FROLOV FEDOR SERGEEVICH (RU)
| US20120151898A1 | 2012-06-21 | |||
| US20120131899A1 | 2012-05-31 | |||
| RU2333423C2 | 2008-09-10 | |||
| SU1654603A1 | 1991-06-07 | |||
| US6877310B2 | 2005-04-12 |
| Формула изобретения Пункт 1. Устройство для детонационного сжигания топлива в непрерывной детонационной волне, включающее кольцевую камеру сгорания, систему подачи топливных компонентов и инициатор детонации, отличающееся тем, что на внутренних поверхностях камеры сгорания выполнены препятствия-турбулизаторы. Пункт 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кольцевая камера сгорания образована двумя коаксиальными телами любой формы, с постоянным или переменным (по угловой координате и (или) по времени) кольцевым зазором. Пункт 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что препятствия- турбулизаторы выполнены в виде шлицов, шипов, или песочной шероховатости. Пункт 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шлицы и шипы ориентированы либо вдоль продольной оси камеры сгорания, либо вдоль винтовой линии на боковых поверхностях камеры сгорания, либо под углом к продольной оси камеры сгорания. Пункт 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высота шлицов и шипов, а также размер зерна песочной шероховатости изменяются или остаются неизменными по мере удаления от огневого днища. Пункт 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что профиль поперечного сечения шлицов имеет прямоугольную или полукруглую форму, а шипов - форму конуса, усечённого конуса, или полусферы Пункт 7. Устройство для детонационного сжигания топлива в непрерывной детонационной волне, включающее дисковую камеру сгорания, систему подачи топливных компонентов и инициатор детонации, отличающееся тем, что на внутренних поверхностях камеры сгорания выполнены препятствия-турбулизаторы. Пункт 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что препятствия- турбулизаторы выполнены или в виде шлицов, или шипов, или песочной шероховатости. Пункт 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что расстояние между основаниями дисковой камеры сгорания изменяется по угловой координате и (или) по времени. Пункт 10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что центральное сопло выполнено в нижнем и (или) верхнем основании дисковой камеры сгорания. Пункт 11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что шлицы и шипы могут быть расположены на обоих основаниях, на одном из оснований, на боковой стенке, а также на всех внутренних поверхностях камеры. Пункт 12. Устройство по п.П, отличающееся тем, что шлицы и шипы на основаниях ориентированы либо по радиусу оснований, либо вдоль винтовой линии на основаниях, либо под углом к радиусу оснований, а на боковой стенке они ориентированы по высоте стенки или под углом к основаниям. Пункт 13. Устройство по п.П, отличающееся тем, что высота шлицов и шипов, а также размер зерна песочной шероховатости изменяются или остаются неизменным по мере удаления от боковой стенки камеры сгорания. Пункт 14. Устройство по п.П, отличающееся тем, что профиль поперечного сечения шлицов имеет прямоугольную или полукруглую форму, а шипов - форму конуса, усечённого конуса, или полусферы. |
Область техники
Изобретение относится к устройствам для сжигания газообразного или распыленного жидкого топлива, а именно, к газовой или капельной детонации, и может быть использовано для сжигания горючей смеси в различных технологических устройствах и энергетических установках, работающих в режиме непрерывного детонационного горения.
Одной из наиболее важных проблем при создании детонационных технологических устройств и энергетических установок является поиск условий надежного инициирования и существования самоподдерживающейся непрерывной детонационной волны в смесях горючего с окислителем в широком диапазоне давлений подачи компонентов смеси и состава смеси.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство для сжигания топлива в непрерывной детонационной волне, описанное в статье Быковского Ф.А. и Митрофанова В.В. Детонационное сжигание газовой смеси в цилиндрической камере сгорания / Физика горения и взрыва. 1980. Т.16, N°5. С. 107-117, представляющее собой кольцевой цилиндрический зазор с гладкими стенками и с торцевой частью, через отверстия в которой подаются топливные компоненты: газообразный кислород и горючий газ (метан, ацетилен, пропан или водород) в соотношении, соответствующем стехиометрической топливно-кислородной смеси. Детонация в кольцевой камере инициируется высоковольтным разрядом с энергией не менее 10 Дж. Недостаток данного устройства - ограниченная область существования рабочих режимов с одной или несколькими детонационными волнами (по давлениям подачи компонентов смеси и по составу смеси).
Известно устройство для сжигания топлива в непрерывной детонационной волне, описанное в статье Быковского Ф.А., Митрофанова В.В. и Ведерников Е.Ф. Непрерывное детонационное сжигание топливно-воздушных смесей / Физика горения и взрыва. 1997. Т.ЗЗ, З. С. 120-131, представляющее собой цилиндрическую камеру сгорания дискообразной формы, образованную двумя основаниями, в одном из которых выполнено выходное отверстие, и боковой цилиндрической поверхностью, через отверстия в которой подаются топливные компоненты: воздух и горючее (керосин, дизельное топливо, метан, водород) в соотношении, соответствующем богатой топливно-воздушной смеси (коэффициент избытка топлива - φ = 1,3-1,7), и бедной смеси для водорода - φ ~ 0,5. Детонация инициируется посредством подрыва взрывчатого вещества массой 0,2 г. Недостаток данного устройства - высокое избыточное давление подачи топливных компонентов, которое, например, для водорода должно быть не менее 7 МПа, а для метана - не менее 10 МПа. Кроме того, для воздушных смесей водорода и углеводородов область существования рабочих режимов с одной или несколькими детонационными волнами еще более ограничена по давлениям подачи компонентов смеси и по составу смеси, чем для кислородных смесей этих горючих.
Известно устройство для сжигания топлива в непрерывной детонационной волне (US 2010/0050592 А1, F02C 5/02, F02C 5/12 опубликованно 04.03.2010), в котором непрерывная детонационная волна формируется в камере сгорания, представляющей собой кольцевой зазор с гладкими стенками. При этом в камеру сгорания подаётся готовая смесь топлива и окислителя (в качестве которого может быть использован как кислород, так и воздух). Недостаток устройства - работа только на смесях стехиометрического состава.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство, описанное в патенте US 2012/0151898 А1, F02K 7/075, F02K 7/02 опубликованном 21.06.2012, в котором используется активная подготовка смеси при помощи стриммерных разрядов, генерируемых на входе в кольцевую камеру сгорания между её внешней и внутренней стенками. Это позволяет расширить концентрационные пределы детонации и допускает работу данного устройства как на топливно-кислородной смеси, так и на топливно-воздушной смеси. Недостаток устройства - сложность конструкции, а также чувствительность системы к типу топлива. В частности, при использовании жидких топлив работа установки будет нестабильна из-за наличия капель топлива в межэлектродном зазоре, что приведёт к снижению мощности разряда (вплоть до его отсутствия).
Отмеченные недостатки перечисленных выше устройств можно частично устранить, используя простые конфигурации камеры сгорания (без активной подготовки смеси) с шероховатыми стенками вместо гладких стенок. Как показано в работе «Gaseous detonations - a selective review» // В.Е. Gelfand, S.M. Frolov, M.A. Nettleton / Prog. Energy Combust. Sci., 1991, Vol. 17, No. 4, p. 327-371, шероховатость стенок канала приводит к расширению пределов детонации горючих смесей.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание такого устройства, в котором реализуется устойчивый процесс непрерывного детонационного горения гомогенных и гетерогенных горючих смесей (включая топливно-кислородные и топливно- воздушные смеси) в широких концентрационных пределах.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым устройством для непрерывного детонационного горения горючей смеси, включающим кольцевую или дисковую камеру сгорания, систему подачи топлива и окислителя, инициатор детонации, в котором на внутренних поверхностях камеры сгорания выполнены препятствия-турбулизаторы.
Кольцевая камера сгорания образована двумя коаксиальными телами любой формы, например, кругового или эллиптического цилиндра, с постоянным или переменным (по угловой координате и (или) по времени) кольцевым зазором. Изменение ширины кольцевого зазора может использоваться для управления вектором тяги при использовании камеры сгорания в составе реактивного двигателя.
Дисковая камера сгорания представляет собой полый диск, образованный двумя основаниями с центральным соплом в одном из оснований и цилиндрической боковой стенкой с отверстиями для подачи топливных компонентов, причём расстояние между основаниями может изменяться по угловой координате и (или) по времени. Изменение расстояния между основаниями может использоваться для управления вектором тяги при использовании камеры сгорания в составе реактивного двигателя.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1а приведена схема заявляемого устройства с кольцевой камерой сгорания.
На фиг. 16 приведена схема заявляемого устройства с дисковой камерой сгорания.
На фиг. 2а показаны примеры размещения препятствий-турбулизаторов в сечении А кольцевой камеры сгорания.
На фиг. 26 показаны примеры размещения препятствий-турбулизаторов в дисковой камере сгорания. На фиг. За приведены возможные конфигурации препятствий-турбулизаторов в кольцевой камере сгорания: (i) изменение высоты шлицов или шипов в продольном направлении; (ii) продольные конфигурации шлицов или шипов; (Ш) поперечные профили шлицов и шипов.
На фиг. 36 приведены возможные конфигурации препятствий-турбулизаторов в дисковой камере сгорания: (i) конфигурации препятствий-турбулизаторов на основании (2); (ii) конфигурации препятствий-турбулизаторов на боковой стенке (3).
На фиг. 4а представлена расчётная схема кольцевой камеры сгорания с препятствиями-турбулизаторами.
На фиг. 46 представлена расчётная схема кольцевой камеры сгорания с гладкими стенками.
На фиг. 5а приведена расчетная зависимость давления от времени в кольцевой камере сгорания с препятствиями-турбулизаторами.
На фиг. 56 приведена расчетная зависимость давления от времени в кольцевой камере сгорания с гладкими стенками.
Вариант осуществления изобретения
На фиг. 1а приведена схема заявляемого устройства с кольцевой камерой сгорания.
Основной элемент устройства - кольцевая камера сгорания (1), образованная корпусом (2), центральным цилиндрическим телом (3), содержащая препятствия- турбулизаторы (4), инициатор детонации (5) и огневое днище на выходе из канала (6), предназначенного для подачи горючей смеси или ее компонентов.
В кольцевой камере сгорания препятствия-турбулизаторы (4) могут быть выполнены в виде шлицов или шипов, или песочной шероховатости и расположены на внутренних поверхностях камеры сгорания.
Препятствия-турбулизаторы ориентированы так, чтобы при распространении детонационной волны создавать горячие точки, обеспечивающие дополнительную устойчивость процесса и расширение пределов детонации. С помощью ориентации препятствий-турбулизаторов можно решать и другие задачи, например, задавать направление вектора тяги при использовании камеры сгорания в составе реактивного двигателя. В кольцевой камере сгорания шлицы и шипы могут быть ориентированы либо вдоль продольной оси камеры сгорания, либо вдоль винтовой линии на боковых поверхностях камеры сгорания, либо под углом к продольной оси камеры сгорания. По мере удаления от огневого днища их высота изменяется или остаётся неизменной. Профиль поперечного сечения шлицов имеет прямоугольную или полукруглую форму, а шипов - форму конуса или усечённого конуса, или полусферы.
В кольцевой камере сгорания размер зерна песочной шероховатости изменяется или остаётся неизменным по мере удаления от огневого днища.
На фигуре 2а показаны примеры размещения препятствий-турбулизаторов (4) в сечении А (см. фиг. 1а). На фигуре За для примера приведены возможные конфигурации препятствий-турбулизаторов (4) .
На фиг. 16 приведена схема заявляемого устройства с дисковой камерой сгорания.
Основной элемент устройства - дисковая камера сгорания (1), образованная двумя основаниями (2) и боковой стенкой (3) (огневым днищем), содержащими препятствия-турбулизаторы (4), инициатор детонации (5), каналы подачи (6) горючей смеси (или ее компонентов) и выходное отверстие (7).
В дисковой камере сгорания шлицы и шипы могут быть расположены на обоих основаниях, на одном из оснований, на боковой стенке, а также на всех внутренних поверхностях камеры. Препятствия-турбулизаторы ориентированы так, чтобы при распространении детонационной волны создавать горячие точки, обеспечивающие дополнительную устойчивость процесса и расширение пределов детонации. С помощью ориентации препятствий-турбулизаторов можно решать и другие задачи, например, задавать направление вектора тяги при использовании камеры сгорания в составе реактивного двигателя. На основаниях дисковой камеры сгорания препятствия-турбулизаторы ориентированы либо по радиусу оснований, либо вдоль винтовой линии на основаниях, либо под углом к радиусу оснований, а на боковой стенке они ориентированы по высоте стенки или под углом к основаниям. По мере удаления от боковой стенки камеры сгорания высота шлицов и шипов изменяется или остаётся неизменной. Профиль поперечного сечения шлицов имеет прямоугольную или полукруглую форму, а шипов - форму конуса или усечённого конуса, или полусферы.
В дисковой камере сгорания выходное отверстие (7) выполнено в нижнем и
(или) верхнем основании (2).
В дисковой камере сгорания размер зерна песочной шероховатости изменяется или остаётся неизменным по мере удаления от боковой стенки (3) (огневого днища). На фигурах 26 и 36 для примера приведены возможные конфигурации препятствий-турбулизаторов (4) в дисковой камере сгорания.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В камеру сгорания (1) через каналы подачи горючей смеси (6) непрерывно подаётся горючая смесь (или её компоненты). Подача горючей смеси организована таким образом, что в кольцевой камере сгорания смесь движется в осевом направлении, а в дисковой камере сгорания - в радиальном направлении. Для инициирования детонационной волны используется инициатор детонации (5). После кратковременного переходного периода в камере сгорания образуется устойчивая волновая конфигурация в виде одной или нескольких бегущих друг за другом самоподдерживающихся детонационных волн, циркулирующих с постоянной скоростью над огневым днищем камеры (1). В отличие от механизма распространения детонации в камере сгорания с гладкими стенками, где устойчивость рабочего режима в основном определяется интенсивностью лидирующей ударной волны, ведущей детонацию, и дифракцией волны на сжимающей стенке (внешней боковой стенке в кольцевой камере или боковой стенке в дисковой камере), в механизме распространения детонации в камере сгорания с препятствиями-турбулизаторами появляется дополнительный фактор обеспечения устойчивости рабочего режима, а именно: регулярное образование горячих точек в результате отражения ударной волны, ведущей детонацию, от препятствий-турбулизаторов. Наличие горячих точек, порожденных отражением ударной волны от препятствий-турбулизаторов, позволяет получить рабочий режим с бегущими детонационными волнами в условиях, при которых в камере с гладкими стенками такой режим невозможен.
Приводим пример сравнительного многомерного газодинамического расчёта работы предлагаемого устройства для сжигания топлива в непрерывной детонационной волне с препятствиями-турбулизаторами в кольцевой камере сгорания и аналогичного устройства с кольцевой камерой сгорания с гладкими стенками при одинаковых расходах стехиометрической смеси водорода и воздуха. Расчётные схемы кольцевых камер сгорания с препятствиями-турбулизаторами и с гладкими стенками представлены на фиг. 4а и фиг. 46 соответственно.
Результаты расчётов представлены на фиг. 5а и 56 соответственно. Из графиков давления видно, что в предлагаемом устройстве формируется непрерывная детонационная волна (см. фиг. 5а), тогда как в устройстве без препятствий- турбулизаторов (см. фиг. 56) при тех же условиях детонационная волна разрушается.
Таким образом, предложено технологичное устройство, в котором реализуется устойчивый процесс детонационного сжигания горючей смеси в непрерывной детонационной волне.
Next Patent: METHOD FOR COOLING HOUSING OF MELTING UNIT AND MELTING UNIT