Ультразвукова паливна форсунка

Реферат: Ультразвукова паливна форсунка містить трубчатий корпус, в якому закріплений ультразвуковий резонансний вібраційний привід осьових переміщень з трансформатором коливальної швидкості. Рідке паливо підводиться до торцевої розпилюючої поверхні через штуцер. Форсунка оснащена системою примусового охолодження. Трансформатор коливальної швидкості по довжині оснащений ділянкою постійного діаметра з розвиненою поверхнею, охопленою трубчатим корпусом з утворенням закритої порожнини. У трубчатому корпусі встановлені два штуцери для підведення рідкого палива до кільцевого каналу віброізоляційного ущільнення та стиснутого повітря до краю області з розвиненою поверхнею. У фланці по радіусу виконані наскрізні отвори для виходу стиснутого повітря. UA 73421 U (54) УЛЬТРАЗВУКОВА ПАЛИВНА ФОРСУНКА UA 73421 U UA 73421 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до техніки ультразвукового розпилення рідин, зокрема для отримання аерозолів, і може бути використана для отримання паливно-повітряних сумішей в теплоенергетиці, проведення технологічних процесів в хімічній, легкій і харчовій промисловостях, в парогенераторах, сушарнях, дистиляторах, теплообмінних пристроях та інш. Для отримання паливно-повітряних сумішей та проведення багатьох технологічних процесів в промисловості необхідно подрібнювати рідке паливо або рідини для отримання дрібних крапельок в газовому середовищі (аерозолей). Одержують такі аерозолі різними методами: пневматичним розпиленням за рахунок швидкості потоку повітря, впорскуванням під тиском крізь отвори малого розміру, нагріванням, природним випаровуванням рідини і іншими. Найбільш ефективним є метод ультразвукового розпилення, який характеризується малим розміром частинок, їх однорідністю і низькими затратами енергії на подрібнення рідини. Метод реалізують різними видами ультразвукових розпилювачів-форсунок, які визначають ефективність і надійність роботи, а також основні технічні характеристики як-то: к.к.д., дисперсність крапельок, продуктивність розпилювача, види рідин і сумішей, що можуть розпилюватися. Конструкція таких форсунок залежить від конкретних технічних вимог, часто нестандартних, екстремальних, що постають перед розробниками. Виконання цих вимог часто потребує рішення складних конструкторсько-технологічних задач, які нерідко вступають в протиріччя. Відома ультразвукова форсунка [Луговской А.Ф., Чухраев Н.В. Ультразвуковая кавитация в современных технологиях. - К.: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет", 2007.244 с. - С. 42-43, С. 104-106], що містить ультразвуковий резонансний вібраційний привід осьових переміщень з трансформатором коливальної швидкості та торцевою поверхнею розпилення, до якої рідина підводиться через отвори в трансформаторі швидкості та штуцер, що розміщений в пучності коливань стоячої поздовжньої хвилі деформації. Така конструкція дозволяє отримати мінімальні габарити форсунки за рахунок застосування ½ або ¾ - хвильових акустичних схем. При цьому поздовжній розмір форсунки дорівнює лише ½ або ¾ довжини поздовжньої хвилі деформації в матеріалі, з якого виконана акустична система форсунки. Але розміщення штуцера в пучності коливань призводить до того, що штуцер буде рухомим і під'єднання до нього трубки підвода рідини призведе до демпфування коливань та зниження ефективності процесу розпилення в тонкому шарі, який утворюється на розпилюючій поверхні трансформатора коливальної швидкості. При застосуванні такої форсунки в системі підготовки паливно-повітряної суміші для подачі в камеру згорання з високою температурою здійснити охолодження форсунки практично не можливо, що призводить до деполяризації п'єзокераміки та швидкого виходу форсунки з ладу. Крім того, аерозоль, що утворюється при ультразвуковому розпиленні в тонкому шарі на торцевій поверхні трансорматора швидкості, залежно від частоти резонансних коливань, має дисперсність 5…20 мкм. При таких малих розмірах краплинки аерозолю не володіють достатньою кількістю руху і не можуть відлітати далеко від поверхні розпилення і тому аерозольний факел розпилення дуже короткий. Горіння такого факела призводить до швидкого нагрівання форсунки. Відома ультразвукова форсунка [Патент України № 52894 А, Опубл. Бюл. № 1, 2003 p.], що містить ультразвуковий резонансний вібраційний привід осьових переміщень з трансформатором коливальної швидкості, в якому рідина, що розпилюється, підводиться в вузловій точці стоячої поздовжньої хвилі деформації. Оскільки вузлова точка є нерухомою, то таке розміщення підводу рідини дозволяє не руйнувати хвилю деформації, що встановилася по довжині форсунки, та забезпечити високу ефективність розпилення. Але при застосуванні цієї форсунки для розпилення рідкого палива і розміщення форсунки на гарячій поверхні камери згоряння, форсунка швидко перегріється і вийде з ладу. Крім того, як і в попередній конструкції, форсунка буде розпилювати паливо на невелику відстань і тому паливний аерозоль буде горіти поблизу форсунки, що буде додатково її нагрівати. Відома ультразвукова паливна форсунка [Патент України № 62448 А. Опубл. 15.12.2003, Бюл. № 12.], конструкція якої вибрана як найближчий аналог. Форсунка містить трубчатий корпус, в якому розміщений ультразвуковий резонансний вібраційний привід осьових переміщень з трансформатором коливальної швидкості, закріплений в корпусі за допомогою фланця, виконаного на трансформаторі в вузловій точці стоячої хвилі деформації, яка встановлюється по довжині вібраційного приводу. Рідина, що розпилюється, підводиться до торцевої поверхні розпилення трансформатора коливальної швидкості стороннім нерухомим 1 UA 73421 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 патрубком і тому не впливає на акустичну систему форсунки. Але сторонній підвід рідини має ряд суттєвих недоліків: - наявність патрубка на шляху розпилення аерозолю призводить до того, що частина краплинок вдаряється о патрубок, осідає на ньому і капає вниз крупними краплями; - система зовнішнього підводу рідини збільшує габарити форсунки і ускладнює її конструкцію. В конструкції форсунки, що розглядається, застосована конвекційна система повітряного охолодження за рахунок виконання незначної частини поверхні ультразвукового вібраційного приводу розвиненою. Мова йде про частотопонижуючу накладку вібраційного приводу. Але ця система охолодження має дуже малу ефективність, оскільки ця накладка мала за площею, а повітря нерухоме. Як варіант, в конструкції запропонована система примусового водяного охолодження за рахунок наскрізних поперечних отворів в трансформаторі швидкості та організації ущільненої проточної порожнини в області вузлової точки стоячої хвилі деформації, яка охоплює ці отвори. Але і в цьому варіанті ефективність системи охолодження мала, оскільки мала площа поверхні отворів, з якою контактує охолоджувальна рідина. Застосувати отвори великого діаметра для збільшення площі контакту не можливо, оскільки це порушить акустичну схему трансформатора коливальної швидкості. Таким чином, розглянуті конструкції не дозволяють отримати якісні паливно-повітряні суміші для подачі в камеру згорання з високою температурою, не дають можливості забезпечити відлітання краплин далеко від поверхні розпилу, тобто створити довгий аерозольний факел розпилення та досягти високої продуктивності багатьох технологічних процесів. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищення ефективності процесу розпилення паливно-повітряної суміші для подачі в камеру згорання з високою температурою та максимальне віддалення аерозольного факела розпилення від поверхні розпилу шляхом вдосконалення ультразвукової паливної форсунки, що містить трубчатий корпус, в якому закріплений за допомогою фланця ультразвуковий резонансний вібраційний привід осьових переміщень з трансформатором коливальної швидкості, поздовжній розмір якого кратний чверті стоячої поздовжньої хвилі деформації і який має торцеву розпилюючу поверхню, до якої рідке паливо підводиться через штуцер, розміщений в вузловій точці стоячої хвилі деформації, яка встановлюється по довжині вібраційного приводу, причому форсунка оснащена системою примусового охолодження. Для вирішення поставленої задачі ультразвукова паливна форсунка, що містить трубчатий корпус, в якому закріплений за допомогою фланця ультразвуковий резонансний вібраційний привід осьових переміщень з трансформатором коливальної швидкості, поздовжній розмір якого кратний чверті стоячої поздовжньої хвилі деформації і який має торцеву розпилюючу поверхню, до якої рідке паливо підводиться через штуцер, розміщений в вузловій точці стоячої хвилі деформації, яка встановлюється по довжині вібраційного приводу, причому форсунка оснащена системою примусового охолодження, у відповідності до корисної моделі довжина резонансного вібраційного приводу виконана не меншою за одну повну хвилю стоячої поздовжньої хвилі деформації, причому трансформатор коливальної швидкості по довжині оснащений ділянкою постійного діаметра, що має довжину, яка дорівнює ½ стоячої хвилі деформації і на якій виконана розвинена поверхня, наприклад, у вигляді гвинтової канавки або крупнокрокової різьби, ділянка з розвиненою поверхнею охоплена трубчатим корпусом з утворенням порожнини, яка з одного боку закрита віброізоляційно ущільненим фланцем, виконаним в першій вузловій точці ділянки з розвиненою поверхнею трансформатора коливальної швидкості вібраційного приводу, а з другого боку закрита кільцевим віброізоляційним ущільненням, розміщеним в області сусідньої вузлової точки ділянки з розвиненою поверхнею і оснащеним кільцевим каналом для підводу рідкого палива до каналів, які виконані в тілі трансформатора швидкості і з'єднують цю область з розпилюючою торцевою поверхнею трансформатора, причому в трубчатому корпусі встановлені два штуцери, один з яких підводить рідке паливо до кільцевого каналу віброізоляційного ущільнення, а другий підводить стиснуте повітря до краю області з розвиненою поверхнею, який є віддаленим від фланця, причому в фланці по радіусу виконані наскрізні отвори для виходу стиснутого повітря. Виконання довжини резонансного вібраційного приводу не меншою за одну повну хвилю стоячої повздовжньої хвилі деформації та оснащення трансформатора коливальної швидкості по довжині ділянкою постійного діаметра, що має довжину, яка дорівнює ½ стоячої хвилі деформації і на якій виконана розвинена поверхня, наприклад у вигляді гвинтової канавки або крупнокрокової різьби дає можливість зробити ефективною систему примусового охолодження форсунки для можливості застосування в камерах згорання з високою температурою, а також запобігає деполяризації п'єзокераміки та швидкому виходу форсунки з ладу. 2 UA 73421 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Оснащення трубчатого корпуса двома штуцерами, один з яких підводить рідке паливо до кільцевого каналу віброізоляційного ущільнення, а другий підводить стиснуте повітря до краю області з розвиненою поверхнею, дозволяє з мінімальним впливом на роботу акустичної системи форсунки підвести паливо до поверхні розпилення та забезпечує інтенсивне здування аерозолю подалі від поверхні розпилення, що дає можливість форсунці не нагріватися при горінні факела. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана схема ультразвукової паливної форсунки, на фіг. 2 - її вигляд з боку розпилюючої торцевої поверхні трансформатора коливальної швидкості. Ультразвукова паливна форсунка (Фіг. 1) містить ультразвуковий резонансний вібраційний привід осьових переміщень з п'єзокерамічними елементами 1, підключеними до електричного генератора ультразвукових коливань, який на схемі умовно не показаний, та з трансформатором коливальної швидкості 2, поздовжній розмір якого кратний чверті стоячої поздовжньої хвилі деформації 3 і має торцеву розпилюючу поверхню 4. Причому трансформатор коливальної швидкості по довжині оснащений ділянкою постійного діаметра 5, що має довжину, яка дорівнює ½ стоячої хвилі деформації і на якій виконана розвинена поверхня, наприклад у вигляді гвинтової канавки або крупнокрокової різьби. Ділянка постійного діаметра 5 охоплена трубчатим корпусом 6 з утворенням порожнини 7, яка з одного боку закрита віброізоляційно ущільненим фланцем 8 трансформатора коливальної швидкості, виконаним в першій вузловій точці ділянки 5 з розвиненою поверхнею, а з другого боку закрита кільцевим віброізоляційним ущільненням 9. Віброізоляційне ущільнення 9 розміщене в області сусідньої вузлової точки ділянки 5 з розвиненою поверхнею і оснащене кільцевим каналом 10 для підводу рідкого палива до каналів 11, які виконані в тілі трансформатора швидкості 2 і з'єднують кільцевий канал 10 з розпилюючою торцевою поверхнею 4. В трубчатому корпусі 6 встановлені штуцери 12 та 13. Штуцер 12 підводить рідке паливо до кільцевого каналу 10 віброізоляційного ущільнення 9, а штуцер 13 підводить стиснуте повітря до краю ділянки 5 з розвиненою поверхнею, який є віддаленим від фланця 8, причому в фланці 8 (Фіг. 2) по радіусу виконані наскрізні отвори 14 для виходу стиснутого повітря. Форсунка також оснащена захисним кожухом 15, через який до п'єзокерамічних елементів 1 підводяться дроти. Ультразвукова паливна форсунка працює наступним чином. До ультразвукових п'єзокерамічних елементів 1 підводиться сигнал від генератора електричних коливань, що призводить до збудження в приводі поздовжніх резонансних пружних коливань. Оскільки фланець 8 знаходиться в вузловій точці стоячої хвилі деформації, механічне закріплення не впливає на поздовжні резонансні коливання в приводі. Ультразвуковий трансформатор коливальної швидкості 2 за рахунок зміни площ поперечного перерізу забезпечує збільшення амплітуди коливань (крива деформації 3 на фіг. 1) своєї торцевої поверхні 4 до рівня, достатнього для здійснення процесу ультразвукового розпилення в тонкому шарі. На торцеву поверхню розпилення 4 рідке паливо подається від штуцера 12 через віброізоляційне ущільнення 9 та кільцевий канал 10. Оскільки ущільнення 9 розміщено в зоні вузлової точки стоячої хвилі 3 пружних поздовжніх коливань, воно не впливає на резонансні коливання і не руйнує коливальний процес в приводі. Пружні коливання п'єзокерамічних елементів 1 та інших елементів приводу поступово розігрівають привід. Додатково розігрів конструкції відбувається за рахунок розташування форсунки на нагрітій поверхні камери згорання та за рахунок нагріву від факела паливного аерозолю, що горить. Примусове охолодження форсунки відбувається за рахунок стиснутого повітря, яке подається через штуцер 13 в порожнину 7 корпусу 6. Повітря обдуває ділянку 5 постійного діаметра з розвиненою поверхнею на трансформаторі швидкості і виходить через отвори 14 у фланці, яким закріплена форсунка. Потік повітря, що виходить з отворів 14, підхоплює краплинки паливного аерозолю і утворює паливно-повітряну суміш. При цьому краплинки аерозолю повітряним потоком відносяться подалі від поверхні розпилення 4 для подальшого згорання. Запропонована паливна форсунка дозволяє отримати якісну паливно-повітряну суміш і забезпечити її згорання подалі від форсунки. При цьому штуцери для підводу палива і стиснутого повітря нерухомі, що дозволяє легко і надійно підводити до форсунки паливо і повітря. При цьому підведення не впливає на резонансні коливання форсунки і тому вона працює з максимальною ефективністю. Стиснуте повітря обдуває розвинену поверхню на трансформаторі коливальної швидкості, охолоджує тіло трансформатора і не допускає перегріву п'єзокерамічних елементів, що забезпечує довготривалу якісну роботу форсунки. 3 UA 73421 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 Ультразвукова паливна форсунка, що містить трубчатий корпус, в якому закріплений за допомогою фланця ультразвуковий резонансний вібраційний привід осьових переміщень з трансформатором коливальної швидкості, поздовжній розмір якого кратний чверті стоячої поздовжньої хвилі деформації і який має торцеву розпилюючу поверхню, до якої рідке паливо підводиться через штуцер, розміщений в вузловій точці стоячої хвилі деформації, яка встановлюється по довжині вібраційного приводу, причому форсунка оснащена системою примусового охолодження, яка відрізняється тим, що довжина резонансного вібраційного приводу виконана не меншою за одну повну хвилю стоячої поздовжньої хвилі деформації, причому трансформатор коливальної швидкості по довжині оснащений ділянкою постійного діаметра, що має довжину, яка дорівнює ½ стоячої хвилі деформації і на якій виконана розвинена поверхня, наприклад у вигляді гвинтової канавки або крупнокрокової різі, ділянка з розвиненою поверхнею охоплена трубчатим корпусом з утворенням порожнини, яка з одного боку закрита віброізоляційно ущільненим фланцем, виконаним в першій вузловій точці ділянки з розвиненою поверхнею трансформатора коливальної швидкості вібраційного приводу, а з другого боку закрита кільцевим віброізоляційним ущільненням, розміщеним в області сусідньої вузлової точки ділянки з розвиненою поверхнею і оснащеним кільцевим каналом для підведення рідкого палива до каналів, які виконані в тілі трансформатора швидкості і з'єднують цю область з розпилюючою торцевою поверхнею трансформатора, причому в трубчатому корпусі встановлені два штуцери, один з яких підводить рідке паливо до кільцевого каналу віброізоляційного ущільнення, а другий підводить стиснуте повітря до краю області з розвиненою поверхнею, який є віддаленим від фланця, причому у фланці по радіусу виконані наскрізні отвори для виходу стиснутого повітря. 4 UA 73421 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5