Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
HIGH-SPEED PULSE DETONATION GAS BURNER AND METHOD OF FUNCTIONING THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/123442
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to devices for the combustion of gaseous or atomized liquid fuel during pulse detonation and can be used in technological devices and energy installations having a high heat rate. Proposed is a high-speed pulse detonation gas burner and a method of functioning thereof. The burner comprises a housing provided with a set of cooled obstacles, and a mixing and ignition device. The set of obstacles is comprised of obstacles having different tube cross-section blocking coefficients and different shapes which change in accordance with the distance from an ignition source in such a way as to provide an optimal balance between the turbulent front acceleration rate and the amplification rate of the formed shock wave in order to effect the transition from combustion to detonation. The proposed invention, by using a cyclic detonation mode for the combustion of a fuel mixture, provides for maximal thermodynamic efficiency of the burner by means of the complete combustion of the mixture in the detonation wave and by means of creating, at the outlet of the burner, a high-speed jet of high-temperature detonation products.

Inventors:
FROLOV, Sergey Mihaylovich (ul. Osennyaya, 14-304Moscow, 4, 121614, RU)
AKSENOV, Viktor Serafimovich (ul. Medynskaya, 5-3-58Moscow, 6, 117546, RU)
Application Number:
RU2013/000084
Publication Date:
August 14, 2014
Filing Date:
February 06, 2013
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
NONPROFIT PARTNERSHIP IN SCEINCE, EDUCATION AND INNOVATION ACTIVITIES "CENTER FOR PULSE-DETONATION COMBUSTION" (ul. Kosygina, 4-1-75Moscow, 7, 117977, RU)
International Classes:
F23C15/00; F23D14/70
Foreign References:
US5430691A
RU2427756C1
SU1067292A1
EP2423602A2
SU575454A1
US6408614B1
Download PDF:
Claims:
Формула изобретения

Пункт 1. Скоростная импульсно-детонационная газовая горелка, включающая корпус, выполненный в виде детонационной трубы с набором охлаждаемых препятствий, и смесительно-зажигающее устройство с источниками зажигания, которое содержит камеру сгорания, оснащенную системой подачи горючей смеси и продувочного газа, и одну или несколько проточных форкамер, представляющих собой обводные каналы, сообщающиеся с камерой сгорания, при этом набор препятствий в детонационной трубе состоит из двух блоков, разделенных участком трубы без препятствий, первый блок препятствий состоит из трех секций с препятствиями различной формы и с различным коэффициентом «блокировки» сечения трубы, для чего первая секция первого блока набора препятствий, обеспечивающая достижение коэффициента «блокировки» сечения трубы 0.12-0.14, выполнена в виде прямых или изогнутых пальцев, причем в поперечных сечениях трубы, проведенных через точки крепления пальцев, содержится не менее одного пальца, и пальцы в указанных поперечных сечениях расположены так, что воображаемая непрерывная поверхность, последовательно проведенная через продольные оси пальцев, лежащих в соседних указанных поперечных сечениях трубы под углом друг к другу, образует винтовую поверхность, вторая секция первого блока набора препятствий, обеспечивающая достижение коэффициента «блокировки» сечения трубы 0.25-0.30, выполнена в виде набора модулей из концентрических колец уменьшающегося диаметра, расположенных в одной плоскости, и третья секция первого блока набора препятствий, обеспечивающая достижение коэффициента «блокировки» сечения трубы 0.1-0.2, представляет собой набор модулей концентрических колец уменьшающегося диаметра, расположенных в параллельных плоскостях, второй блок препятствий состоит из двух секций, по конструкции аналогичных первой секции первого блока набора препятствий, но с постепенно уменьшающимся коэффициентом «блокировки» сечения трубы от 0.12-0.14 в первой секции второго блока препятствий до 0.05-0.10 во второй секции, а на выходе детонационной трубы установлен участок без препятствий.

Пункт 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что подача горючей смеси и продувочного газа в смесительно-зажигающее устройство осуществляется с тангенциальной составляющей. Пункт 3. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что камера сгорания смесительно- зажигающего устройства имеет отверстия, соединяющие ее с проточными обводными каналами, причем одно отверстие для каждого обводного канала располагается в центральной области торцевой поверхности камеры сгорания, а второе отверстие - на боковой поверхности камеры сгорания.

Пункт 4. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что участок детонационной трубы без препятствий между двумя блоками препятствий имеет длину не меньше, чем 3 диаметра трубы.

Пункт 5. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что пальцы в первой секции первого блока набора препятствий и во втором блоке препятствий прикреплены к продольному стержню и/или пакету стержней, размещенных вдоль детонационной трубы, и/или к стенке трубы и имеют сечение различной геометрической формы.

Пункт 6. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что шаг между поперечными сечениями трубы, проведенными через точки крепления пальцев, остается постоянным или увеличивается равномерно или неравномерно по мере удаления от смесительно- зажигающего устройства.

Пункт 7. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что каждый модуль во второй и третьей секции первого блока набора препятствий содержит не менее двух концентрических колец, шаг между модулями остаётся постоянным или увеличивается равномерно или неравномерно по мере удаления от смесительно-зажигающего устройства, а профиль, из которого выполнены концентрические кольца, имеет сечение различной геометрической формы.

Пункт 8. Способ функционирования скоростной импульсно-детонационной газовой горелки, включающий подачу горючей смеси в импульсном режиме под избыточным давлением не менее 0,1-0,2 атм в смесительно-зажигающее устройство и через него в корпус горелки, представляющий собой детонационную трубу с набором препятствий, с образованием турбулентного потока горючей смеси в смесительно- зажигающем устройстве и детонационной трубе, поджигание и сжигание горючей смеси в смесительно-зажигающем устройстве с образованием сильно турбулизованного фронта пламени, который направляют в детонационную трубу с набором препятствий, обеспечивающих оптимальное согласование темпа ускорения турбулентного фронта пламени и темпа усиления образовавшейся ударной волны для осуществления перехода горения в детонацию с последующим образованием высокоскоростной струи высокотемпературных продуктов детонации на выходе из корпуса горелки.

Пункт 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что подачу горючей смеси в смесительно-зажигающее устройство осуществляют с тангенциальной составляющей.

Пункт 10. Способ по п.8, отличающийся тем, что при подаче горючей смеси в корпус горелки детонационная труба заполняется горючей смесью не полностью, но не менее, чем до участка трубы без препятствий, установленного на выходе детонационной трубы.

Пункт 11. Способ по п.8, отличающийся тем, что после детонационного сгорания горючей смеси в горелке в смесительно-зажигающее устройство перед следующим импульсом подачи горючей смеси подают продувочный газ под избыточным давлением не менее 0,1-0.2 атм.

Description:
СКОРОСТНАЯ ИМПУЛЬСНО-ДЕТОНАЦИОННАЯ ГАЗОВАЯ ГОРЕЛКА

И СПОСОБ ЕЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Область техники

Изобретение относится к устройствам для сжигания газообразного или распыленного жидкого топлива в режиме импульсной детонации, и может быть использовано в технологических устройствах и энергетических установках большой тепловой мощности.

В связи с ужесточением ресурсных и экологических ограничений, на современных промышленных предприятиях, использующих в технологических процессах нагревательные печи, широкое применение нашли скоростные горелки. Известное преимущество скоростных горелок - использование конвективной (скоростной) составляющей факела пламени на выходе газовых горелок. В лучших отечественных и зарубежных газовых скоростных горелках скорость факела на выходе достигает 200-250 м/сек при температуре до 1700-1800°С.

Предшествующий уровень техники ]

Возможности по дальнейшему улучшению этих характеристик при обычном (дефлаграционном) сжигании топлива в настоящее время исчерпаны. Наиболее перспективный путь повышения энергоэффективности современных скоростных горелок - использование высокочастотного импульсно-детонационного сжигания топливно-воздушной смеси, обеспечивающего максимальную термодинамическую эффективность и высокую тепловую мощность (Зельдович Я.Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения / ЖТФ, 1940, т. 10, .N217, с. 1453-1461). При детонационном сжигании топливно-воздушной смеси скорость истечения продуктов детонации в единичном импульсе может достигать 1400-1500 м/с, а продукты детонации могут достигать температуры 2400-2500°С.

Одной из наиболее важных проблем при создании импульсно-детонационных техно-логических устройств и энергетических установок является обеспечение условий надежного инициирования детонации в топливно-воздушной смеси на кратчайшем расстоянии за кратчайшее время при минимальной энергии источника зажигания. Благодаря проводимым в течение длительного времени в Институте химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) фундаментальным исследованиям условий перехода горения в детонацию эта проблема в значительной степени была решена - в ИХФ РАН были созданы и запатентованы способы и устройства, обеспечивающие надёжный переход горения в детонацию даже в топливно-воздушной смеси с очень низкой детонационной способностью (например, в смеси природный газ-воздух) в коротких трубах (длиной до 3,0 м) при помощи слабого источника зажигания (автомобильной свечи) за кратчайшее время (до 20 мс): RU 2427756, F23C 15/00, 27.08.2011, RU 2430303, F23C 15/00, 27.09.2011 и RU 2429409 CI, F23C15/00, 20.09.2011.

Однако данные известные устройства для инициирования детонации в трубах с «покоящейся» топливно-воздушной смеси нельзя использовать в качестве скоростной импульсно-детонационной горелки, и при организации высокочастотного (квазинепрерывного) режима работы импульсно-детонационной горелки помимо упомянутой главной проблемы (инициирования детонации) необходимо было решить целый ряд дополнительных проблем. Во-первых, нельзя было использовать свечи зажигания для поджигания потока турбулизованной топливно-воздушной смеси непосредственно в корпусе горелки, во-вторых, необходимо было обеспечить максимально быстрое заполнение горелочного тракта топливно-воздушной смесью и т.д.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание скоростной импульсно-детонационной газовой горелки, в которой благодаря реализации детонационного режима горения топливно-воздушной смеси будут обеспечены максимальная термодинамическая эффективность горелки за счёт полного сгорания топливно-воздушной смеси в детонационной волне и за счет создания высокоскоростной струи высокотемпературных продуктов детонации на выходе из горелки.

Задачей изобретения является также разработка способа функционирования предлагаемой скоростной импульсно-детонационной горелки, который позволит максимально использовать преимущества детонационного режима горения топливно- воздушной смеси в горелке, а именно: обеспечит максимальную термодинамическую эффективность горелки за счёт полного сгорания топливно-воздушной смеси в детонационной волне и за счет создания высокоскоростной струи высокотемпературных продуктов детонации на выходе из горелки. Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:

- скоростной импульсно-детонационной газовой горелкой, включающей корпус, выполненный в виде детонационной трубы с набором охлаждаемых препятствий, и смесительно-зажигающее устройство с источниками зажигания, которое содержит камеру сгорания, оснащенную системой подачи горючей смеси и продувочного газа, и одну или несколько проточных форкамер, представляющих собой обводные каналы, сообщающиеся с камерой сгорания, при этом набор препятствий в детонационной трубе состоит из двух блоков, разделенных участком трубы без препятствий, первый блок препятствий состоит из трех секций с препятствиями различной формы и с различным коэффициентом «блокировки» сечения трубы, для чего первая секция первого блока набора препятствий, обеспечивающая достижение коэффициента «блокировки» сечения трубы 0,12-0,14, выполнена в виде прямых или изогнутых пальцев, причем в поперечных сечениях трубы, проведенных через точки крепления пальцев, содержится не менее одного пальца, и пальцы в указанных поперечных сечениях расположены так, что воображаемая непрерывная поверхность, последовательно проведенная через продольные оси пальцев, лежащих в соседних указанных поперечных сечениях трубы под углом друг к другу, образует винтовую поверхность, вторая секция первого блока набора препятствий, обеспечивающая достижение коэффициента «блокировки» сечения трубы 0,25-0,30, выполнена в виде набора модулей из концентрических колец уменьшающегося диаметра, расположенных в одной плоскости, и третья секция первого блока набора препятствий, обеспечивающая достижение коэффициента «блокировки» сечения трубы 0,1-0,2, представляет собой набор модулей концентрических колец уменьшающегося диаметра, расположенных в параллельных плоскостях, второй блок препятствий состоит из двух секций, по конструкции аналогичных первой секции первого блока набора препятствий, но с постепенно уменьшающимся коэффициентом «блокировки» сечения трубы от 0,12-0,14 в первой секции второго блока препятствий до 0,05-0,10 во второй секции, а на выходе детонационной трубы установлен участок без препятствий.

Подача горючей смеси и продувочного газа в смесительно-зажигающее устройство осуществляется с тангенциальной составляющей.

Камера сгорания смесительно-зажигающего устройства имеет отверстия, соединяющие ее с проточными обводньми каналами, причем одно отверстие для каждого обводного канала располагается в центральной области торцевой поверхности камеры сгорания, а второе отверстие - на боковой поверхности камеры сгорания.

Участок детонационной трубы без препятствий между двумя блоками препятствий имеет длину не меньше, чем 3 диаметра трубы.

Пальцы в первой секции первого блока набора препятствий и во втором блоке препятствий прикреплены к продольному стержню и/или пакету стержней, размещенных вдоль детонационной трубы, и/или к стенке трубы и имеют сечение различной геометрической формы.

Шаг между поперечными сечениями трубы, проведенными через точки крепления пальцев, остается постоянным или увеличивается равномерно или неравномерно по мере удаления от смесительно-зажигающего устройства.

Каждый модуль во второй и третьей секции первого блока набора препятствий содержит не менее двух концентрических колец, шаг между модулями остаётся постоянным или увеличивается равномерно или неравномерно по мере удаления от смесительно-зажигающего устройства, а профиль, из которого выполнены концентрические кольца, имеет сечение различной геометрической формы.

- способом функционирования скоростной импульсно-детонационной газовой горелки, включающим подачу горючей смеси в импульсном режиме под избыточным давлением не менее 0,1-0,2 атм в смесительно-зажигающее устройство и через него в корпус горелки, представляющий собой детонационную трубу с набором препятствий, с образованием турбулентного потока горючей смеси в смесительно-зажигающем устройстве и детонационной трубе, поджигание и сжигание турбулентной горючей смеси в смесительно-зажигающем устройстве с образованием сильно турбулизованного фронта пламени, который направляют в детонационную трубу с набором препятствий, обеспечивающих оптимальное согласование темпа ускорения турбулентного фронта пламени и темпа усиления образовавшейся ударной волны для осуществления перехода горения в детонацию с последующим образованием высокоскоростной струи высокотемпературных продуктов детонации на выходе из корпуса горелки.

Подачу горючей смеси в смесительно-зажигающее устройство осуществляют с тангенциальной составляющей. При подаче горючей смеси в корпус горелки детонационная труба заполняется горючей смесью не полностью, но не менее, чем до участка трубы без препятствий, установленного на выходе детонационной трубы.

После детонационного сгорания горючей смеси в горелке в смесительно- зажигающее устройство перед следующим импульсом подачи горючей смеси подают продувочный газ под избыточным давлением не менее 0,1-0,2 атм.

Проведенные авторами данного изобретения многомерные расчеты и экспериментальные исследования показали, что для быстрого и надежного перехода горения в детонацию в импульсно-детонационной горелке необходимо обеспечить оптимальное согласование темпа ускорения турбулентного фронта пламени и темпа усиления образовавшейся ударной волны. Было установлено, что для одновременного ускоренного распространения и фронта пламени, и ударной волны требуется наличие развитого турбулентного течения в корпусе горелки (в детонационной трубе), причем, чем выше уровень турбулентности горючей смеси (но не превышающий критическое значение, при котором турбулентность приводит к погасанию пламени), тем быстрее возрастает площадь поверхности пламени, и тем быстрее ускоряются пламя и ударная волна, то есть возникающий после поджигания горючей смеси фронт пламени необходимо максимально быстро и эффективно турбулизовать, но для дальнейшего прогрессирующего усиления ударной волны (и одновременного ускорения фронта пламени) форма и расстановка препятствий должны обеспечить уменьшение аэродинамического сопротивления движению ударной волны, то есть обеспечить уменьшение потерь количества движения ударно сжатой горючей смеси. Установленные закономерности были использованы для разработки конструкции предлагаемой импульсно-детонационной горелки и способа ее функционирования.

Одним из важных элементов конструкции предлагаемой импульсно- детонационной горелки является смесительно-зажигающее устройство, через которое топливно-воздушная смесь поступает в корпус горелки (детонационную трубу). В смесительно-зажигающем устройству осуществляется, во-первых, турбулизация топливно-воздушной смеси и, во-вторых, ее зажигание и горение с образованием сильно турбулизованного фронта пламени, который под давлением выталкивается в детонационную трубу в высокоскоростной турбулентный поток топливно-воздушной смеси. Форма и расстановка препятствий в предлагаемой импульсно-детонационной горелке обеспечивают оптимальное согласование темпа ускорения турбулентного фронта пламени и темпа усиления образовавшейся ударной волны и быстрый переход горения в детонацию. Для повышения надежности циклического перехода горения в детонацию в детонационной трубе между двумя блоками препятствий устанавливают участок без препятствий. Участок трубы без препятствий позволяет отдалить фронт лидирующей ударной волны от турбулентного фронта пламени и тем самым повысить надежность циклического перехода горения в детонацию. Если лидирующая ударная волна и фронт пламени не отдалены друг от друга на достаточное расстояние, то турбулентный фронт пламени может «накрыть» зарождающиеся очаги самовоспламенения за фронтом лидирующей ударной волны, и переход горения в детонацию не происходит. Длина участка трубы без препятствий должна быть не меньше 3 диаметров трубы, что определяется зависимостью L = V-τ , где V - видимая скорость пламени в лабораторной системе координат, х - время индукции самовоспламенения горючей смеси при нормальном отражении ударной волны, порождаемой пламенем, от жесткой стенки (см. Фролов СМ. Быстрый переход горения в детонацию // Химическая физика, 2008, т. 27, 6, с. 31-44 и Басевич В.Я., Фролов СМ., Посвянский B.C. Условия существования стационарной гетерогенной детонации // Химическая физика, 2005, т. 24, N° 7, с. 60-70).

Если при подаче горючей смеси в корпус горелки детонационную трубу заполнять горючей смесью не полностью (но не менее, чем до участка трубы без препятствий, установленного на выходе детонационной трубы), то появляется возможность дополнительного управления скоростью и другими параметрами струи продуктов детонации, истекающей из горелки.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена схема заявляемой импульсно- детонационной горелки.

На фиг. 2 изображены прямые пальцы, прикрепленные к продольному стержню, в поперечных сечениях трубы содержится по два пальца, угол между пальцами, лежащими в одной плоскости 180о,

На фиг. 3 изображены прямые пальцы, прикрепленные к стенке трубы, в поперечных сечениях трубы содержится один палец. На фиг. 4 представлены осциллограммы давления и фотография сажевого отпечатка в одном из рабочих циклов (в опыте с полным заполнением устройства свежей топливно-воздушной смесью в каждом цикле).

На фиг. 5 представлены осциллограммы давления на четырех датчиках 9-12 на участке трубы без препятствий на выходе из детонационной трубы в десяти последовательных циклах при работе устройства с частотой около 1 Гц в течение 10 с (при полном заполнении свежей топливно-воздушной смесью в каждом цикле).

На фиг. 6 черными кружками показаны экспериментальные значения скорости детонационной волны на измерительных базах между датчиками 9 и 10, 10 и 11, П и 12 в десяти последовательных циклах (N = 10).

Лучший вариант осуществления изобретения

На фиг. 1 приведена схема заявляемой импульсно-детонационной горелки.

Импульсно-детонационная горелка содержит корпус в виде детонационной трубы (1) с поперечным сечением круговой или прямоугольной геометрической формы, содержащей набор охлаждаемых препятствий (2) в виде двух блоков А и Б, смесительно-зажигающее устройство (3), присоединенное к детонационной трубе (1), систему подачи горючей смеси (или ее компонентов) или продувочного газа (воздуха, азота и т.п.) в смесительно-зажигающее устройство, обеспечивающую циклически- дозированную подачу указанных газов в смесительно-зажигающем устройстве с тангенциальной составляющей, систему охлаждения препятствий (на фиг. обе эти системы не показаны), участок трубы без препятствий (4) между двумя блоками препятствий (А и Б) и участок трубы без препятствий на выходе детонационной трубы (5). Смесительно-зажигающее устройство (3) включает камеру сгорания (6) с отверстиями I для подачи в нее горючей смеси (или ее компонентов) или продувочного газа, и не менее одной форкамеры в виде проточного обводного канала (7), содержащего источники зажигания (8). Камера сгорания (6) в смесительно- зажигающем устройстве имеет два отверстия, соединяющих ее с проточными обводными каналами (7): одно отверстие (II) располагается в центральной области торцевой поверхности камеры сгорания, а второе отверстие (III) - на боковой поверхности камеры сгорания.

Блок А набора охлаждаемых препятствий (2) состоит из трех секций: А1, А2 и

A3. Секция Al первого блока набора препятствий в детонационной трубе выполнена в виде прямых или изогнутых охлаждаемых пальцев, прикрепленных к продольному стержню и/или пакету стержней, размещенных вдоль детонационной трубы, и/или к стенке трубы. В поперечных сечениях трубы, проведенных через точки крепления пальцев, содержится не менее одного пальца - на фиг. 1 пальцы прикреплены к продольному стержню (9), в поперечных сечениях трубы содержится по два пальца (10) (см. сечение В на фиг. 1). Пальцы в указанных поперечных сечениях трубы расположены так, что воображаемая непрерывная поверхность, последовательно проведенная через продольные оси пальцев, лежащих в соседних указанных поперечных сечениях трубы под углом друг к другу, образует винтовую поверхность (см. фиг. 2 и фиг. 3). Шаг между указанными поперечными сечениями детонационной трубы вдоль продольной оси трубы остается постоянным или увеличивается равномерно или неравномерно по мере удаления от смесительно-зажигающего устройства (на фиг. 1 изображена секция А1 с постоянным шагом). Первая секция первого блока набора препятствий обеспечивает достижение коэффициента «блокировки» сечения трубы 0,12-0,14 (коэффициент «блокировки» сечения трубы определяется числом пальцев в поперечных сечениях трубы, проведенных через точки крепления пальцев, и толщиной пальцев (площадью поперечного сечения пальца). Пальцы могут иметь поперечное сечение различной геометрической формы.

Секция А2 первого блока набора препятствий в детонационной трубе, обеспечивающая достижение коэффициента «блокировки» сечения трубы 0,25-0,30, представляет собой набор модулей (11) из охлаждаемых концентрических колец (12, вид Г) уменьшающегося диаметра, расположенных в одной плоскости (см. сечение Г на фиг. 1). Профиль, из которого выполнены концентрические кольца, может иметь сечение различной геометрической формы. Каждый модуль (11) содержит не менее двух колец, а шаг между модулями (11) остаётся постоянным или увеличивается равномерно или неравномерно по мере удаления от смесительно-зажигающего устройства.

Секция A3 первого блока набора препятствий в детонационной трубе, обеспечивающая достижение коэффициента «блокировки» сечения трубы 0,1-0,2. представляет собой набор модулей (13) из охлаждаемых концентрических колец (14) уменьшающегося диаметра, расположенных в параллельных плоскостях. Профиль, из которого выполнены концентрические кольца, может иметь сечение различной геометрической формы. Каждый модуль (13) содержит не менее двух концентрических колец (14), а шаг между концентрическими кольцами (14) в модуле (13) и самими модулями (13) остаётся постоянным или увеличивается равномерно или неравномерно по мере удаления от смесительно-зажигающего устройства (3).

Блок Б набора охлаждаемых препятствий (2) состоит из двух секций: Б1 и Б2, по конструкции аналогичных первой секции А1 первого блока А набора препятствий (2), но с постепенно уменьшающимся коэффициентом «блокировки» сечения трубы от 0,12-0,14 в первой секции Б1 второго блока Б препятствий до 0,05-0,10 во второй секции Б2 за счет уменьшения толщины пальцев.

Заявляемый способ функционирования предлагаемой импульсно-детонационной горелки заключается в следующем.

В смесительно-зажигающем устройстве (3) в импульсном режиме под избыточным давлением не менее 0,1-0,2 атм подают горючую смесь, которая через смесительно-зажигающее устройство поступает далее в корпус (1) импульсно- детонационной горелки. Система подачи обеспечивает подачу топливно-воздушной смеси в смесительно-зажигающее устройство с тангенциальной составляющей, что приводит к турбулизации смеси в смесительно-зажигающем устройстве и в корпусе горелки. Проходя через препятствия, установленные в корпусе горелки, топливно- воздушная смесь турбулизуется дополнительно. Важно отметить, что форма и расстановка препятствий в трех секциях первого блока А, с одной стороны, не препятствует быстрому заполнению горелочного тракта топливно-воздушной смеси (коэффициент «блокировки» сечения трубы в первой секции А1 составляет 0,12-0,14 - минимальный в этом блоке препятствий), а с другой— обеспечивает в дальнейшем необходимое ускорение турбулентного фронта пламени (коэффициент «блокировки» сечения трубы во второй секции А2 достигает 0,25-0,30 - максимальный в первом блоке препятствий). После заполнения смесительно-зажигающего устройства и горелки горючей смесью производят ее зажигание в обводных каналах (7) смесительно- зажигающего устройства и далее в камере сгорания (6) смесительно-зажигающего устройства (благодаря наличию обводных каналов можно использовать слабые источники зажигания (8)- механизм зажигания топливно-воздушной смеси в смесительно-зажигающем устройстве через обводные каналы см. RU 2447368, 10.04.2012). Быстрое сгорание турбулизованной топливно-воздушной смеси в полузамкнутом объеме камеры сгорания (6) смесительно-зажигающего устройства приводит к повышению давления в нём и переброске в детонационную трубу (1) сильно турбулизованного пламени.

Турбулентный фронт пламени, проходя через препятствия первого блока препятствий А в детонационной трубе (1), быстро ускоряется с образованием ударной волны, причем на этом участке детонационной трубы обеспечивают максимальный темп ускорения фронта пламени, а после образования ударной волны необходимо не только продолжать ускорять фронт пламени, но и создавать условия для снижения аэродинамического сопротивления бегущей ударной волны, чтобы достичь максимального темпа ее усиления. Кроме того, необходимо отдалить лидирующую ударную волну от ускоряющегося турбулентного фронта пламени - если лидирующая ударная волна и фронт пламени не отдалены друг от друга на достаточное расстояние, то турбулентный фронт пламени может «накрыть» зарождающиеся очаги самовоспламенения за фронтом бегущей ударной волны, и переход горения в детонацию не произойдет. Для отдаления лидирующей ударной волны от турбулентного фронта пламени после первого блока препятствий А в детонационной трубе (1) устанавливают промежуточный участок без препятствий (4). Длина промежуточного участка без препятствий (4) должна быть не меньше, чем 3 диаметра детонационной трубы ( 1 ).

После прохождения первого блока препятствий А и промежуточного участка без препятствий (4) ударная волна и следующее за ней турбулентное пламя переходят во второй блок препятствий Б, состоящий из двух секций Б1 и Б2 (см. фиг. 1), которые, с одной стороны, обеспечивают снижение коэффициента «блокировки» сечения трубы и уменьшение коэффициента аэродинамического сопротивления на этом участке трубы, а с другой стороны, обеспечивают такой уровень турбулентности потока топливно- воздушной смеси, при котором ускорение фронта пламени продолжается, а темп усиления ударной волны достигает максимального значения, что в конечном итоге приводит к переходу горения в детонацию. Таким образом, благодаря установленным в детонационной трубе (1) блокам препятствий А и Б достигается оптимальное согласование темпа ускорения фронта пламени и темпа усиления ударной волны. Переход горения в детонацию происходит в секции Б2 в области между лидирующей ударной волной и фронтом пламени в результате объемного взрыва («взрыв во взрыве» по терминологии, предложенной в работе Oppenheim А.К. Introduction to Gasdynamics of Explosions. Wien-N.Y.: Springer, 1972) ударно сжатой топливно-воздушной смеси с образованием пересжатой детонационной волны, которая опережает ударную волну и входит в участок детонационной трубы без препятствий (5), установленный в конце детонационной трубы (1), где постепенно ослабляется, оставаясь пересжатой волной или ослабляется до самоподдерживающейся детонации. Пересжатая или самоподдерживающаяся детонация далее распространяется на участке трубы без препятствий (5), обеспечивая высокую полноту химических превращений и высокую скорость продуктов детонации, причем в случае пересжатой волны параметры течения (давление, плотность и скорость) выше, чем в случае самоподдерживающейся детонационной волны. На выходе из корпуса горелки (детонационной трубы) (1) формируется высокоскоростная струя высокотемпературных продуктов детонации.

Истечение продуктов детонации снижает давление в детонационной трубе и в смесительно-зажигающем устройстве, и становится возможным подавать в смесительно-зажигающее устройство и через смесительно-зажигающее устройство в горелку продувочный газ и затем горючую смесь (или ее компоненты) через каналы I под давлением не менее 0,1-0,2 атм. Начинается новый цикл работы горелки.

В случае неполного заполнения детонационной трубы (1) свежей топливно- воздушной смесью (но не менее, чем до участка трубы без препятствий (5), установленного на выходе детонационной трубы), переход горения в детонацию (как и в случае полного заполнения трубы топливно-воздушной смесью) также происходит в секции Б2 второго блока препятствий с образованием пересжатой детонационной волны, которая опережает ударную волну и входит в участок детонационной трубы без препятствий (5), установленный в конце детонационной трубы (1), где постепенно ослабляется, оставаясь пересжатой детонационной волной, или ослабляется до самоподдерживающейся детонации, а после входа в участок, не заполненный топливно-воздушной смесью, превращается в ударную волну, которая постепенно ослабляется, то есть скорость ее распространения ниже, чем скорость самоподдерживающейся детонации. Поэтому скорость и другие параметры струи продуктов детонации, истекающих из горелки, отличаются от тех же параметров струи в случае полного заполнения детонационной трубы (1) топливно-воздушной смесью. Изменяя степень заполнения детонационной трубы (1) свежей топливно-воздушной смесью можно дополнительно управлять скоростью и другими параметрами струи продуктов детонации, истекающих из горелки.

При кратковременной работе горелки (не более 100 импульсов) система охлаждения препятствий может быть отключена.

Приводим пример осуществления изобретения на опытном образце предлагаемой импульсно-детонационной горелки, оснащенного регистрирующей аппаратурой.

Предлагаемая горелка прошла успешные испытания при работе на смеси технически чистого метана с воздухом. В детонационной трубе диаметром 150 мм и длиной 5500 мм установили набор препятствий, состоящий из блоков А и Б. Блок А состоял из трех секций (см. фиг. 1): А1 длиной 500 мм с охлаждаемыми прямыми пальцами диаметром 16 мм; А2 длиной 500 мм, содержащая 15 охлаждаемых модулей (11) из концентрических колец уменьшающегося диаметра, расположенных в одной плоскости; A3 длиной 500 мм, содержащая 8 охлаждаемых модулей (13) из концентрических колец уменьшающегося диаметра, расположенных в параллельных плоскостях. Блок препятствий Б состоял из двух секций - Б1 и Б2. Секция Б1 аналогична по конструкции секции А1 в первом блоке препятствий А, секция Б2 по конструкции такая же, но диаметр охлаждаемых пальцев уменьшен до 10 мм. Между блоками препятствий А и Б был предусмотрен промежуточный участок трубы без препятствий длиной 1 м. На выходе из последней секции с препятствиями Б2 был предусмотрен участок трубы без препятствий длиной 2 м. На входе в детонационную трубу установили смесительно-зажигающее устройство с диаметром камеры сгорания 150 мм и длиной 350 мм.

Испытания проводились при расходе воздуха не менее 0,5 м /с и расходе метана не менее 0,015 м 3 /с. В качестве продувочного газа использовали воздух.

В опытах добивались, чтобы состав топливно-воздушной смеси был максимально близок к стехиометрическому (содержание метана 9.5%-10% по объёму), что подтверждено хроматографическим анализом проб в разных частях детонационной трубы после ее заполнения. Работа горелки в импульсном режиме управлялась цифровым контроллером. Параметры ударной волны измеряли с помощью датчиков давления типа PSB 113В24, установленных на расстояниях от начала детонационной трубы, указанных в таблице 1. Все датчики были соединены с персональным компьютером через аналого- цифровой преобразователь. Погрешность измерения параметров ударной волны не превышала 3%.

Экспериментально доказана возможность циклического перехода горения в детонацию (с частотой циклов до 2 Гц) в условиях высокоскоростного течения (~10м/с) при раздельной подаче топливных компонентов: метана и воздуха. Показано, что в такой трубе при использовании препятствий специальной формы и расстановки можно обеспечить надежный циклический переход горения в детонацию на расстоянии 3-4 м от источника зажигания за время 15-16 мс с момента зажигания.

Расстояния датчиков давления от начала детонационной трубы

Таблица 1

На фиг. 4 представлены осциллограммы давления и фотография сажевого отпечатка в одном из рабочих циклов (в опыте с полным заполнением устройства свежей топливно-воздушной смесью в каждом цикле). Нумерация датчиков соответствует нумерации в табл. 1. Видно, что «взрыв во взрыве» происходит между датчиками 6 и 7, расположенными на расстоянии 2372 и 2623 мм от источника зажигания, через ~14.5 мс после зажигания. «Взрыв во взрыве» происходит между лидирующей ударной волной и пламенем и приводит к образованию пересжатой детонационной волны, бегущей по направлению к открытому концу трубы. В окрестности датчика 9 (на расстоянии около 3622 мм) пересжатая детонационная волна догоняет лидирующую ударную волну, и формируется волна самоподдерживающейся детонации, которая распространяется ближе к концу трубы квазистационарно со средней скоростью 1600-1700 м/с.

На фиг. 5 представлены осциллограммы давления на четырех датчиках 9-12 на участке трубы без препятствий на выходе из детонационной трубы в десяти последовательных циклах при работе устройства с частотой около 1 Гц в течение 10 с (при полном заполнении свежей топливно-воздушной смесью в каждом цикле). Фиг. 5 демонстрирует хорошую повторяемость сигналов на всех датчиках, особенно пиков давления, соответствующих приходу детонационной волны.

На фиг. 6 черными кружками показаны экспериментальные значения скорости детонационной волны на измерительных базах между датчиками 9 и 10, 10 и 11, 1 1 и 12 в десяти последовательных циклах (N = 10), представленных на фиг. 5. Сплошная линия соответствует среднему арифметическому значению скорости детонации на указанных измерительных базах в десяти циклах, а горизонтальная пунктирная линия - термодинамической скорости детонации Чепмена-Жуге в стехиометрической метановоздушной смеси (« 1800 м/с). Видно, что в рассматриваемом опыте на участке без препятствий в конце трубы детонация сначала (между датчиками 9-1 1) распространяется (в среднем) в пересжатом режиме со степенью пересжатия 3-4%, а на последней измерительной базе (между датчиками 11 и 12) - со средней скоростью, несколько меньшей скорости детонации Чепмена-Жуге.

Для сравнения белыми квадратами на фиг. 6 показаны экспериментальные значения скорости детонационной волны на измерительных базах между датчиками 9 и 10, 10 и 11, 11 и 12 в другом опыте с десятью последовательными циклами (N = 10), но с неполным заполнением детонационной трубы свежей топливно-воздушной смесью в каждом цикле - на расстояние 4,0-4,5 м от смесительно-зажигающего устройства. Неполное заполнение трубы привело к тому, что пересжатый режим детонации наблюдался лишь между датчиками 9 и 10, а в дальнейшем скорость детонации снижалась до « 1800 м/с на измерительной базе между датчиками 10 и 11 и далее (после входа детонации в участок трубы, незаполненный топливно-воздушной смесью) детонация превращалась в ударную волну, которая распространялась со скоростью « 1670 м/с на измерительной базе между датчиками 11 и 12.

Режим детонации, наблюдаемый на участке без препятствий в конце трубы в опыте с неполным заполнением трубы свежей топливно-воздушной смесью в каждом цикле (см. фиг. 6), следует рассматривать как спиновый. Во-первых, дефицит средней скорости 100-200 м/с по отношению к скорости детонации Чепмена-Жуге хорошо согласуется с допустимым дефицитом скорости детонации на пределе распространения в гладкой трубе. Во-вторых, структура волны соответствует структуре спиновой детонации с характерными слабо затухающими колебаниями сигнала. Так, частота колебаний за фронтом волны на сигнале датчика давления 12 приблизительно составила 3.7 кГц. Эта частота хорошо согласуется с известным эвристическим правилом s I d « 3 , где s - шаг спина, a. d - диаметр трубы. Действительно, согласно этому правилу шаг спина в трубе диаметром 150 мм должен составить s « 450 мм, и при средней скорости спиновой детонации D ~ 1600-1700 м/с характерная частота пульсаций должна быть Dl s « 3.6-3.8 кГц.

Таким образом, разработаны скоростная импульсно-детонационная газовая горелка и способ ее функционирования, в которых благодаря реализации циклического детонационного режима горения топливно-воздушной смеси обеспечивается максимальная термодинамическая эффективность горелки за счёт полного сгорания топливно-воздушной смеси в детонационной волне и за счет создания на выходе из горелки высокоскоростной струи высокотемпературных продуктов детонации.