Область техники

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах отопления, в частности в водонагревателях или бойлерах; в системах утилизации, работающих на сжигании попутного газа; в системах выработки электрической энергии.

Предыдущий уровень техники

Известны глушители импульсов высокой энергии. Например, в патенте US 3807527 импульс рассматривается как высокоэнергетические колебания по меньшей мере 20 частот, для подавления которых, кроме стандартного глушителя, устанавливают дополнительный глушитель в специальных точках. В устройстве для гашения импульса в выхлопной системе по патенту US 3807527 в местах расположения точек максимальных и минимальных амплитуд давления устанавливают соответственно полости и трубы. Однако данный метод глушения не учитывает некоторые свойства шума, создаваемого выхлопными газами.

Известно глушение энергии акустической ударной волны, образованной взрывом, например, заряда аммотола, при попадании на отражающие поверхности, при прохождении расширительных камер (Ю.Н.Рябинин и В.Н.Родионов «О затухании ударных волн, распространяющихся в каналах», Физика взрыва. Сб. N 3, 1955). Однако представленные методы глушения ударной волны не учитывают необходимости обеспечения большого расхода газа при малом перепаде давления через гасители ударной волны.

Известны устройства пульсирующего горения с глушителями. В устройстве по патенту US 4919085 в канале подачи воздуха установлен глушитель в виде полости, с одной стороны подключенной к вентилятору и с другой стороны - к полости, ограждающей воздушный клапан.

В устройстве пульсирующего горения по патенту US 5020987 для снижения уровня шума применён усовершенствованный обратный механический клапан газовой среды, позволяющий понизить амплитуду колебаний давления в камере сгорания.

Наиболее близким к предложенному является устройство пульсирующего горения по патенту US 4259928, содержащее канал подачи воздуха, канал подачи горючего газа, в котором в канале подачи воздуха установлен глушитель, сопряженный с воздушным обратным клапаном, и кроме того этот глушитель сам находится внутри ограждающей полости, которая расположена в сосуде с водой.

Однако представленные глушители не учитывают некоторые свойства шума, создаваемого работой обратных клапанов газовых сред устройств пульсирующего горения.

Сущность изобретения

Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является снижение уровня шума в устройствах пульсирующего горения путем снижения уровня шума, создаваемого механическим обратным клапаном газовой среды.

Техническая проблема решается устройством пульсирующего горения, содержащем камеру сгорания и соединенные с ней по меньшей мере один канал подачи газовой среды с установленным в нем по меньшей мере одним механическим обратным клапаном газовой среды, в котором подвижные запорные элементы механического обратного клапана подпружинены в направлении закрытия. В одном варианте в устройстве пульсирующего горения по меньшей мере один механический обратный клапан газовой среды представляет собой по меньшей мере один механический обратный клапан горючей смеси.

В другом варианте выполнения устройство содержит по меньшей мере два механических обратных клапана газовой среды, по меньшей мере один из которых представляет собой по меньшей мере один механический обратный клапан воздуха, и по меньшей мере один из которых представляет собой по меньшей мере один механический обратный клапан горючего газа.

В технике изучены и описаны различные виды акустического шума. Например, акустический шум, создаваемый пульсациями давления и пульсациями расхода при работе компрессоров, вентиляторов, или акустический шум, создаваемый ударной волной при мощном искровом разряде, или акустический шум, создаваемый ударной волной при взрыве.

Актуальной проблемой устройств пульсирующего горения являются значительные вибрации и шум при работе. Применяемые глушители в каналах отвода дымовых газов и поставки воздуха, а также виброизоляция устройства пульсирующего горения от места установки и от гидравлической системы, дают невысокий результат. При этом, несмотря на применяемые глушители и виброизоляторы, остается высокий уровень шума, создаваемый значительным уровнем вибрации элементов конструкции устройства пульсирующего горения.

Специалистам в области пульсирующего горения очевидно, что основным источником вибраций и акустического шума в установках пульсирующего горения является камера сгорания, в которой, как принято считать, согласно описанию патента US 4919085, происходит взрывное горение.

В результате проведенных исследований было обнаружено, что в процессе работы устройств пульсирующего горения камерой сгорания создаются незначительные вибрации многократно ниже разрешенного уровня и, соответственно, создаваемый этими вибрациями акустический шум также значительно ниже разрешенного уровня. В устройствах пульсирующего горения единственным источником значительных вибраций и акустического шума являются обратные клапаны газовых сред.

При работе устройств пульсирующего горения обратными клапанами газовых сред образуется крутой фронт изменения скорости и давления газового потока, который по своим свойствам похож на ударную волну. Далее для этого явления используется формулировка ударная волна. Ударная волна является источником вибраций и шума высокой интенсивности. Таким образом, при работе устройства пульсирующего горения, создается дополнительные вибрация и шум высокой интенсивности от ударной волны.

В устройствах пульсирующего горения ударная волна формируется обратными клапанами. Наибольшее воздействие ударная волна оказывает на стенки обратного клапана, в котором она образуется. Это воздействие подобно удару твердым предметом и создает вибрации стенок клапана высокой интенсивности. Кроме того, ударная волна воздействует на все элементы конструкции устройства пульсирующего горения по пути своего распространения. Это воздействие создает вибрации и шум высокой интенсивности.

В устройствах пульсирующего горения ударная волна возникает на всех типах обратных клапанов газовых сред. В устройствах пульсирующего горения могут применяться динамические обратные клапаны, не имеющие подвижных запирающих элементов и механические обратные клапаны с подвижными запирающими элементами. Образование ударной волны в динамическом обратном клапане происходит при обратном потоке дымовых газов при торможении и столкновении встречных потоков газа, которые усиливаются тем, что скорость задних частиц больше скорости передних частиц, при этом крутизна изменения скорости потока увеличивается, что создает ударную волну.

Образование ударной волны в механическом обратном клапане по своей природе похоже на образование ударной волны в динамическом обратном клапане. Ударная волна в механическом обратном клапане создается при мгновенном торможении обратного потока газа в момент достижения подвижным запирающим элементом конечного положения закрытия клапана.

В различных областях техники известно, что обратные клапаны могут создавать вибрации и акустический шум. Эти вибрации создаются при ударе запирающего подвижного элемента обратного клапана по неподвижному корпусу обратного клапана, при этом создаются вибрация и шум.

Специалистам очевидно, что подвижный элемент клапана способен создать вибрации от удара подвижного элемента по неподвижному корпусу обратного клапана. Однако в устройствах пульсирующего горения вибрации создаются внезапным изменением скорости газового потока.

Для специалистов по устройствам пульсирующего горения единственным очевидным источником вибрации и акустического шума является взрывное горение в камере сгорания. Согласно настоящему изобретению снижение вибрации и акустического шума, достигается подпружиниванием подвижного запирающего элемента в направлении закрытия механического обратного клапана газовой среды. Такое решение не является очевидным для специалистов пульсирующего горения, поскольку источником вибраций и акустического шума считается только взрывное горение в камере сгорания.

Теоретическое обоснование изобретения

Механическим обратным клапаном газовой среды ударная волна образуется следующим образом. При закрытии механического обратного клапана производится перемещение мембран из положения открытого состояния клапана в положение закрытого состояния клапана обратным потоком газа. В момент достижения мембранами положения закрытого состояния клапана, поток газа быстро, практически мгновенно, останавливается, что создает ударную волну в газе, подобно образованию гидроудара при закрытии обратного гидравлического клапана. При этом на одной стороне обратного механического клапана происходит скачок повышения давления, а на другой стороне клапана происходит скачок понижения давления. Клапан испытывает воздействие, подобное удару твердым предметом, а в газовой среде в обе стороны от обратного клапана распространяется ударная волна, которая является источником вибраций и шума высокой интенсивности.

Ударная волна обладает большой энергией, длится короткое время и имеет короткий фронт. На каждом рабочем периоде пульсаций расхода газа образуется ударная волна. Время формирования ударной волны и ее переходных процессов многократно меньше рабочего периода пульсаций расхода газа. Поэтому каждая отдельная ударная волна ведет себя как одиночное воздействие.

На Фиг. 1 показана типичная конструкция механического обратного клапана, применяемого в устройствах пульсирующего горения. Пластина 1 имеет проходные отверстия 2, подвижный запирающий элемент выполнен в виде мембран 3, которые в закрытом состоянии прижаты к пластине 1, чем закрывают обратный проток 4 газа через отверстия 2, а в открытом состоянии прижаты к ограничителям хода 5, открывая прямой проток 6 газа через отверстия 2. Перемещение мембран 3 от ограничителей хода 5 к пластинам 1 производится обратным потоком 4 газовой среды. При достижении мембранами 3 пластины 1 , обратный поток 4 мгновенно останавливается, что создает ударную волну. При этом на одной стороне пластины 1 происходит скачок повышения давления, а на другой стороне пластины 1 происходит скачок понижения давления. Пластина 1 испытывает воздействие, подобное удару твердым предметом, а в газовой среде распространяется ударная волна, которая создает шум высокой интенсивности.

На Фиг. 2 приведен условный пример рабочих колебаний расхода газа через механический обратный клапан. Линия 7 показывает расход газа в прямом направлении. Линия 8 показывает расход газа в обратном направлении. Линия 9 показывает скачок скорости при закрытии клапана. Линия 10 показывает давление на обратном клапане на стороне притока газа. Линия 11 показывает скачок разрежения, создающий ударную волну на стороне притока газа. Линия 12 показывает давление на клапане на стороне камеры сгорания. Линия 13 показывает скачок давления, создающий ударную волну на стороне камеры сгорания. Ударная волна воздействует на пластину 1 обратного клапана подобно удару твердым предметом. Поскольку пластина 1 имеет собственную резонансную частоту, то пластина 1 начинает вибрировать на этой собственной частоте. Когда на пластину 1 обратного клапана воздействует ударная волна следующего такта, пластина 1 еще продолжает вибрировать от воздействия предыдущей ударной волны, поэтому очередная ударная волна увеличивает амплитуду колебаний пластины 1. Увеличение амплитуды колебаний пластины 1 происходит до тех пор, пока добавляемая ударными волнами энергия не выровняется с потерями энергии колебаний пластины 1 за время между воздействиями ударной волны. Потери энергии колебаний пластины 1 происходят в пластических деформациях пластины 1, при передаче энергии в колебания окружающего клапан газа и при распространении вибраций на все устройство пульсирующего горения. Обычно пластина 1 клапана выполнена из упругого материала, поэтому потери пластических деформаций малы, а почти вся энергия воздействия ударной волны на пластину 1 клапана преобразуется в акустический шум и вибрацию. Распространяющаяся в газовой среде ударная волна, воздействует на все стенки на своем пути подобно удару твердым предметом. Это создает вибрации указанных стенок на собственных резонансных частотах. Периодически следующие воздействия ударной волны увеличивают интенсивность вибрации до высоких величин.

Если уменьшить скорость обратного потока газовой среды в момент закрытия обратного клапана, то уменьшиться интенсивность ударной волны и уменьшиться воздействие ударной волны на обратный клапан и на элементы конструкции устройства пульсирующего горения. Перечень чертежей

На фиг. 1 показан типовой вариант механического обратного клапана газовой среды, применяемый в устройствах пульсирующего горения.

На фиг. 2 - графики колебаний расхода и давления газа при его прохождении через обратный клапан, иллюстрирующие образование ударной волны типовым механическим обратным клапаном газовой среды.

На фиг. 3 - механический обратный клапан газовой среды с подпружиненными в направлении закрытия мембранами.

На фиг. 4 - предложенное устройство с раздельной подачей воздуха и горючего газа в камеру сгорания.

На фиг. 5 - предложенное устройство с предварительным приготовлением горючей смеси.

Пример предпочтительного выполнения изобретения

Согласно предложенному изобретению, в устройстве пульсирующего горения снижение интенсивности генерируемой потоком газа ударной волны производится применением механических обратных клапанов газовых сред, в которых подвижные запирающие элементы подпружинены в направлении закрытия обратного клапана. Предпочтительно, подвижные запирающие элементы выполнены в виде мембран.

На фиг. 3 показана конструкция обратного клапана, где к пластине 14 с проходными отверстиями 15 мембраны 16 прижимаются пружинами 17, которые расположены в ограничителях 18 хода мембран 16. Устройства пульсирующего горения могут иметь различную реализацию и отличаться способом формирования горючей смеси, количеством и типом используемых обратных клапанов.

На фиг. 4 показано устройство пульсирующего горения, содержащее механический обратный клапан 19 воздуха и два механических обратных клапана 20 горючего газа при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру 21 сгорания, помещенную в сосуд 22 с теплоносителем 23. Механический обратный клапан 19 воздуха состоит из пластины 24 с отверстиями 25, мембран 26, пружин 27 и ограничителей хода мембран 28. Механический обратный клапан 20 горючего газа состоит из пластины 29 с отверстиями 30, мембран 31, пружин 32 и ограничителей хода мембран 33. Горючий газ через канал подачи горючего газа 34, поступает в камеру 35 ограждения механических обратных клапанов 20 горючего газа и далее через указанные обратные клапаны горючего газа 20 поступает в газовую кольцевую камеру 36, из которой через газовую щель 37 поступает в камеру 21 сгорания. Воздух по каналу 38 подачи воздуха поступает в камеру 39 ограждения обратного клапана 19 воздуха и далее через обратный клапан 19 воздуха и патрубок 40 поступает в камеру 21 сгорания. Для эффективного погашения реверберации внутренние стенки камер 35 и 39 ограждения покрыты звукопоглощающим материалом 40 и 41 соответственно.

На фиг. 5 показан фрагмент устройства пульсирующего горения с предварительным приготовлением горючей смеси. Горючий газ через канал 42 поступает в поток воздуха, движущийся в канале 43. По каналу 44 горючая смесь поступает в камеру 45 готовой горючей смеси, являющейся камерой ограждения механического обратного клапана 46 готовой горючей смеси. В механическом обратном клапане 46 горючей смеси мембраны 47 подпружинены пружинами 48 в направлении закрытия. Далее через указанный обратный клапан 46 и пламегаситель 49 горючая смесь поступает в камеру 50 сгорания. Для эффективного погашения реверберации внутренние стенки камеры 45 ограждения покрыты звукопоглощающим материалом 51.

Технический результат от применения пружин поясняется на примере механического обратного клапана 20 горючего газа, изображенного на фиг. 4.

Усилие, создаваемое пружинами 32 на мембранах 31, приводит к тому, что задерживается открытие обратного клапана 20 в прямом направлении и производится опережающее закрытие обратного клапана 20 в обратном направлении. Опережающее закрытие обратного клапана 20 позволяет уменьшить скорость обратного потока в момент достижения мембранами 31 пластины 29 с отверстиями 30, что снижает интенсивность генерируемой ударной волны. Кроме того, задержка открытия обратного клапан 20 горючего газа в прямом направлении задерживает начало горения в камере сгорания 21, что позволяет повысить амплитуду колебаний давления в камере 21 сгорания.

Аналогично, применение подпружиненных мембран снижает интенсивность ударной волны посредством опережающего закрытия мембран механического обратного клапана 19 воздуха на фиг. 4 и механического обратного клапана 46 горючей смеси на фиг. 5.