способ сжигания топлива и устройство для его осуществления
Классы МПК: | F23D14/24 в которых по меньшей мере одной из текучих сред придается вихревое движение F23N5/12 с использованием элементов, чувствительных к ионизации, те стержневой регулировки пламени |
Автор(ы): | Дудышев В.Д. |
Патентообладатель(и): | Завьялов Станислав Юрьевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-12-11 публикация патента:
10.12.2000 |
Изобретение относится к теплоэнергетике, огневым технологиям и может найти широкое применение в теплоэнергетических установках (котельные, домны и т.д.), а также в реактивных и газотурбинных двигателях, использующих также топливные горелки для преобразования тепловой энергии горения топлива в реактивную кинетическую энергию струи пламени и отходящих газов. Топливная горелка снабжена управляющим и рабочим подвижными кольцевыми электродами, топливная форсунка электроизолирована от корпуса и высоковольтное напряжение подано на эти электроды и форсунку. Расстояния между электродами, форсункой и фронтом пламени выбраны по условию максимальной электронной эмиссии с игольчатых шипов (эмиссионных игл) электродов при заданной напряженности электрополя в рабочем объеме топливной горелки в зависимости от типа топлива и интенсивности его подачи в форсунку, настройку осуществляют по минимуму потребления тока высоковольтного преобразователя напряжения (источника электрического поля) при максимуме температуры и светимости пламени, т.е. поддерживают режим тлеющего разряда (максимальной электронной эмиссии) с форсунки через топливную смесь, через пламя на рабочий электрод от высоковольтного управляемого источника электрического поля. Технический результат состоит в том, что при минимуме потребления электроэнергии удается существенно интенсифицировать процесс сжигания топлива благодаря поляризации и электростатическому распылению топлива, благодаря озонированию воздуха и введению мощной электронной эмиссии в зону горения, вследствие устранения двойного электрически заряженного слоя по фронту пламени, благодаря ускорению перемешивания и окисления наэлектризованного топлива озонированным окислителем в зоне горения и в зоне отходящих газов. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
1. Способ сжигания топлива, заключающийся во взаимосвязанной подаче топлива и окислителя, их перемешивании и воспламенении смеси электроискровым способом, отличающийся тем, что производят интенсификацию горения факела пламени электрическим полем путем подачи потенциала этого поля на электроизолированные от корпуса камеры сгорания топливную форсунку и игольчатый рабочий электрод за фронтом верха пламени, регулируют напряженность электрического поля в камере сгорания по минимуму тока, потребляемого источником поля, а также пространственные и электрические параметры электрического поля в камере сгорания топливной смеси при изменении режима горения и вида топлива путем введения дополнительного ускоряющего потенциала посредством управляющего электрода, размещенного между форсункой и рабочим электродом, а также путем взаимосвязанного изменения положения управляющего и рабочего электродов относительно факела пламени и величины электрических потенциалов поля на электродах и форсунке по критерию достижения максимальных тока электронной эмиссии с игольчатых поверхностей форсунки и электродов и напряженности поля в камере сгорания и максимальной температуры пламени при данном режиме горения, из условия предотвращения эффекта электрического пробоя источника поля через пламя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение расстояния удаленности управляющего и рабочего электродов от форсунки равно соотношению потенциалов на этих электродах. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют подготовку и интенсификацию горения топлива в постоянном электрическом поле путем подачи положительного потенциала через электроизолированную от корпуса топливную форсунку, первого отрицательного потенциала поля через управляющий электрод в зону воспламенения топлива, а второй максимальный отрицательный потенциал подают на рабочий электрод, размещенный выше зоны горения пламени. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что осуществляют подготовку и интенсификацию горения топлива в постоянном электрическом поле путем подачи отрицательного потенциала поля через электроизолированную от корпуса топливную форсунку, первого положительного потенциала поля через управляющий электрод в зону воспламенения топлива пламени, и второго максимального положительного потенциала электрического поля на рабочий электрод выше факела пламени. 5. Способ по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что сжигание топлива осуществляют в знакопеременных электрических полях, причем регулируют частоту высоковольтного напряжения в зависимости от интенсивности горения и вида топлива и окислителя, например, в функции температуры пламени по минимуму потребляемого тока. 6. Способ по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что осуществляют подачу потенциалов электрического поля относительно электроизолированного от корпуса форсунки и ускоряющего электрода, размещенного на срезе реактивного сопла камеры сгорания топливной горелки, а электрическое поле получают путем повышения и преобразования параметров выходного напряжения бортового источника электроэнергии, причем регулируют параметры электрического поля и тока эмиссии электронов по критерию максимального импульса тяги. 7. Устройство для осуществления способа сжигания топлива, содержащее топливную горелку с воздуховодом, топливопроводом и топливной форсункой, регуляторы и датчики расхода топлива и окислителя, электроизолированную от корпуса горелки камеру сгорания, вытяжную трубу для отвода продуктов горения, отличающееся тем, что имеет игольчатый рабочий электрод, электроизолированный от корпуса и размещенный выше факела пламени, высоковольтный регулируемый преобразователь напряжения, выходы которого присоединены к форсунке и рабочему электроду, датчики параметров пламени и отходящих газов, датчик тока в цепи преобразователя и управляющий орган (оптимизатор режима), кроме того, устройство дополнено управляющим электродом, размещенным в зоне воспламенения топлива, форсунка и управляющий электрод также выполнены с игольчатой поверхностью с направлением игл в зону горения пламени, электроды выполнены подвижными относительно зоны горения пламени и имеют, например, кольцевую форму, устройство снабжено также двумя управляемыми высоковольтными преобразователями напряжения, электрически присоединенными одним общим выходом к форсунке, а другим - к электродам, причем к промежуточному (управляющему) электроду присоединен выход первого, более низковольтного преобразователя напряжения, соотношение электрических высоковольтных потенциалов этих источников составляет примерно 1 : 5, выходы всех перечисленных выше датчиков присоединены к входу оптимизатора режима, а выход оптимизатора присоединен ко входу управления амплитудой и частотой упомянутых высоковольтных преобразователей напряжения, и к управляющему органу устройства механического перемещения электродов вдоль оси топливной горелки относительно факела пламени. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что высоковольтные преобразователи выполнены по схемам, содержащим полупроводниковый регулятор сетевого напряжения, повышающий трансформатор с отводами, и высоковольтные выпрямители, причем силовые входы выпрямителей присоединены к выходам высоковольтных трансформаторов, минусовые выходы выпрямителей соединены между собой и присоединены к электроизолированной от корпуса топливной форсунке, а их плюсовые выходы присоединены к соответствующим электродам. 9. Устройство по пп.7 и 8, отличающееся тем, что плюсовые выходы выпрямителей соединены между собой и присоединены к топливной форсунке, а минусовые выходы выпрямителей присоединены к соответствующим электродам. 10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что высоковольтный преобразователь выполнен по схеме "регулятор переменного тока - высоковольтный повышающий трансформатор с двумя отводами на высокой стороне", причем общий вывод высоковольтной автотрансформаторной обмотки присоединен к форсунке, а два других вывода обмотки присоединены к управляющему и рабочему электродам, регулятор напряжения присоединен по электропитанию к стандартной электросети переменного тока. 11. Устройство по пп.7 - 9, отличающееся тем, что рабочий электрод размещен электроизолированно на срезе рабочей камеры и выпускной трубы, выполненных конструктивно в виде реактивного сопла, высоковольтные преобразователи напряжения (источники электрических полей) выполнены в виде индуктивно-полупроводниковых автогенераторов напряжения с выходными выпрямителями, присоединенных по цепи электропитания к бортовому источнику электроэнергии, а по выходу - к форсунке и электродам, выполненным, в этом случае, кольцевыми, с диаметрами колец, превышающими диаметр факела пламени в местах их расположения. 12. Устройство по пп.7 - 11, отличающееся тем, что форсунка и электроды и их игольчатые поверхности выполнены из жаропрочного коррозионно-стойкого металла, например титана, вольфрама или их сплавов, а их электроизоляционная защита от корпуса выполнена из термостойкой керамики с толщиной покрытия, обеспечивающей пробивное напряжение не ниже 100 кв при 1500 - 2000oC.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к огневым технологиям, конкретнее к теплоэнергетическим установкам, устройствам преобразования тепловой энергии в реактивную тягу (газотурбинным, ракетным двигателям), и может найти широкое применение в теплоэнергетике и авиации. Известны способы и устройства сжигания топлива путем подачи и взаимосвязанного регулирования топлива и окислителя в топку с последующим воспламенением топливной смеси, ее сжиганием и отводом отходящих газов в атмосферу через вытяжную трубу (аналоги - Политехнический словарь. - М.: "Советская энциклопедия", 1976 г., с. 196). Известные аналоги не обеспечивают высокого качества сгорания топлива и имеют низкие экологические показатели отходящих газов. Известны различные способы и устройства интенсификации сжигания топлива путем его предварительного подогрева (термического за счет тепла отходящих газов или электротермического), лучшего распыления и смешивания и завихрения смеси путем использования в качестве окислителя кислорода (аналоги - из кн. Н. А. Федорова. "Техника и эффективность использования газа". - М.:"Недра", 1975 г., с. 235). Применение всех этих способов и устройств позволяет экономить до 20% топлива, улучшить экологию сжигания топлива, однако по-прежнему не обеспечивает полного сгорания топлива и глубокой экологической очистки отходящих газов в связи с неполным взаимодействием топлива с окислителем, из-за двойного электрического слоя на границе фронта пламени, недостаточной интенсивностью протекания разветвленных цепных реакций горения, особенно низкокалорийных топлив (мазутов, угля, торфа). Известен способ сжигания топлива в сильном электрическом поле (US N 4588372, МПК F 23 N 5/12, 1985 г. - прототип), согласно которому сжигание топлива осуществляют путем взаимосвязанной подачи топлива и окислителя, их перемешивания и воспламенения смеси электроискровым способом. Для этого устройство выполнено в виде горелки, содержащей воздуховод, топливопровод, топливную форсунку, камеру сгорания и вытяжную трубу для отвода продуктов сгорания. Недостатки прототипа (способа и устройства для его осуществления) состоят в ограниченной области применения изобретения. Технический результат изобретения состоит в дальнейшем совершенствовании электрополевых катализаторных способов и устройств интенсификации сжигания топлива и расширения сферы их применения. Предлагается способ сжигания топлива путем подачи и взаимосвязанного регулирования топлива и окислителя, их смешивания и воспламенения, с последующей обработкой факела пламени регулируемым электрическим полем с напряженностью порядка 1 кВ/см от его устья до вершины путем подачи высокого напряжения на электроизолированные от корпуса горелки топливную форсунку и рабочий электрод, с регулированием напряженности поля и тока эмиссии электронов в пламя по условию предотвращения электрического разряда источника электрического поля через пламя, который дополнен операцией регулирования тока эмиссии путем введения дополнительного управляющего потенциала через дополнительный подвижный электрод, между топливной форсункой и началом факела пламени, операцией механического регулирования положения этих электродов относительно факела пламени, операцией выработки и подачи взаимосвязанных управляющих воздействий на изменение электрических параметров электрического поля (величин напряжения, частоты) и пространственного положения управляющего и рабочего электродов относительно факела пламени, по критерию поддержания наибольшего тока электронной эмиссии с форсунки и наибольшей напряженности поля при предотвращении электрического пробоя источников через пламя. Развитие способа состоит в способе подачи высоковольтных потенциалов электрического поля на электроизолированные от корпуса форсунку и электроды, а именно на форсунку подают отрицательные потенциалы двух высоковольтных знакопостоянных источников, причем плюс первого источника подают на управляющий электрод, плюс от второго подают на рабочий электрод, соотношения потенциалов на управляющем и рабочем электродах поддерживают примерно 1:5. Развитие способа применительно к ракетным и газотурбинным двигателям состоит в обеспечении максимального ускорения струи ионизированных частиц пламени и отходящих газов посредством продольного электрического поля, максимально допустимой напряженности по условию предотвращения электропробоя источников поля через пламя, а также в способе подачи высоковольтного положительного потенциала на электроизолированный от корпуса рабочий электрод, размещенный на срезе рабочей камеры, выполненной в этом варианте в виде реактивного сопла. Предложено устройство для осуществления данного способа, содержащее топливную горелку с воздуховодом, топливопроводом и топливной форсункой, регуляторы и датчики расхода топлива и окислителя, камеру сгорания, вытяжную трубу для отвода продуктов горения, в которое введены игольчатый рабочий электрод, электроизолированный от корпуса и размещенный выше факела пламени, высоковольтный регулируемый преобразователь напряжения, выходы которого присоединены к форсунке и рабочему электроду, датчики параметров пламени и отходящих газов, датчик тока в цепи преобразователя и управляющий орган (оптимизатор режима). Кроме того, устройство дополнено управляющим электродом, размещенным в зоне воспламенения топлива, форсунка и управляющий электрод также выполнены с игольчатой поверхностью с направлением игл в зону горения пламени, электроды выполнены подвижными относительно зоны горения пламени и имеют, например, кольцевую форму, устройство снабжено также двумя управляемыми высоковольтными преобразователями напряжения, электрически присоединенными одним общим выходом к форсунке, а другим - к электродам, причем на промежуточный (управляющий) электрод присоединен выход первого, более низковольтного преобразователя напряжения, соотношение электрических высоковольтных потенциалов этих источников составляет примерно 1:5, выходы всех перечисленных выше датчиков присоединены на вход оптимизаторов режима, а выход оптимизатора присоединен на входы управления амплитудой и частотой упомянутых высоковольтных преобразователей напряжения, и на управляющий орган устройства механического перемещения электродов вдоль оси топливной горелки относительно факела пламени. Нами экспериментально выяснено, что продольное вдоль факела пламени электрическое поле повышает эффективность преобразования тепловой энергии горящего топлива в реактивную кинетическую энергию струи пламени и газов вследствие упорядочивания теплового движения ионизированных и поляризованных частиц топлива и отходящих газов силовым кулоновским воздействием на них, направленным именно вдоль вектора поля. Поэтому становится целесообразным применение этого способа не только в теплоэнергетических установках, но и на ракетных и газотурбинных двигателях, что позволяет снизить расход топлива и повысить удельные тяговые характеристики этих реактивных двигателейРазвитие изобретения-устройства состоит в применении его в ракетных и газотурбинных двигателях посредством размещения рабочего электрода на срезе рабочей камеры, выполняемой в данном варианте использования изобретения, в виде реактивного сопла, причем высоковольтные преобразователи напряжения выполняют в этом случае в виде индуктивно-полупроводниковых автогенераторов с повышающими обмотками и высоковольтными выпрямителями, присоединенными к соответствующим электродам и форсунке, а электропитание преобразователей осуществляют от бортовой электросети. Таким образом, предлагаемые усовершенствования способа и устройства-прототипа в части повышения управляемости благодаря введению дополнительного электрода, двух управляемых источников высокого напряжения, введению операции и устройства пространственного регулирования положения электродов относительно факела пламени, различным силовым схемам высоковольтных преобразователей и схемам их подключения к форсунке и электродам привели к новым положительным эффектам - расширению сферы применения способа и устройства не только на теплоэнергетические установки, но и на реактивные двигатели, к повышению эффективности каталитического воздействия электрических полей на интенсификацию горения топлива. Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере топливной горелки, показанной в упрощенном виде на чертеже. Предлагаемая топливная горелка содержит воздуховод 1, топливопровод 2, врезанный герметично в воздуховод 1 с электроизолированным от топливной магистрали топливным насосом 3, центральный проходной электроизолятор 4, размещенный коаксиально снаружи воздуховода 1 и жестко удерживающий его внутри первого наружного диффузора 5, внутри которого размещен также расширительный воздуховод 6, укрепленный на диффузоре 5, и проходящий внутри второго конического диффузора 7, который механически прикреплен на диффузоре 5 фланцевым соединением на крышке 9. Внутренний топливопровод 2 имеет на конце топливную форсунку 9 с игольчатыми шипами 9-1, направленными в сторону пламени. Топливная горелка снабжена также двумя кольцевыми электродами 10, 12 с шипами 11, 13 по периметру их внутренних окружностей, направленными в сторону пламени, причем электроды 10, 12 жестко соединены с соответствующими механическими разъемами 14 и подвижно с соответствующими вертикальными подвижными штангами 15, которые в свою очередь вставлены в полые электроизоляторы 16, которые жестко закреплены на металлических упорах 17, жестко присоединенных к верхнему диффузору 5, причем подвижные штанги пропущены через верхние электроизоляторы 18, жестко укрепленные на верхней крышке 19-1 корпуса топливной горелки 19 (на чертеже показан вырез корпуса 19). Сверху подвижные штанги снабжены высоковольтными клеммами 20, электрически присоединенными к двум плюсовым выходам высоковольтного преобразователя 21 (с диапазоном регулирования напряжения от 2 до 80 кВ). Данный преобразователь 21 содержит полупроводниковый регулятор 22 амплитуды и частоты выходного переменного напряжения, например, в виде однофазного тиристорного преобразователя частоты, высоковольтный повышающий трансформатор 23, например, трех обмоточного типа, с промежуточными отводами высокого напряжения и со средней точкой, а также выходной высоковольтный демодулятор 24, выполненный в простейшем случае в виде двух однофазных двух полупериодных выпрямителей, присоединенных к соответствующим отводам высоковольтного трансформатора 23, причем минусовой выход выпрямителей общий, и присоединен к топливной форсунке 9 через внутренний топливопровод 2. Топливная горелка снабжена также датчиками тока 25, включенных во входной и выходных электрических цепях высоковольтного преобразователя 21, датчики параметров пламени (температуры, светимости, состава) 26, датчики параметров отходящих газов 27, датчики расхода топлива Т и окислителя В 28, причем все выходы перечисленных датчиков присоединены через оптимизатор режима 29, например, цифровой процессор, на вход управления амплитудой (

В - воздух; ОЗ - озон; Т - топливо; ТВС - топливовоздушная смесь; ОГ - отходящие газы; ОР - оптимизатор режима; Э - электроны эмиссии с шипов форсунки и электродов 10, 12; Тд - механизм электростатического распыления топлива Т;
"+, -" Uпит. - выходное высоковольтное напряжение (10-80 кВ);
"+, - " Uпит.2 - выходное высоковольтное напряжение на озонирующем электроде 10;



Класс F23D14/24 в которых по меньшей мере одной из текучих сред придается вихревое движение
Класс F23N5/12 с использованием элементов, чувствительных к ионизации, те стержневой регулировки пламени