электрического напряжения 18.Therefore, in contrast to the prototype, in the proposed fuel nozzle to increase the efficiency of fuel atomization and combustion of the air-fuel mixture, one of the electrodes connected to the potential output of the
Таким образом, по сравнению с прототипом:Thus, compared with the prototype:
- существенно уменьшается гидравлическое сопротивление 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 топливной форсунки за счет использования в качестве электродов штатных необходимых функциональных элементов (завихрителей, распыливающего сопла и других);- the design of the fuel nozzle is simplified due to the use of standard necessary functional elements (swirlers, spray nozzles and others) as electrodes;
- 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 распыливающго 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.
Кроме того, однородное в потоке топлива в форсунке после топливного завихрителя и резко неоднородное электрическое поле на выходе из распыливающего сопла закрученной топливной пленки и в закрученном потоке воздуха создают или/и постоянным, или/и переменным с изменяющейся частотой. Далее осуществляется двухсторонний обдув (с использованием внутреннего и наружного воздушных завихрителей) закрученными потоками воздуха разбивающейся на капли вытекающей из распыливающего сопла закрученной топливной пленки.In addition, a swirling fuel film that is uniform in the fuel flow in the nozzle after the fuel swirl and sharply inhomogeneous electric field at the outlet of the spray nozzle and in the swirling air stream creates either / and a constant, or / and variable with a varying frequency. Next, two-sided air blowing is carried out (using internal and external air swirlers) with swirling air flows breaking into droplets of swirling fuel film flowing out of the spray nozzle.
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 вовлечения сил инерции в процесс дробления капель топливо и воздух, как отмечалось выше, предварительно закручивают. Противоположная закрутка воздуха, проходящего через внутренний и наружный завихрители, позволяет 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 inertia forces in the process of droplet crushing, fuel and air, as noted above, are pre-screwed. The opposite swirling of air passing through the inner and outer swirlers makes it possible 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 swirling flows in one direction to increase the stability of the combustion process in a gas turbine engine.
В основу предлагаемой топливной форсунки положены следующие физикотехнические и физикохимические явления.The basis of the proposed fuel injector is based on the following physicotechnical 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 вращательных и колебательных энергетических уровней молекул углеводородного топлива, а также осуществляют разбивку больших кластеров соединений различных молекул топлива на более мелкие. В свою очередь, в резко неоднородном электрическое поле на выходе из распыливающего сопла закрученной топливной пленки 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 обдувающему потоку воздуха. При этом знак электрического заряда как на каплях, так и в потоке обдувающего 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 exit 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 rotational and vibrational energy levels hydrocarbon fuel molecules, and they also break down large clusters of compounds of various fuel molecules into smaller ones. In turn, in a sharply inhomogeneous electric field at the outlet of the spray nozzle of the swirling fuel film and in the swirling air stream, a unipolar ion flow is created. In this way, a unipolar charge of one or another sign is reported both to drops of a broken swirling fuel film flowing out of the nozzle and to a blowing air stream. In this case, the sign of the electric charge, both on the droplets and in the flow of blowing air, select the same one. 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 
В качестве примера на фиг. 2 показано влияние электрического заряда капель топлива на уменьшение их поверхностного натяжения в зависимости от диэлектрической проницаемости горючего. Как видно из фиг. 2, 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.As an example in FIG. Figure 2 shows the effect of the electric charge of fuel droplets on the decrease in their surface tension, depending on the dielectric constant of the fuel. As can be seen from FIG. 2, 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 
В результате обработки полученных экспериментальных данных, подтверждающих уменьшение поверхностного натяжения 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 tension of a fuel droplet when an electric charge is communicated to it, the surface tension of a charged fuel droplet is determined by the following expression that is valid for all possible droplet diameters when spraying a 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 обдувающего 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 aero-hydrodynamic and Coulomb repulsive forces (electric charges of the fuel droplets and air flow 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 обдувающего 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 two-sided pre-swirling flows of blowing 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 обдувающего 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, it is possible to reduce the speed of the air blowing the film to obtain the required sizes of fuel droplets.
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.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.
Высокая реакционная способность атомарного водорода приводит к тому, что эти центры определяют механизм реакции окисления и ее скорость.The high reactivity of atomic hydrogen leads to the fact that these centers determine the oxidation reaction mechanism and its rate.
Механизмом возникновения активных частиц под действием переменного электрического поля является возбуждение колебательных уровней молекул. При возбуждении колебательных уровней C-C и C-H связи в молекуле не разрываются, но возбужденная молекула становится активной частицей с повышенной реакционной способностью.The mechanism of the appearance of active particles under the influence of an alternating electric field is the excitation of vibrational levels of molecules. Upon excitation of vibrational levels of C-C and C-H, the bonds in the molecule do not break, but the excited molecule becomes an active particle with increased reactivity.
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 вращательных и колебательных энергетических уровней молекул углеводородного топлива.Under alternating voltage, dielectric losses occur under the influence of both through-current and relaxation types of polarization and processes of excitation of rotational and vibrational energy levels of hydrocarbon fuel molecules by the field.
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.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 
Таким образом, экспериментально подтверждено последействие воздействия электрического поля на топливо при приложении к потоку топлива поперечного переменного электрического поля с изменяющейся частотой для достижения максимального тангенса утла диэлектрических потерь tgδ подачей низковольтного переменного напряжения на электроды с изменяющейся частотойThus, the aftereffect of the effect of the electric field on the fuel when applying a transverse alternating electric field with a varying frequency to the fuel flow to achieve the maximum tangent of the yield of dielectric losses tgδ by applying a low-voltage alternating voltage to the electrodes with a varying frequency has been experimentally confirmed.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015154585A RU2615618C1 (en) | 2015-12-18 | 2015-12-18 | Fuel jet of gas turbine engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015154585A RU2615618C1 (en) | 2015-12-18 | 2015-12-18 | Fuel jet of gas turbine engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2615618C1 true RU2615618C1 (en) | 2017-04-05 |
Family
ID=58506684
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015154585A RU2615618C1 (en) | 2015-12-18 | 2015-12-18 | Fuel jet of gas turbine engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2615618C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2661120C1 (en) * | 2013-12-06 | 2018-07-11 | Нуово Пиньоне СРЛ | Washing nozzle and gas turbine engine |
| US10563626B2 (en) | 2018-06-27 | 2020-02-18 | United Technologies Corporation | Electrostatic flame control technology |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2093699C1 (en) * | 1995-08-04 | 1997-10-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью "БИОМАГ" | Device for treatment of liquid or gaseous media |
| 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 |
-
2015
- 2015-12-18 RU RU2015154585A patent/RU2615618C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2093699C1 (en) * | 1995-08-04 | 1997-10-20 | Товарищество с ограниченной ответственностью "БИОМАГ" | Device for treatment of liquid or gaseous media |
| 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 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2661120C1 (en) * | 2013-12-06 | 2018-07-11 | Нуово Пиньоне СРЛ | Washing nozzle and gas turbine engine |
| US10669884B2 (en) | 2013-12-06 | 2020-06-02 | Nuovo Pignone Srl | Washing nozzles and gas turbine engines |
| US10563626B2 (en) | 2018-06-27 | 2020-02-18 | United Technologies Corporation | Electrostatic flame control technology |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101285590B (en) | Electro-dynamic swirler, combustion apparatus and methods using the same | |
| CN106438158B (en) | Aero-engine main chamber based on plasma jet ignition | |
| 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 | |
| US4176637A (en) | Apparatus for electrostatic fuel mixing | |
| Yule et al. | Electrostatically atomized hydrocarbon sprays | |
| CN109310003B (en) | Large-scale efficient combustion-supporting device for coaxial resonance microwave discharge plasma | |
| RU2615618C1 (en) | Fuel jet of gas turbine engine | |
| CN109322762B (en) | Supersonic ramjet and related aircraft and method | |
| US8955325B1 (en) | Charged atomization of fuel for increased combustion efficiency in jet engines | |
| US2656824A (en) | Electric apparatus for decomposing liquids and its use as a gasoline economizer | |
| US20030071134A1 (en) | Electrostatic atomizer and method of producing atomized fluid sprays | |
| Rigit et al. | Electrical performance of charge injection electrostatic atomizers | |
| Huang et al. | Experimental investigation on spray and ignition characteristics of plasma actuated bluff body flameholder | |
| CN114526499A (en) | Two-phase pulse detonation combustion chamber based on rotating sliding arc ignition | |
| CN109967460A (en) | A kind of engine nozzle carbon distribution minimizing technology based on low temperature plasma | |
| US20190186747A1 (en) | Jet engine with plasma-assisted afterburner having Ring of Resonators and Resonator with Fuel Conduit in Dielectric | |
| RU2634649C1 (en) | Fuel nozzle | |
| US20190186745A1 (en) | Jet engine with plasma-assisted afterburner having Resonator with Fuel Conduit | |
| US20190186746A1 (en) | Jet engine with plasma-assisted afterburner having Ring of Resonators and Resonator with Fuel Conduit | |
| RU2636947C1 (en) | Fuel jet of aircraft engine | |
| CN109057993B (en) | Plasma spray combustion device with electrode cooling function | |
| WO2020086139A4 (en) | Intake plasma generator systems and methods | |
| Bankston et al. | Experimental investigation of electrostatic dispersion and combustion of diesel fuel jets |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210727 Effective date: 20210727 |