Область техники

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива, а именно, к газо- вой и газокапельной детонации и может быть использовано для передачи сформиро- ванной детонационной волны (ДВ) к использующему её узлу или механизму в различ- ных технологических устройствах и энергетических установках, в частности, в им- пульсных детонационных двигателях летательных аппаратов.

Предшествующий уровень техники

Главной проблемой при созданий импульсных детонационных двигателей явля- ется необходимость надёжной передачи ДВ от инициирующего узла к рабочему узлу (камере сгорания) при минимальных массогабаритных характеристиках передающего узла.

Известно устройство для Передачи детонации из узкого канала инициирующего узла в более широкий канал рабочего узла (Murrey S.B. et al The role of energy distribu- tion of the transmission of detonation // In: High-speed deflagration and detonation: funda- mentals and control / Ed. by G.D. Roy, S.M. Frolov, D.W. Netzer, A.A. Borisov - Moscow: ELEX-KM Publishers. - 2001. - P. 139-162), содержащее цилиндрический канал с уста- новленными внутри канала параллельно его оси пакета трубок, каждая из которых име- ет диаметр не менее критического (D _Kp ). Основным недостатком известного устройства является ограничение на минимальный диаметр трубок, который должен быть не менее критического диаметра D _Kp для используемой горючей смеси, что ведёт к росту массо- габаритных характеристик, особенно для «не чувствительных» горючих смесей (при- родный газ - воздух, керосин-воздух), и, как следствие, стоимости технологических устройств и энергетических установок.

Известно устройство для передачи детонации из узкого канала диаметром D <

D _Kp в более широкий канал (Губин С.А., Когарко СМ., Михалкин В.Н. Эксперймен- тальное исследование газовой детонации в конических трубах. Физика горения и взры- ва, 1982. Т.18, N°5 с. 1 1 1-117), содержащее расширяющийся конус, установленный ме- жду гладким выходным каналом инициирующего узла, имеющим диаметр меньше кри- тического, и гладким каналом рабочего узла большего диаметра. Основным недостат- ком известного устройства является то, что при D«D _Kp требуется малый угол раствора конуса (Borisov A.A. et al Critical energy of direct detonation initiation in gaseous mixtures // In: Dynamics of detonation and explosion: detonations / Ed. by A.L. Kuhl, J.-C. Leyer, A.A. Borisov, W.A. Sirigano - 1989. - P. 142-155, Fig.10), что приводит к необходимости W

2

применения длинных конусных насадок для передачи детонации в каналы большего диаметра, а также сложность изготовления длинных конических каналов с небольшими углами раствора.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности яв- ляется устройство для передачи детонации, описанное в работе (A. Marelli, В. Khasai- nov, V. Guilly, H.-N. Presles, D. Desbordes, Promoting Detonation Diffraction from Circular Tube to Cone by Obstacles // Proc. 21 st ICDERS, Montreal, 2005), выбранное за прототип.

Устройство-прототип представляет собой расширяющийся конус, установлен- ный между выходом из гладкого канала инициирующего узла детонации диаметром D< D _K и входом в гладкий канал рабочего узла большего диаметра, на конической поверх- ности которого на расстоянии 2D от выхода из канала инициирующего узла установле- но препятствие в виде кольца, имеющего в поперечном сечении треугольную форму.

Недостатками устройства-прототипа является кратковременность воздействия ударной волны (УВ), отражённой от кольцевого препятствия, на зону реакции в ослаб- ленной ДВ, что приводит к необходимости устанавливать дополнительные препятст- вия, применение которых существенно усложняет изготовление устройства для пере- дачи детонации. Кроме того, при передаче детонации из канала с D/D _Kp « 1 в канал большего диметра необходимо использовать конус с малым углом раствора, что приво- дит к увеличению его длины и, как следствие, также усложняет изготовление устройст- ва прототипа.

Краткое описание изобретения

Задачей изобретения является создание устройства для передачи сформирован- ной ДВ из инициирующего узла в канал большего диаметра, который соединяет ини- циирующий узел с рабочим узлом, например, с камерой сгорания технологического устройства или энергетической установки. Создаваемее устройство при меньших габа- ритах будет более технологичным по сравнению с известными устройствами (А. Marelli, В. Khasainov, V. Guilly, H.-N. Presles, D. Desbordes, Promoting Detonation Dif- fraction from Circular Tube to Cone by Obstacles // Proc. 21 st ICDERS, Montreal, 2005), что позволит, упростить изготовление соответствующих технологических устройств и энергетических установок, в частности, импульсных детонационных двигателей лета- тельных аппаратов.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым устройством для пере- дачи детонации, выполненным в виде составного расширяющегося конуса, которое со- стоит из нескольких усечённых конусов с разными углами раствора, разделённых, со- гласно изобретению, муфтами с длиной вдоль оси трубы 1 _м не более 2 D (1 _м / D _K < 2), где D _K - гидравлический диаметр выходного сечения усечённого конуса, обеспечивающи- ми поджатие ДВ после ее расширения в конусе.

Усеченные конусы в продольном сечении имеют прямолинейную конфигура- цию и их суммарная длина (с учётом муфт) составляет не более 9-10 D, где D - гидрав- лический диаметр на выходе из инициирующего узла.

Муфты, установленные между усечёнными конусами, в продольном сечении имеют различную конфигурацию.

Краткий перечень чертежей

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг. 1 отображает схему устройства для передачи детонации.

Основной элемент устройства - расширяющийся конус (1) с изменяющимся уг- лом раствора. Устройство содержит систему подачи горючей смеси (на фиг.1 не пока- зана), конические сегменты (2) с предпочтительно увеличивающимся углом раствора и муфты (3).

фиг.2 отображает возможные конфигурации предлагаемого устройства.

Лучший вариант осуществления изобретения

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Через систему подачи горючей смеси устройство заполняется горючей смесью. После выхода из инициирующего узла ДВ попадает в первый конический сегмент (2) расширяющегося конуса (1). Распространение ДВ по коническому сегменту (2) сопро- вождается её расширением и динамической перестройкой её ячеистой структуры с об- разованием новых поперечных волн. Если угол раствора конуса выше некоторого «кри- тического» значения, то ДВ ослабляется и затухает. Для недопущения значительного ослабления ДВ, после которого её восстановление (реинициированйе) становится не- возможным, за конической частью устанавливается муфта. Роль муфты заключается в поджатии потока и отражении лидирующей УВ, что позволяет сохранить или восстано- вить структуру ДВ.

Для сохранения и восстановления ДВ используются одна или несколько муфт различной формы - цилиндрической, конической или криволинейной. Внутренняя по- верхность муфты может быть как гладкая, так и шероховатая, например, с круговой на- резкой.

Приводим экспериментальный пример осуществления передачи детонации в стехиометрической пропановоздушной смеси на предлагаемом устройстве, оснащен- ном регистрирующей аппаратурой. Использовали трубу диаметром D=28 мм, близким к предельному диаметру трубы (для данной смеси), в которой ещё возможно распро- странение детонации (D/ D _K ~ 0,04). Трубу оснащали инициатором детонации в виде электрического разрядника. В трубу устанавливали устройство передачи детонации в виде составного расширяющегося конуса общей длиной 450 мм, которое состояло из трёх усечённых конусов с углами раствора 2°, 3° и 6°, разделённых двумя цилиндриче- скими муфтами длиной 40 мм. Диаметр выходного сечения устройства 52 мм был равен диаметру входного сечения рабочего узла. Детонационную трубу заполняли стехио- метрической пропановоздушной смесью при давлении 0, 1 МПа и температуре 293±2 К. Для инициирования первичной ДВ использовали высоковольтный электрический раз- рядник с энергией разряда 3300 Дж с характерным временем разряда 40 мкс. Парамет- ры ДВ измеряли с помощью восьми пьезоэлектрических датчиков давления типа ЛХ600, установленных на расстояниях 877, 1691, 1991, 2776, 3066, 3366, 3774, 4174 мм от разрядника. Устройство для передачи детонации устанавливали на расстоянии 2100 мм от разрядника. Все датчики были снабжены повторителями сигналов с индивиду- альным питанием и соединены с персональным компьютером через аналого-цифровой преобразователь. Погрешность измерения скорости ДВ не превышала 3%. Результаты измерений представлены в таблице, из которой видно, что на измерительных базах по- сле выхода из устройства зарегистрирована детонация, распространяющаяся со средней скоростью 1770±50 м/с, близкой к идеальной скорости детонации Чепмена-Жуге (ЧЖ) (1800 м/с) для стехиометрической пропановоздушной смеси.

Результаты измерений параметра ДВ предлагаемого устройства

Таблица 1.

Измерительная ба-

Скорость ударной волны, м/с

за, мм

0-877 1760±50

877-1691 1785±50

1691-1991 1765±50

1991-2776 1810±55

2776-3066 1780±50

3066-3366 1765±50

3366-3774 1778±50

3774-4174 1760±50 Таким образом, разработано устройство передачи детонации, характеризующее- ся высокой технологичностью и позволяющее осуществлять передачу детонации из трубы малого диаметра, значительно меньшего критического D/ D _Kp «l , в трубу боль- шего диаметра.