Способ инициирования детонации в горючих смесях и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергетике, а именно к способам и устройствам для сжигания топлива, в частности, к способам инициирования детонации в горючих смесях и устройствам для их реализации. Способ инициирования детонации в горючих смесях включает подачу топлива (горючего и окислителя) и инициирование топлива в камере сгорания. Осуществляют вихревое течение топлива (топливной смеси, состоящей из горючего и окислителя) таким образом, что, помимо основного вихря, образуют систему вихрей, оси которых перпендикулярны плоскости потока, при этом подачу горючего и окислителя производят раздельно, а смешение их производят непосредственно в камере. Горючее подают (в камеру сгорания) раньше окислителя. Используют горючее в газообразном, жидком или твердом (мелкодисперсном) состоянии, а окислитель в газообразном состоянии. В качестве окислителя могут быть использованы, например, кислород, воздух, их смеси. Используют горючее и окислитель в соотношении, близком к стехиометрическому. Изобретение позволяет значительно упростить способ инициирования детонации в горючих смесях и устройство для его реализации и повысить их технологичность, а также улучшить условия труда и технику безопасности. При этом расширяются функциональные возможности, повышается быстродействие. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетике, а именно к способам и устройствам для сжигания топлива, в частности, к способам инициирования детонации в горючих смесях и устройствам для их реализации. Оно может быть использовано в энергетике, транспортной и химической отраслях промышленности для инициирования детонации горючей смеси и дальнейшего детонационного или турбулентного сжигания различных топлив (смеси горючего и окислителя) и в других отраслях.

Известны способы инициирования детонации в горючих смесях, например: Vasil'ev A.A. Optimization of DDT Accelerators // Advances in Confined Detonations / [Edited by G.Rou, S.Frolov, J.Shepherd]. - Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2002, p.p.31-35 [1]; Левин В.А., Марков В.В., Журавская Т.А., Осинкин С.Ф. Инициирование детонации в газообразной смеси воздуха с углеводородным топливом электрическим разрядом. // Лаврентьевские чтения по математике, механике и физике, тезисы докладов. Новосибирск, Россия, 27-31 мая 2005 г., с.154 [2]; Frolov S.M., Basevich V.Ya. and Aksenov V.S. Combustion chamber with intermittent generation and amplification of propagating reactive shocks // Application of Detonation to Propulsion / [Edited by G.D.Rou, S.M.Frolov, J.Shepherd]. - Moscow: TORUS PRESS Ltd., 2004, p.p.240-249 [3] и другие.

Однако с их помощью реализовать быстрый переход от горения в детонацию весьма затруднительно.

Известны устройства для инициирования детонации в горючих смесях, например: [1], [3], а также патент RU №2209418 (2003 г.) [4], патент RU №2066778 (1996 г.) [5], патент RU №2059852 (1996 г.) [6], патент RU №2106509 (1998 г.) [7], патент SU №1706282 (1995 г.) [8] и другие. Однако они сложны и недостаточно технологичны.

В настоящее время существует проблема инициирования детонации топливно-воздушных смесей в связи с задачами использования детонационного сжигания топлива в камерах сгорания двигателей и энергетических установок. Использование детонаторов или кислорода для прямого инициирования детонации при непрерывной циклической работе камеры недопустимо по многим причинам, в том числе по условиям безопасности и прочности конструкций. Имеются расчеты, показывающие возможность уменьшения энергии инициирования электрической искрой покоящейся и движущейся топливно-воздушной смеси путем повторного инициирования [2]. В эксперименте с помощью препятствий в проходном сечении трубы [1] или применения спирали Щелкина и специальной конструкции детонационных труб, а также повторного инициирования горящей смеси электрической искрой удается значительно снизить преддетонационные расстояния топливно-воздушной смеси и суммарную энергию инициирования [3].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, описанный в патенте RU №2209418 (2003 г.) [4], выбранный заявителем в качестве прототипа.

Известный способ включает подготовку среды в виде горючего газа и окислителя, сжигание вспомогательного объема среды, подачу горячих продуктов горения в холодный основной объем среды. Подачу горячих продуктов горения осуществляют множеством струй по всему основному объему среды. После этого в нем возбуждают детонацию полученной смеси.

Однако известный способ сложен и недостаточно технологичен, что обусловлено использованием дополнительной камеры для получения горячих продуктов горения или детонации, средств инициирования как во вспомогательной, так и основной камерах, в том числе и зарядов взрывчатого вещества, а также необходимостью предварительного приготовления топливной смеси.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, по мнению заявителя, является устройство, описанное в патенте SU №1818149 (1993 г.) [9].

Известное устройство содержит устройство для поджига смеси, детонационную камеру и устройство ускорения перехода горения в детонацию. Устройство для перехода горения в детонацию выполнено в виде набора дисков с отверстиями, которые ориентированы таким образом, что отверстия каждого предыдущего диска лежат напротив перемычек между отверстиями последующего диска. В процессе работы перед инициированием детонации устройство для инициирования и детонационная камера заполняются взрывчатой смесью. В отверстии первого диска с помощью искры инициируется горение и за счет турбулизации пламени и исходной смеси в системе отверстий интенсифицируется горение, переходящее на выходе инициирующего устройства в детонацию.

К недостаткам известного устройства относятся сложность и недостаточная технологичность. Известное устройство характеризуется цикличностью работы и необходимостью использования устройств для предварительного приготовления смеси, а также имеет большое время срабатывания (перехода горения в детонацию). Наличие узлов соединений между основной и вспомогательной камерами, а также цикличность действия с использованием рвущихся диафрагм между основной и вспомогательной камерами усложняет устройство и отрицательно сказывается на технологичности его использования. В проточном варианте использования камеры сгорания система дисков с отверстиями обладает большим гидродинамическим сопротивлением, поэтому неизбежны значительные потери полного давления поступающей в камеру смеси, а также нагрев инициирующего устройства.

Таким образом, недостатками известных способа и устройства являются сложность и недостаточная технологичность.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение способа и устройства и повышение технологичности.

Для решения поставленной задачи сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в отличие от известного способа инициирования детонации в горючих смесях, включающего подачу топлива (горючего и окислителя) и инициирование топлива в камере сгорания, согласно изобретению осуществляют (организуют) вихревое течение топлива (топливной смеси, состоящей из горючего и окислителя) таким образом, что помимо основного вихря образуют систему мелкомасштабных вихрей, оси которых перпендикулярны плоскости потока, при этом подачу горючего и окислителя производят раздельно, а смешение их производят непосредственно в камере.

При этом горючее подают (в камеру) раньше окислителя.

Кроме того, используют горючее в газообразном, жидком или твердом (мелкодисперсном) состоянии, а окислитель в газообразном состоянии.

В качестве окислителя могут быть использованы, например, кислород, воздух, их смеси, а также другие окислители.

При этом используют горючее и окислитель в соотношении, близком к стехиометрическому.

Также для решения поставленной задачи заявляемый способ осуществляют в устройстве для инициирования детонации в горючих смесях, которое, в отличие от известного устройства, содержит камеру сгорания, систему подачи топлива (горючего и окислителя) и источник зажигания, согласно изобретению камера сгорания выполнена в виде замкнутого плоского кольцевого канала, ограниченного цилиндрической поверхностью и двумя плоскими стенками с равномерно расположенными отверстиями (форсунками) вдоль цилиндрической поверхности; причем, отверстия для подачи одного из топливных компонентов (обычно окислителя) направлены тангенциально или под небольшим углом к цилиндрической поверхности, а расстояние между плоскими стенками камеры существенно меньше диаметра боковой цилиндрической поверхности в соотношении, обеспечивающем реализацию заявляемого специфического вихревого течения и выбираемом в зависимости от конкретных условий осуществления работы устройства.

Отверстия для горючего направлены под углом к отверстиям для окислителя.

При этом одна или обе плоские стенки могут иметь в центре отверстие для выхода детонационной волны и продуктов детонации.

Камера сгорания может быть снабжена средством (например, вставка), позволяющим частично или полностью перекрывать выходные отверстия.

Именно заявляемые конструктивные отличия, признаки устройства для инициирования детонации в горючих смесях позволяют реализовать заявляемый способ, тем самым, обеспечивая достижение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в упрощении способа и устройства и повышении их технологичности. Становится возможным осуществление инициирования детонации топливных смесей (в том числе и топливно-воздушных) при малых энергиях инициирования (вплоть до самовоспламенения) при быстром (в течение нескольких десятых долей миллисекунды) переходе горения в детонацию. При этом устройство может работать как в циклическом, так и непрерывном режиме и не требует дополнительных устройств для ускорения перехода горения в детонацию.

Кроме того, повышается производительность камеры сгорания и надежность ее работы, а также улучшаются условия труда и техники безопасности.

На чертеже приведена схема заявляемого устройства.

Устройство включает корпус камеры сгорания 1, образованный стенками одной цилиндрической диаметром d₁ и двумя плоскими радиальными, расположенными одна от другой на расстоянии Н. При этом отношение d₁/H выбирается в зависимости от конкретных условий. Для выхода сформированной детонационной волны и выхлопа продуктов сгорания одна из плоских стенок (возможно и обе) имеет отверстие(я) 2 диаметром d₂. Возможна установка в упомянутое отверстие вставки 3 диаметром d₃ или его полное перекрытие. В корпус камеры вмонтированы коллекторы окислителя 4 и горючего 5. Коллекторы соединены с полостью камеры отверстиями (форсунками), равномерно расположенными вдоль цилиндрической поверхности. При этом отверстия 6 под окислитель направлены тангенциально или с небольшим углом к цилиндрической поверхности камеры, а отверстия 7 под горючее направлены под углом к отверстиям под окислитель для обеспечения необходимой степени перемешивания топливных компонентов. Имеется также ввод 8 для инициирования воспламенения (свеча).

Устройство работает следующим образом.

Топливные компоненты из соответствующих ресиверов (не показаны) поступают в коллекторы 4 и 5 и далее раздельно в камеру 1 через отверстия 6 и 7. Образующуюся в камере смесь поджигают тепловым импульсом от свечи 8, вырабатываемым источником для инициирования (не показано). В смеси за время нескольких десятков или сотен микросекунд, в зависимости от химической активности смеси, формируется детонационная волна. При этом частичное или полное перекрытие отверстия 2 с помощью вставки 3 дает возможность управлять процессом инициирования.

При определенных геометрических соотношениях конструкции камеры и системы подачи топливных компонентов, а также в достаточно химически активной топливной смеси развивается самовоспламенение с быстрым переходом в детонацию. Сформированная детонационная волна после нескольких отражений от цилиндрической стенки камеры формирует спиновую детонационную волну, вращающуюся непрерывно по мере подачи топливных компонентов, или затухает, оставляя после себя турбулентное горение смеси. При необходимости первичная детонационная волна через отверстие в камере может быть выведена наружу и использована для прямого инициирования детонации других малоактивных смесей.

Изобретение иллюстрируется примерами.

Пример 1. d₁=204 мм, d₂=100 мм, Н=15 мм, топливо керосин - (кислород [50%] + азот [50%]), коэффициент избытка горючего Φ=1,3 - самовоспламенение через 0,01 с после подачи в камеру воздуха при достижении давления в камере Р_с=6 атм.

Пример 2. d₁=204 мм, d₂=40 мм, Н=15 мм, топливо водород-воздух, Φ=1,27 - самовоспламенение через 0,018 с после подачи в камеру воздуха при достижении давления в камере Р_с=28 атм.

Пример 3. d₁=204 мм, d₂=50 мм, d₃=30 мм, Н=15 мм, топливо водород-воздух, Φ=1,22 - инициирование детонации энергией 0,29 Дж через 0,018 с после подачи в камеру воздуха при достижении давления в камере Р_с=26 атм.

Пример 4. d₁=204 мм, d₂=70 мм, Н=5 мм, топливо водород-воздух - инициирование детонации энергией 0,18 Дж в начале подачи в камеру воздуха при достижении давления в камере Р_с=3 атм.

Пример 5. d₁=204 мм, d₂=0 (камера без выходного отверстия), Н=15 мм, топливо водород-воздух, Φ=1,8 - инициирование детонации энергией 0,67 Дж через 0,011 с после подачи в камеру воздуха при достижении давления в камере Р_с=15 атм.

Применение заявляемого способа, основанного на организации особого вида течения горючего, окислителя или горючей смеси, позволит значительно упростить способ инициирования детонации в горючих смесях и устройство для его реализации и повысит их технологичность.

При этом расширяются функциональные возможности, повышается быстродействие. Возможно применение достаточно широкого класса топлив. Это могут быть газообразные, жидкие и мелкодисперсные твердые горючие, образующие топливо при смешивании с газообразным окислителем. Способ и устройство могут быть реализованы как в разовом, так и непрерывном режиме, что значительно расширяет функциональные возможности. Использование заявляемых способа и устройства позволяет значительно снизить энергию инициирования детонации, вплоть до самовоспламенения, и уменьшить время перехода горения в детонацию для широкого класса топливных смесей.

Изобретение применимо для камер сгорания различного назначения: двигателей аэрокосмических аппаратов, двигателей на транспорте, стационарных энергетических установок, МГД-генераторов, а также химических реакторов и других устройств.

1. Способ инициирования детонации в горючих смесях, включающий подачу топлива (горючего и окислителя) и инициирование топлива в камере сгорания, отличающийся тем, что осуществляют вихревое течение топлива (топливной смеси, состоящей из горючего и окислителя) таким образом, что помимо основного вихря образуют систему вихрей, оси которых перпендикулярны плоскости потока, при этом подачу горючего и окислителя производят раздельно, а смешение их производят непосредственно в камере.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горючее подают (в камеру сгорания) раньше окислителя.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют горючее в газообразном, жидком или твердом (мелкодисперсном) состоянии, а окислитель в газообразном состоянии.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве окислителя могут быть использованы, например, кислород, воздух, их смеси.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве окислителя могут быть использованы, например, кислород, воздух, их смеси.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют горючее и окислитель в соотношении, близком к стехиометрическому.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что используют горючее и окислитель в соотношении, близком к стехиометрическому.

8. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют горючее и окислитель в соотношении, близком к стехиометрическому.

9. Устройство для осуществления способа инициирования детонации в горючих смесях, содержащее камеру сгорания, систему подачи топлива (горючего и окислителя) и источник зажигания, отличающееся тем, что камера сгорания выполнена в виде замкнутого плоского кольцевого канала, ограниченного цилиндрической поверхностью и двумя плоскими стенками с равномерно расположенными отверстиями (форсунками) вдоль цилиндрической поверхности, при этом диаметр упомянутого канала больше расстояния между плоскими стенками, причем отверстия для подачи одного из топливных компонентов (обычно окислителя) направлены тангенциально или под углом к цилиндрической поверхности.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что отверстия для горючего направлены под углом к отверстиям для окислителя.

11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что одна или обе плоские стенки имеют в центре отверстие для выхода детонационной волны и продуктов детонации.

12. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что камера сгорания снабжена средством (например вставкой), позволяющим частично или полностью перекрывать выходные отверстия.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что камера сгорания снабжена средством (например вставкой), позволяющим частично или полностью перекрывать выходные отверстия.