Установка для смешения и поджига композитного топлива
Полезная модель относится к авиамоторостроению, ракетной технике и энергетике, в частности используется для разработки воздушно-реактивных двигателей и двигательных установок в авиации, ракетостроении, транспорте. Установка для смешения и поджига композитного топлива состоит из барботера 1, входа для керосина 2, входа для воздуха 3, кольц Рашига 4, разделительной сетки 5, сопла с форкамерой и трубопроводами 6, камеры смешения 7, посадочного места для инжектора 8, высоковольтных изоляторов 9, электродов с подводящими проводами 10, а также блока для приготовления смеси топлива или эмульсии топлива и воды с наночастицами, содержащего топливный бак 11 с высокоскоростной мешалкой 12, систему подачи воздуха 13 и инжектор 14. Кроме того, в установку входит высоковольтный источник питания 15 с резонансным контуром, состоящий из регулируемого автотрансформатора 16, повышающих трансформаторов 17, 18, батареи бумажных конденсаторов 19. Предлагаемая установка позволяет приготовлять смеси углеводородных топлив или эмульсий этих топлив с водой с присадками наночастиц, что позволяет снизить время задержки воспламенения пламени и обеспечить стабилизацию горения при больших скоростях потока, за счет «эффекта горячих очагов», наличия большого количества ионов и радикалов в значительной части фронта пламени (возникают локальные пробои и получается объемный поджиг газокапельной смеси топлива и окислителя), что позволяет снизить материальные затраты на наночастичную компоненту топлива, и увеличить объем, в котором реализуется разряд. 1 з.п. ф-лы; 7 ил.
Полезная модель относится к авиамоторостроению, ракетной технике и энергетике и может быть использована для разработки широкодиапазонных воздушно-реактивных двигателей и двигательных установок уменьшенных размеров в авиации, ракетостроении, транспорте, энергетических установках.
Известно устройство для сжигания топлива, содержащее последовательно соединенные компрессор с производительностью Qгаз, первый вентиль и барботер с расположенным в нем диспергатором, а также топливный бак с объемным расходом QT, второй вентиль и форсунку, отличающееся тем, что введены сепаратор пузырьков и кавитатор, причем входной штуцер сепаратора подключен к выходу барботера, первый выходной штуцер сепаратора соединен с горлом топливного бака, расположенным в его нижней части, второй выходной штуцер сепаратора соединен с входом второго вентиля, выход которого соединен с входом кавитатора, выход которого соединен с входом форсунки [Патент РФ «Устройство для сжигания топлива» 
2227870, F23C 11/00, F23K 5/08, заявлено 25.03.2002, опубликовано 27.04.2004].
К недостаткам этого устройства следует отнести то, что в барботирующем устройстве использовались диспергаторы из пористых элементов, что приводило к существенным потерям давления в газовой фазе; кроме того имели место ограничения на объемное газосодержание, что не давало обеспечить стехиометрическое соотношение топлива и окислителя. Отсутствие объемного поджига ограничивало применение этого устройства для высокоскоростных потоков и сверхзвуковых течений.
Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному является установка для смешения и поджига композитного топлива, содержащая барботирующее устройство с подачей топлива и газа, сопло для распыления газодисперсной смеси с форкамерой и трубопроводами, систему электроподжига высоковольтным разрядом, устройство для приготовления смеси топлива или эмульсии топлива с водой с добавками наночастиц углерода в виде нанотрубок или графена [«Экспериментальное исследование процессов поджига и стабилизации горения жидких углеводородных топлив электрическим дуговым разрядом», Прикладная физика 2011, 4, стр.36-41].
Отсутствие наполнителя с высокой удельной поверхностью приводило к потерям давления в газовой фазе, что ухудшало энергетические характеристики устройства, а отсутствие резонансного контура ограничивало амплитуду колебания напряжения, что приводило к срыву разряда при относительно меньших длинах шнура разряда. Это привносило ограничения на скорость потока топливно-воздушной смеси.
Заявитель ставил перед собой практическую задачу разработать такую конструкцию системы смешения и поджига композитного топлива, которая позволила бы резко уменьшить время (длину) задержки воспламенения, повысить устойчивость горения пламени, обеспечить устойчивое течение газо-топливной смеси, вплоть до стехиометрического соотношения смеси топливо-окислитель, и увеличить эффективность смешения компонентов. Вышеотмеченный положительный технический результат был достигнут в предложенной установке для смешения и поджига композитного топлива за счет новой совокупности существенных конструктивных признаков, изложенной в нижеприведенной формуле полезной модели: «установка для смешения и поджига композитного топлива, содержащая барботирующее устройство с подачей топлива и воздуха, сопло для распыления газодисперсной смеси с форкамерой и трубопроводами, систему электроподжига высоковольтным разрядом, устройство для приготовления смеси топлива или эмульсии топлива с водой с добавками наночастиц углерода в виде нанотрубок или графена; барботирующее устройство и трубопроводы перед форкамерой сопла заполнены обладающим высокой удельной поверхностью наполнителем, выполненным в виде колец Рашига, система поджига снабжена высоковольтным источником питания с резонансным контуром, предназначенным для увеличения частоты разряда и амплитуды напряжения, при этом наночастицы выполнены в виде углеродных нанотрубок, полученных каталитическим пиролизом ацетилена на нанокластерах железа или кобальта в матрице из оксида алюминия и имеющих структуру переплетенных клубков или, соответственно, в виде графена, имеющего слоистую структуру в форме зерен и полученного химическим способом, заключающимся в окислении слоев графита с последующим восстановлением и получением нанометровых слоев углеродного продукта; упомянутые кольца Рашига представляют собой керамические цилиндрической формы насадки».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид установки для смешения и поджига композитного топлива, выполненной согласно настоящей полезной модели; на фиг 2 - общий вид устройства для приготовления смеси топлива или эмульсии топлива и воды с наночастицами установки на фиг.1; на фиг.3 - высоковольтный источник питания с резонансным контуром установки на фиг.1; на фиг.4 - высоковольтный разряд, обеспечивающий поджиг и горение в условиях высокоскоростного потока установки на фиг.1; на фиг.5 - осциллограмма высоковольтного разряда на фиг.4; на фиг.6 - показан процесс горения топливно-воздушной смеси в установке на фиг.1; на фиг.7 - осциллограмма высоковольтного разряда на фиг.6.
Предлагаемая установка для смешения и поджига композитного топлива содержит барботирующее устройство 1 с подачей топлива и воздуха, имеющее вход для керосина 2 и вход для воздуха 3, через которые осуществляется подача топлива и воздуха, кольца Рашига 4 (например, керамические цилиндрической формы насадки, наружный диаметр которых равен высоте самого кольца и выбирается в пределах 10-25 мм), разделительную сетку 5, сопло 6 для распыления газодисперсной смеси с форкамерой и трубопроводами, камеру смешения 7, посадочное место для инжектора 8, высоковольтные изоляторы 9, электроды с подводящими проводами 10. Кольцами Рашига 4, обладающими высокой удельной поверхностью, заполняются барботирующее устройство 1 и трубопроводы перед форкамерой сопла 6.
В устройство для приготовления смеси топлива или эмульсии топлива и воды с наночастицами (фиг.2) входит блок, содержащий топливный бак 11 с высокоскоростной мешалкой 12, систему подачи воздуха 13 и инжектор 14. Наночастицы выполняются в виде углеродных нанотрубок, полученных каталитическим пиролизом ацетилена на нанокластерах железа или кобальта в матрице из оксида алюминия и имеющих структуру переплетенных клубков диаметром более 2 мкм со средним внешним диаметром ~20-30 нм., или в виде графена, имеющего слоистую структуру с размером зерен ~400 нм. и полученного химическим способом, заключающимся в окислении слоев графита с последующим восстановлением и получением нанометровых слоев углеродного продукта.
Установка содержит также систему электроподжига высоковольтным разрядом, включающую высоковольтный источник питания с резонансным контуром 15 (фиг.3), в который входят регулируемый автотрансформатор 16, повышающие трансформаторы 17, 18 (110В/20000В), батарея бумажных конденсаторов 19 (9×100 мкФ/5кВ). Резонансный контур 15 обеспечивает развитие феррорезонансного колебательного процесса в высоковольтном источнике питания с частотой сети, что приводит к повышению напряжения и возникновению вспышек разряда с частотой 200 Гц, и, соответственно, к устойчивости и стабильности разряда при различных длинах шнура разряда.
Полезная модель работает следующим образом:
Топливо, например, керосин или эмульсия керосина с водой, подается через вход 2 барботера 1, где происходит смешение с воздухом и образование пузырьковой топливно-воздушной смеси или пузырьковой смеси эмульсии топлива и воды с воздухом, сжатый воздух при этом поступает из ресивера (не показан) через устройство подачи газа 3; затем пузырьковая смесь поступает в сопло 6 и распыляется в камере смешения 7. В камере смешения 7 предусмотрено посадочное место 8, к которому присоединяется устройство для приготовления смеси топлива или эмульсии топлива и воды с наночастицами (фиг.2). Это устройство работает следующим образом: в емкость (топливный бак) 11 подается топливо или эмульсия топлива и воды и присадки наночастиц при работающей высокоскоростной мешалке 12, вращающейся со скоростью 3000 об./мин.; воздух через систему подачи воздуха 13 подается в донную часть инжектора 14, далее воздух, ускоряясь, подсасывает смесь топлива и наночастиц или смесь эмульсии топлива и воды с наночастицами, после чего эта жидкая смесь смешивается с потоком воздуха, диспергируется и через посадочное место 8 под углом поступает в камеру смешения 7, где смешивается с основным потоком топлива и окислителя. После смешения этих двух потоков смесь этой топливной смеси и окислителя поступает в разрядный промежуток двух электродов с подводящими проводами 10, закрепленными на высоковольтных изоляторах 9. Высоковольтный источник питания 15 (фиг.3) системы электроподжига высоковольтным разрядом, работает следующим образом: переменный ток от сети поступает на регулируемый автотрансформатор 16, далее на резонансный контур, содержащий батарею бумажных конденсаторов 19 (9×100 мкФ/5кВ) и повышающие трансформаторы 17, 18 (110В/20000В). В резонансном контуре возникает феррорезонансный колебательный процесс с частотой сети, что приводит к повышению напряжения и возникновению вспышек разряда с частотой 200 Гц, при этом топливно-газовая смесь поджигается в пространстве между электродами 10.
По сравнению с известными установками для барботажа, распыления и поджига пористых углеводородных топлив заявляемая установка позволяет приготовлять смеси углеводородных топлив или эмульсий этих топлив с водой с присадками наночастиц, что позволяет резко снизить время (длину) задержки воспламенения пламени и обеспечить стабилизацию горения при больших скоростях потока, в том числе и сверхзвуковых, за счет «эффекта горячих очагов», наличия большого количества ионов и радикалов в значительной части фронта пламени. Сущность «эффекта горячих очагов» состоит в том, что электроны из-за своей большей подвижности оседают на проводящих наночастицах. Вследствие этого возникают многочисленные локальные пробои (из-за больших напряженностей электрического поля) и получается объемный по джиг газокапельной смеси топлива и окислителя.
Выполнение предложенной установки по двухконтурной схеме позволяет гибко регулировать расход той части топлива, в которой имеются присадки наночастиц. Это позволяет при выходе на крейсерский режим полета М>6 для гиперзвуковых летательных аппаратов снизить или прекратить подачу присадок наночастиц, то есть использовать их только на участке разгона. Последнее позволяет снизить материальные затраты на наночастичную компоненту топлива. Наличие резонансного контура в источнике питания позволяет существенно повысить напряжение в разрядном промежутке и увеличить объем, в котором реализуется разряд.
Указанные процессы иллюстрируются на фиг.4-7. На фиг.4 представлен высоковольтный разряд в условиях высокоскоростного потока, а на фиг.5 его осциллограмма. Характерной особенностью этого разряда по сравнению с аналогами является достаточно большой объем разрядной части и увеличение частоты до 200 Гц при 50 Гц в промышленной сети. Это позволяет обеспечить устойчивый поджиг и горение в высокоскоростном потоке, в том числе и сверхзвуковом. На фиг.6 и 7 представлены горение топливно-воздушной смеси и осциллограмма высоковольтного разряда. Характерной новой особенностью такого разряда и фронта горения является то, что пламя и разряд представляют единое целое. То есть, радикалы, ионы, электроны, в том числе и осевшие на наночастицах, обусловленные наличием разряда, находятся в большой части пламени, что обеспечивает положительный эффект устойчивого поджига и стабилизации горения даже в условиях сверхзвукового горения. Кроме того, заполнение барботирующего устройства наполнителем с высокой удельной поверхностью (кольцами Рашига) позволяет обеспечить устойчивое течение газотопливной смеси, вплоть до стехиометрического соотношения смеси топливо-окислитель.
Наблюдение за процессом воспламенения проводилось с помощью высокоскоростной камеры с частотой 250 кадр/сек и выдержкой 1/5000 сек на кадр.
1. Установка для смешения и поджига композитного топлива, содержащая барботирующее устройство с подачей топлива и воздуха, сопло для распыления газодисперсной смеси с форкамерой и трубопроводами, систему электроподжига высоковольтным разрядом, устройство для приготовления смеси топлива или эмульсии топлива с водой с добавками наночастиц углерода в виде нанотрубок или графена, отличающаяся тем, что барботирующее устройство и трубопроводы перед форкамерой сопла заполнены обладающим высокой удельной поверхностью наполнителем, выполненным в виде колец Рашига, система поджига снабжена высоковольтным источником питания с резонансным контуром, предназначенным для увеличения частоты разряда и амплитуды напряжения, при этом наночастицы выполнены в виде углеродных нанотрубок, полученных каталитическим пиролизом ацетилена на нанокластерах железа или кобальта в матрице из оксида алюминия и имеющих структуру переплетенных клубков, или, соответственно, в виде графена, имеющего слоистую структуру в форме зерен и полученного химическим способом, заключающимся в окислении слоев графита с последующим восстановлением и получением нанометровых слоев углеродного продукта.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые кольца Рашига представляют собой керамические цилиндрической формы насадки.
