Устройство для инициирования детонации

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива, а именно к газовой и газокапельной детонации, и может быть использовано для инициирования детонации горючей смеси в различных технологических устройствах и энергетических установках, в частности в импульсных детонационных двигателях. Устройство для инициирования детонации в трубе с горючей смесью включает детонационную трубу, снабженную системой генерации первичной ударной волны, в которой установлено профилированное препятствие в виде суживающе-расширяющегося сопла, при этом суживающаяся часть сопла имеет криволинейный профиль с фокусом, лежащим в ядре течения горючей смеси, а расширительная часть сопла представляет собой усеченный конус, система генерации первичной ударной волны состоит из источника зажигания и турбулизатора для турбулизации и ускорения фронта пламени до видимой скорости пламени 550-750 м/с с образованием первичной ударной волны с числом Маха не выше 2.5-3.0, а перед соплом имеется участок трубы без препятствий длиной не менее L=V·τ, где V - видимая скорость пламени, τ - время задержки самовоспламенения горючей смеси при нормальном отражении ударной волны от жесткой стенки, обеспечивающий пространственное разделение турбулентного фронта пламени и фронта первичной ударной волны, при этом между суживающейся и расширительной частями сопла дополнительно установлена муфта с длиной вдоль оси трубы 1_м не более 1.5 D, где D - гидравлический диаметр детонационной трубы. Усеченный конус расширительной части сопла выполнен прямым или криволинейным и его длина составляет не менее 9 D, где D - гидравлический диаметр детонационной трубы. В качестве турбулизатора использована спираль Щедкина. Изобретение позволяет осуществить переход горения в детонацию при минимальных затратах энергии на инициирование детонации и при минимальном преддетонационном расстоянии. 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива, а именно к газовой и газокапельной детонации, и может быть использовано для инициирования детонации горючей смеси в различных технологических устройствах и энергетических установках, в частности в импульсных детонационных двигателях.

Главной проблемой при создании импульсных детонационных двигателей является необходимость максимального уменьшения преддетонационного расстояния для обеспечения минимальных массогабаритных характеристик.

Известно устройство для инициирования детонации, позволяющее сократить преддетонационное расстояние - спираль Щепкина (Щелкин К.И. Быстрое горение и спиновая детонация газов. - М.: Военное изд-во МВС СССР, 1949 г., стр.81, рис.34), содержащее турбулизатор в виде спирали, расположенный между источником горючей смеси и прямым участком гладкой трубы. Основным недостатком известного устройства - спирали является необходимость достижения значительной «видимой» скорости турбулентного фронта пламени (более 1000 м/с в топливно-воздушных смесях) для перехода горения в детонацию (ПГД) и, как следствие, большое преддетонационное расстояние в широких трубах, что ведет к росту массогабаритных характеристик технологических устройств и энергетических установок.

В Институте химической физики РАН в течение длительного времени проводятся фундаментальные исследования условий ПГД. В частности разработан способ сокращения длины и времени ПГД в трубе с профилированными регулярными препятствиями, предложено также устройство для его осуществления (Фролов С.М., Семенов И.В., Комиссаров П.В., Уткин П.С., Марков В.В. // ДАН, 2007, Т.415, №4, с.509-513). Использование в данном известном решении профилированных препятствий специальной формы - в виде параболических зубьев обеспечило существенное сокращение длины и времени ПГД по сравнению с другими известными устройствами, однако недостатком предложенного устройства является низкая технологичность.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство для инициирования детонации, описанное в работе (Семенов И.В., Уткин П.С., Марков В.В. Численное моделирование инициирования детонации в профилированной трубе. Физика горения и взрыва, 2009. Т.45, №6, с.73-81), выбранное за прототип.

Устройство-прототип представляет собой осесимметричную трубу круглого сечения, состоящую из трех секций: первая и третья секции имеют диаметр D. Вторая секция является суживающе-расширяющимся соплом с диаметром минимального сечения d, при этом суживающаяся часть сопла имеет параболический профиль, фокус параболы лежит на оси симметрии трубы, а расширительная часть сопла представляет собой прямой усеченный конус. Расчеты показали, что механизм ПГД включает три основные стадии: 1) двойное Маховское отражение первичной ударной волны (УВ) - с числом Маха в расчете не менее 2.65 - от профилированной стенки суживающейся части сопла; 2) кумуляцию отраженной УВ в ядре течения горючей смеси с образованием одного или двух локальных взрывов (в зависимости от числа Маха УВ, параметров параболического профиля стенки сопла и величины блокировки трубы); 3) отражение взрывной волны от конической поверхности расширительной части сопла с образованием детонационной волны.

Недостатком устройства - прототипа является необходимость генерации первичной УВ с числом Маха более 2.65, что требует значительных энергетических затрат. Кроме того, следует отметить, что устройство-прототип основано на упрощенных двумерных расчетах, не проверенных экспериментально.

Задачей изобретения является создание реального устройства, которое позволит осуществлять ПГД при минимальных затратах энергии на инициирование детонации и при минимальном преддетонационном расстоянии.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым устройством для инициирования детонации в трубе с горючей смесью, включающим детонационную трубу, снабженную системой генерации первичной УВ, в которой установлено профилированное препятствие в виде суживающе-расширяющегося сопла, при этом суживающаяся часть сопла имеет криволинейный профиль с фокусом, лежащим в ядре течения горючей смеси, а расширительная часть сопла представляет собой усеченный конус, в котором, согласно изобретению, система генерации первичной УВ состоит из источника зажигания и турбулизатора для турбулизации и ускорения фронта пламени до видимой скорости пламени 550-750 м/с с образованием первичной УВ с числом Маха не выше 2.5-3.0, а перед соплом имеется участок трубы без препятствий длиной не менее L=V·τ, где V - видимая скорость пламени, τ - время задержки самовоспламенения горючей смеси при нормальном отражении УВ от жесткой стенки, обеспечивающий пространственное разделение турбулентного фронта пламени и фронта первичной УВ, при этом между суживающейся и расширительной частями сопла дополнительно установлена муфта с длиной вдоль оси трубы 1_м не более 1.5 D (1_м/D≤1.5), где D - гидравлический диаметр детонационной трубы.

Усеченный конус расширительной части сопла может быть выполнен прямым или криволинейным и его длина составляет не менее 9 D, где D - гидравлический диаметр детонационной трубы.

Величина блокировки детонационной трубы суживающе-расширяющимся соплом BR=1-(d/D)², где d - минимальный гидравлический диаметр сопла, D - гидравлический диаметр детонационной трубы, может достигать 0.85.

Муфта сопла в продольном сечении может иметь различную конфигурацию.

Источник зажигания может быть искровым, например автомобильной свечой, или любым другим, способным поджечь горючую смесь.

В качестве турбулизатора может быть использована спираль Щепкина или любое другое устройство для ускорения пламени.

При разработке предлагаемого устройства были проведены экспериментальные исследования влияния параметров устройства на условия ПГД.

Принципиальным результатом проведенных испытаний было установление факта, что необходимо разделять во времени и пространстве турбулентный фронт пламени и бегущую перед ним УВ, тогда между фронтом УВ и фронтом пламени образуется движущаяся «пробка» ударно сжатой и разогретой горючей смеси. (Следует отметить, что в прототипе для расчетов задается непосредственно УВ без уточнения способа ее генерации.) Было установлено, что величина (длина) «пробки» должна быть не меньше L=V·τ, где V - видимая скорость пламени, τ - время задержки самовоспламенения горючей смеси при нормальном отражении УВ от жесткой стенки (100-150 мкс - в зависимости от скорости УВ - Басевич В.Я., Фролов С.М., Посвянский B.C. Условия существования стационарной гетерогенной детонации. // Химическая физика, 2005, т.24, №7, с.60-70), следовательно, длина участка трубы без препятствий (по которому движется «пробка»), предназначенного для разделения турбулентного фронта пламени и фронта УВ, также должна быть не менее L. Если фронт пламени и фронт УВ не разделены, то турбулентный фронт пламени «накрывает» зарождающиеся очаги повышения температуры и последующего самовоспламенения за фронтом бегущей УВ, возникающие при отражении УВ от стенок суживающейся части сопла, тем самым препятствуя возникновению детонации. Опыты показали, что при длине участка без препятствий меньше L детонация не возникала.

Еще одним важным результатом экспериментального исследования является установление факта, что для снижения критического значения числа Маха необходимо увеличить (по сравнению с прототипом) длину расширительной части сопла вдоль оси трубы до величины не менее 9 D, где D - гидравлический диаметр детонационной трубы. При меньшей длине конической части сопла (а значит большем угле раствора конуса) взрывные волны, возникающие в окрестности минимального сечения сопла, быстро затухают, что исключает или затрудняет (увеличивает критическое число Маха и преддетонационное расстояние) ПГД.

На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства с круговой цилиндрической муфтой.

Основной элемент устройства - детонационная труба (1) с поперечным сечением круговой, прямоугольной, овальной и др. геометрической формы. Устройство содержит систему подачи горючей смеси (не показана), узел зажигания (2) с источником зажигания (3), турбулизатор (4), участок без препятствий длиной L (5), суживающе-расширяющееся сопло (6) и выходной участок (7).

Система подачи горючей смеси предусматривает заполнение устройства либо только через узел зажигания (2), либо через узел зажигания (2) и входные штуцеры, расположенные вдоль трубы, при этом возможна как раздельная подача горючего и окислителя, так и подача предварительно полностью или частично перемешанной горючей смеси.

Сопло (6) состоит из трех частей: суживающей части (А), имеющей криволинейный профиль поверхности (фокус кривой лежит в ядре течения горючей смеси), муфты (Б) и расширительной части (В). Муфта (Б) сопла (6) в продольном сечении может иметь различную конфигурацию (на фиг.1-3 для примера приведены возможные конфигурации). Усеченный конус расширительной части сопла может быть прямым (фиг.1 и 2) или криволинейным (фиг.3).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Через систему подачи горючей смеси устройство заполняется горючей смесью. Горючая смесь поджигается в узле зажигания (2) источником зажигания (3), и пламя попадает в турбулизатор (4), который обеспечивает увеличение видимой скорости турбулентного фронта пламени до 550-750 м/с и образование первичной УВ с числом Маха 2.5-3.0. Затем УВ движется вместе с пламенем по участку трубы без препятствий (5), что позволяет фронту УВ перед попаданием в сопло (6) оторваться от фронта турбулентного пламени. При движении бегущей УВ через сопло (6) УВ отражается от криволинейной поверхности суживающейся части (А) сопла (6). При этом отраженные волны давления фокусируются в свободном ядре течения горючей смеси в минимальном сечении суживающейся части (А) или ниже по течению в начале муфты (Б), что приводит к локальному ударному сжатию горючей смеси, движущейся за УВ, и ее самовоспламенению. Выделяющаяся при самовоспламенении энергия приводит к образованию вторичных взрывных волн, многократное отражение которых от стенок муфты (Б) приводит к образованию пересжатой детонационной волны (ДВ). Последующее распространение пересжатой ДВ по расширяющейся части (В) сопла (6) сопровождается ее постепенным ослаблением и переходом на режим, близкий к режиму самоподдерживающейся детонации, на выходе из конической расширительной части сопла. При дальнейшем распространении детонации по выходному участку (7) устанавливается режим детонации Чепмена-Жуге.

Приводим экспериментальные примеры осуществления ПГД на предлагаемом устройстве, оснащенном регистрирующей аппаратурой. В детонационной трубе диаметром 50 мм с турбулизатором, выполненным в виде спирали Щепкина длиной 600 мм, свитой из стальной проволоки диаметром 4 мм с шагом витков 18 мм, было установлено суживающе-расширяющееся сопло общей длиной 600 мм с параболическим профилем суживающейся части, с цилиндрической муфтой диаметром d=27 мм и длиной 1_м=60 мм и с расширительной частью в виде прямого конуса длиной 510 мм на расстоянии L=200 мм от турбулизатора. Детонационная труба заполнялась пропановоздушной смесью при давлении 0.1 МПа и температуре 293±2 К. Зажигание горючей смеси осуществлялось автомобильной свечой с энергией 0.1 Дж. Параметры УВ измеряли с помощью восьми пьезоэлектрических датчиков давления типа ЛХ600, установленных на расстояниях 10, 101, 190, 810, 910, 1010, 1210, 1410 мм от выхода из турбулизатора. Все датчики были снабжены повторителями сигналов с индивидуальным питанием и соединены с персональным компьютером через аналого-цифровой преобразователь. Погрешность измерения скорости УВ не превышала 3%. Результаты измерений представлены в таблице, из которой видно, что на измерительной базе 190-810 (внутри сопла) регистрируется пересжатая детонация со скоростью 1870±50 м/с, а на измерительных базах после выхода из сопла зарегистрирована детонация, распространяющаяся со скоростью 1760±50 м/с, близкой к скорости детонации Чепмена-Жуге (ЧЖ) (1804 м/с). Небольшое отличие измеренной скорости детонации от скорости ЧЖ на выходном участке объясняется тем, что для стехиометрической пропановоздушной смеси диаметр трубы D=50 мм близок к предельному.

Измерительная база, мм	Скорость ударной волны, м/с
10-101	815±20
101-190	825±20
190-810	1870±50
810-910	1720±50
910-1010	1765±50
1010-1210	1757±50
1210-1410	1760±50

Таким образом, разработано реальное устройство инициирования детонации, характеризующееся высокой технологичностью и позволяющее осуществлять ПГД при минимальных затратах энергии и при минимальном преддетонационном расстоянии.

1. Устройство для инициирования детонации в трубе с горючей смесью, включающее детонационную трубу, снабженную системой генерации первичной ударной волны, в которой установлено профилированное препятствие в виде суживающе-расширяющегося сопла, при этом суживающаяся часть сопла имеет криволинейный профиль с фокусом, лежащим в ядре течения горючей смеси, а расширительная часть сопла представляет собой усеченный конус, отличающееся тем, что система генерации первичной ударной волны состоит из источника зажигания и турбулизатора для турбулизации и ускорения фронта пламени до видимой скорости пламени 550-750 м/с с образованием первичной ударной волны с числом Маха не выше 2,5-3,0, а перед соплом имеется участок трубы без препятствий длиной не менее L=V·τ, где V - видимая скорость пламени, τ - время задержки самовоспламенения горючей смеси при нормальном отражении ударной волны от жесткой стенки, обеспечивающий пространственное разделение турбулентного фронта пламени и фронта первичной ударной волны, при этом между суживающейся и расширительной частями сопла дополнительно установлена муфта с длиной вдоль оси трубы l_м не более 1,5 D, где D - гидравлический диаметр детонационной трубы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что усеченный конус расширительной части сопла выполнен прямым или криволинейным, и его длина составляет не менее 9 D, где D - гидравлический диаметр детонационной трубы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что величина блокировки детонационной трубы суживающе-расширяющимся соплом BR=1-(d/D)², где d - минимальный гидравлический диаметр сопла, D - гидравлический диаметр детонационной трубы, достигает 0,85.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник зажигания представляет собой искровой источник зажигания, например автомобильную свечу.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве турбулизатора использована спираль Щелкина.