Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси

Авторы патента:


Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси
Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси

 


Владельцы патента RU 2442075:

САУНДБЛАСТ ТЕКНОЛОДЖИЗ ЭлЭлСи (US)

Изобретение относится к улучшенной системе и способу зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси, где газовая или дисперсная топливно-окислительная смесь подается в трубу детонатора, имеющую точку наполнения и открытый конец, и воспламенитель, расположенный у точки зажигания внутри трубы детонатора, который зажигается во время протекания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси по трубе детонатора. Импульс детонации, создаваемый в точке зажигания, распространяется до открытого конца упомянутой трубы детонатора, где он может подаваться к детонационной трубе, имеющей открытый конец, к двигателю внутреннего сгорания, камере сгорания или двигателю с импульсной детонацией. Повышение эффективности способа зажигания в предложенном способе обеспечивается за счет возможности обеспечения точного управления синхронизацией и величиной волны избыточного давления, при этом механизм управления синхронизацией воспламенения в детонационной трубе, управляется процессором и может быть запрограммирован, что является техническим результатом изобретения. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 18 ил.

 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Эта заявка утверждает приоритет предварительной патентной заявки США 60/792,420, поданной 17 апреля 2006 г, и предварительной патентной заявки США 60/850,685, поданной 10 октября 2006 г., которые включены в этот документ в качестве ссылки. Эта заявка также относится к предварительной патентной заявке США, поданной одновременно 10 октября 2006 г., озаглавленной «Система и способ генерации и управления очень громкими звуками».

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в основном относится к системе и способу зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси. В большей степени настоящее изобретение относится к управлению детонацией газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси, протекающей внутри трубчатой структуры.

Уровень техники

Существующие системы и способы зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси неэффективны, дороги и часто опасны. Современная технология искрового зажигания, используемая в двигателях внутреннего сгорания, оставляет неиспользованное топливо в цилиндрах таких двигателей после цикла сгорания и требует использования каталитического конвертера, чтобы превратить токсичные побочные продукты сгорания в более безопасные, но которые в результате являются все еще опасными загрязняющими веществами, выпускаемыми в атмосферу. Более того, со временем происходит ухудшение эксплуатационных качеств свечей зажигания, результатом чего является все более низкая эффективность горения и, следовательно, все более меньший пробег и все более высокий уровень загрязнения. Поэтому желательно иметь улучшенную систему и способ зажигания топливно-окислительной смеси в двигателях внутреннего сгорания.

Технология импульсной детонации в двигателе, которая развивалась преимущественно для использования в самолетных и ракетных двигателях, обещает обеспечить более высокий уровень эксплуатационных показателей, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако способы зажигания топливно-окислительной смеси, которые использовались в таких двигателях с импульсной детонацией, требуют использования опасных и дорогостоящих топливно-окислительных смесей и существенного количества энергии для достижения детонации. Более того, синхронизация и величины детонаций, получаемых в таких двигателях, трудно контролировать в связи с ограниченностью используемых способов зажигания. Таким образом, также желательно иметь улучшенную систему и способ зажигания топливно-окислительных смесей в двигателях с импульсной детонацией.

Сущность изобретения

Вкратце, настоящее изобретение является улучшенной системой и способом зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси. Топливно-окислительная смесь, имеющая желаемые характеристики сгорания, вводится с желаемой скоростью потока в трубчатую структуру. В одном примере осуществления трубчатая структура содержит детонатор, имеющий определенную длину и диаметр. Текущая топливно-окислительная смесь зажигается внутри детонатора путем подачи искры в точку зажигания текущей топливно-окислительной смеси. Результирующий импульс детонации продолжает зажигать топливно-окислительную смесь, текущую от точки зажигания до выходной стороны детонатора. Характеристики горения и скорость потока топливно-окислительной смеси могут быть выбраны для управления энергией импульса детонации.

Настоящее изобретение предоставляет способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси, содержащий этапы:

- помещения воспламенителя у точки зажигания внутри трубы детонатора, имеющей точку наполнения и открытый конец,

- подачи газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси в точку наполнения, которая выходит через открытый конец, и

- зажигания текущей газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси с помощью воспламенителя, чтобы создать импульс детонации, который распространяется от точки зажигания до открытого конца трубы детонатора. Клапан, такой как обратный клапан, может быть размещен внутри детонационной трубы перед или после точки зажигания. Импульсом детонации может быть снабжена детонационная труба, двигатель внутреннего сгорания или двигатель с импульсной детонацией. Отношение масс топлива и окислителя и скорость потока газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси могут быть выбраны в зависимости от длины и диаметра трубы детонатора. Газовой или дисперсной топливно-окислительной смесью может быть этан, метан, пропан, водород, бутан, этиловый спирт, ацетилен, газ МАРР, бензин или авиационное топливо или их комбинация. Топливом может быть также какой-либо нефтяной дистиллят, такой как лигроин, нефть, керосин или дизель, или более сложные материалы, такие как бензол или диэтилтолуамид. Синхронизация воспламенителя может управляться с использованием спускового механизма, неизменяемой логической схемы или управляющего процессора.

Настоящее изобретение предоставляет систему зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси, включающую в себя детонатор и подсистему подачи топливно-окислительной смеси. Детонатор включает в себя трубу детонатора, имеющую точку наполнения и открытый конец, а также воспламенитель, который размещен у точки зажигания в трубе детонатора. Подсистема подачи топливно-окислительной смеси подает к точке наполнения трубы детонатора газовую или дисперсную топливно-окислительную смесь, которая протекает по трубе детонатора и выходит через ее открытый конец. Воспламенитель зажигает газовую или дисперсную топливно-окислительную смесь во время ее протекания по трубе детонатора, тем самым создавая импульс детонации в точке зажигания, который распространяется до открытого конца трубы детонатора. Система может включать в себя клапан, такой как обратный клапан, который расположен внутри детонационной трубы либо перед точкой зажигания, либо после точки зажигания. Система может включать в себя механизм управления синхронизацией, который управляет синхронизацией воспламенителя. Механизмом управления синхронизацией может быть спусковой механизм, неизменяемая логическая схема или управляющий процессор. Воспламенителем может быть источник импульса высокого напряжения, источник типа срабатывающего искрового разрядника, лазер или взрывающаяся проволока.

Это изобретение предоставляет также детонатор, содержащий трубу детонатора, имеющую точку наполнения и открытый конец, и воспламенитель, который помещен у точки зажигания в упомянутой трубе детонатора. К точке наполнения детонационной трубы подается газовая или дисперсная топливно-окислительная смесь, которая протекает по трубе детонатора и выходит через ее открытый конец. Воспламенитель зажигает газовую или дисперсную топливно-окислительную смесь во время ее протекания по трубе детонатора, таким образом создавая импульс детонации в точке зажигания, который распространяется до открытого конца трубы детонатора. Детонатор может включать в себя клапан, такой как обратный клапан, расположенный внутри детонационной трубы.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение описывается со ссылками на прилагаемые чертежи. В чертежах одинаковые номера ссылок указывают на сходные или функционально похожие элементы. В дополнение, крайние левые цифры номеров ссылок обозначают чертежи, в которых номер ссылки появляется впервые.

Фиг. 1A иллюстрирует примерную детонационную трубу из предшествующего уровня техники, имеющую раздельные источники подачи топлива и окислителя, и свечу зажигания, которая зажигает топливно-окислительную смесь у закрытого конца трубы после того, как труба была наполнена.

Фиг. 1В иллюстрирует вторую примерную детонационную трубу из предшествующего уровня техники, имеющую источник подачи топливно-окислительной смеси, и свечу зажигания, которая зажигает топливно-окислительную смесь у закрытого конца трубы после того, как труба была наполнена.

Фиг. 2А иллюстрирует примерную детонационную трубу по настоящему изобретению, имеющую детонатор, который получает топливно-окислительную смесь от источника подачи топливно-окислительной смеси и зажигает топливно-окислительную смесь во время ее протекания по трубе.

Фиг. 2В изображает первый вариант осуществления детонатора по настоящему изобретению, который действует, создавая электрическую дугу внутри потока горючей газовой смеси.

Фиг. 2С изображает второй вариант осуществления детонатора по настоящему изобретению, похожего на изображенный на фиг. 2В, за исключением того, что он включает в себя два проводника, которые расходятся внутри главной трубы, вызывая увеличение продолжительности искры во время ее перемещения в главную детонационную трубу.

Фиг. 3А изображает вид с торца другого варианта осуществления детонатора по настоящему изобретению.

Фиг. 3В изображает вид сбоку детонатора на фиг. 3А.

Фиг. 3С изображает пример осуществления детонатора по этому изобретению, включающего в себя обратный клапан, используемый для управления потоком подаваемой топливно-окислительной смеси, в котором обратный клапан помещен перед точкой зажигания в трубе детонатора.

Фиг. 3D изображает пример осуществления детонатора по этому изобретению, включающего в себя обратный клапан, используемый для управления потоком подаваемой топливно-окислительной смеси, в котором обратный клапан помещен после точки зажигания в трубе детонатора.

Фиг. 3Е изображает примерный обратный клапан, который может быть использован с примерами осуществления детонатора по настоящему изобретению, показанного на фиг. 3С и 3D.

Фиг. 4 изображает примерную комбинацию детонационных труб с переменным диаметром, где использование в комбинации труб с постепенно увеличивающимся диаметром служит для усиления детонационной волны.

Фиг. 5 изображает примерную детонационную трубу, имеющую диаметр, который увеличивается по длине трубы, что способствует усилению детонационной волны.

Фиг. 6 иллюстрирует трубу, имеющую постепенно уменьшающийся, а затем увеличивающийся периметр трубы.

Фиг. 7А изображает первую детонационную трубу, расположенную вдоль второй детонационной трубы.

Фиг. 7В изображает комбинацию из четырех детонационных труб, расположенных таким образом, что большие детонационные трубы в комбинации детонационных труб находятся в контакте друг с другом.

Фиг. 7С изображает три увеличивающиеся в диаметре детонационных трубы.

Фиг. 7D изображает семь детонационных труб, расположенных таким образом, чтобы походить на шестигранную конструкцию.

Фиг. 7Е изображает двенадцать детонационных труб, расположенных круговым образом.

Фиг. 8 изображает вид сбоку трех детонационных труб, имеющих первый диаметр, соединенных с детонационной трубой большего диаметра, имеющей второй больший диаметр, так, чтобы усилить объединенный импульс, сгенерированный меньшими трубами.

Фиг. 9 предоставляет иллюстрацию того, как синхронизация горения отдельных детонационных труб фокусирует мощность в одной точке дальнего поля.

Фиг. 10 изображает разреженный массив из четырех детонационных труб, детонирующих так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы они сошлись в желаемом месте.

Фиг. 11 изображает разреженный массив из четырех групп детонационных труб, детонирующих так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы они сошлись в желаемом месте.

Фиг. 12 иллюстрирует пример эффективной упаковки шестигранных подмассивов из семи детонационных труб в объединенный массив, состоящий из 224 детонационных труб.

Фиг. 13А-13L изображают такты впуска, сжатия, расширения и выпуска, которые происходят в течение двух поворотов коленчатого вала за рабочий цикл обычного четырехтактного двигателя (с циклом Отто).

Фиг. 14 изображает начало такта расширения четырехтактного двигателя (с циклом Отто), показанного на фиг. 13А-13L, где используется детонатор по настоящему изобретению для зажигания топливно-окислительной смеси.

Фиг. 15 изображает примерный двигатель Ванкеля, использующий два детонатора по настоящему изобретению.

Фиг. 16 изображает поперечное сечение крыла летательного аппарата, имеющего четыре двигателя с импульсной детонацией, использующих детонатор по настоящему изобретению.

Фиг. 17 изображает примерную турбину на базе многочисленных двигателей с импульсной детонацией, использующих детонатор по настоящему изобретению.

Фиг. 18 изображает примерное расположение двигателей с импульсной детонацией, использующих детонатор по настоящему изобретению, который мог бы быть использован для создания тяги ракетного двигателя.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение будет теперь описано более полно в деталях со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых показаны примеры осуществления этого изобретения. Это изобретение, однако, не должно рассматриваться как ограниченное вариантами осуществления, рассмотренными впереди; скорее, они показаны так, чтобы это описание было бы полным и завершенным и полностью раскрывало бы объем изобретения для специалистов в данной области техники. Одинаковые номера соответствуют одинаковым элементам повсюду.

Настоящее изобретение предоставляет улучшенную систему и способ генерации и управления волной избыточного давления, которая также может быть упомянута здесь как звуковая волна или звуковой импульс. Примерные волны избыточного давления могут быть охарактеризованы их частотой в диапазоне от 0,1 Гц до 30 кГц. Основа системы - это сжигание высокоэнергетических, детонирующих газовых или дисперсных топливно-воздушных или топливно-кислородных смесей внутри трубы с одним открытым концом, где любое из числа горючих веществ может быть использовано, включая этан, метан, пропан, водород, бутан, этиловый спирт, ацетилен, газ MAPP, бензин и авиатопливо. Топливом также может быть любой нефтяной дистиллят, такой как лигроин, нефть, керосин или дизель, или более сложные вещества, такие как бензол или диэтилтолуамид. Горючая газовая смесь детонирует у закрытого конца трубы, заставляя детонационную волну распространяться по длине трубы к ее концу, где детонация заканчивается, и детонационная волна выходит из открытого конца трубы как волна избыточного давления. Таким образом, труба упомянута здесь как детонационная труба, а детонационная волна упомянута здесь как импульс детонации или импульс.

Один из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит, по меньшей мере, один аппарат детонационной трубы и механизм управления синхронизацией для управления синхронизацией детонаций. Аппарат детонационной трубы содержит, по меньшей мере, одну детонационную трубу, по меньшей мере, один детонатор, а также подсистему подачи топливно-окислительной смеси. Один или более детонатор может быть использован с данной детонационной трубой, и один детонатор может быть использован с многочисленными детонационными трубами. С одним или более детонатором могут быть связаны один или более инициаторы искры, где один инициатор искры может вызывать искры в многочисленных детонаторах, которые могут быть связаны параллельно или последовательно, а многочисленные инициаторы искры могут вызывать искру в одном детонаторе. Механизм управления синхронизацией управляет синхронизацией одного или более инициатора искры.

Инициатор искры может быть источником импульса высокого напряжения. Как альтернатива источнику импульса высокого напряжения, срабатывающий искровой разрядник может служить инициатором искры. Другие варианты инициатора искры включают в себя лазер и взрывающуюся проволоку.

Механизмом управления синхронизацией может быть простой спусковой механизм, неизменяемая логическая схема или более сложный управляющий процессор. Управляющий процессор может также использоваться для управления переменными параметрами подсистемы подачи топливно-окислительной смеси, или такие параметры могут быть фиксированными.

Подсистема подачи топливно-окислительной смеси поддерживает желаемое отношение масс топлива и окислителя топливно-окислительной смеси и желаемую скорость потока топливно-окислительной смеси. Желаемое соотношение топлива и окислителя и скорость потока могут быть выбраны так, чтобы достичь требуемых характеристик детонации, которые зависят от длины и диаметра детонатора. Например, в одном варианте осуществления используется воздушно-пропановая топливно-окислительная смесь с отношением масс 5,5 и со скоростью потока 50 литров в минуту для детонатора, имеющего длину 1 дюйм и диаметр 1/4 дюйма, выполненного из тефлона, первая детонационная труба выполнена из нержавеющей стали, имеет длину 9 дюймов, и ее диаметр от 0,8 дюймов сужается к концу в месте присоединения к детонатору до 0,65 дюймов в месте присоединения ко второй детонационной трубе, выполненной из титана и имеющей длину 32 дюйма и диаметр 3 дюйма. Альтернативно, первая детонационная труба может иметь постоянный диаметр, равный 0,8 дюйма.

Доступная для приобретения технология клапана управления массовым расходом может быть использована для контроля отношения масс топлива и окислителя в топливно-окислительной смеси и скорости потока топливно-окислительной смеси. Альтернативно, доступная для приобретения технология может быть использована для измерения массового расхода окислителя в смешивающих топливно-окислительную смесь аппаратах, а точное измерение массового расхода окислителя может быть использовано для контроля клапана управления массовым расходом для того, чтобы регулировать массовый расход топлива, нужного для достижения желаемого отношения массы топлива к массе окислителя топливно-окислительной смеси.

Детонация в текущей топливно-окислительной смеси

В предшествующем уровне техники газовые системы детонации требовали либо длинных труб, либо сильно детонирующих горючих газовых смесей, таких как кислород и водород, для того, чтобы произошла детонация. Иначе, они будут только «медленно гореть», что является медленным и почти беззвучным процессом. Напротив, одной особенностью настоящего изобретения является обеспечение возможности производить короткие, высокоинтенсивные звуковые импульсы внутри короткой, длиной в один фут, трубы с диаметром 2 дюйма, используя только умеренно взрывчатые горючие газовые смеси, такие как пропан и воздух. В отличие от систем предшествующего уровня техники, эта особенность настоящего изобретения воплощена в примерной системе, которая создает дуговой разряд в текущем (или движущемся) потоке смеси газа и окислителя, которая заполняет трубу, где будет происходить детонация. Когда труба в основном наполнена, быстрая искра инициируется в текущем газе в точке наполнения трубы, которая запускает последовательную детонацию всего газа внутри трубы. Альтернативно, в текущем газе детонация может быть вызвана с помощью лазера или любого другого подходящего способа детонации и зажигания согласно настоящему изобретению. Это зажигание внутри устройства с текущим газом очень сильно сокращает длину трубы, требуемой для создания детонации, если сравнивать с системами предшествующего уровня техники, которые зажигали нетекучие или, иначе говоря, неподвижные горючие газовые смеси. Более того, детонация в соответствии с этой особенностью настоящего изобретения требует порядка 1 джоуля энергии для детонации топливно-окислительной смеси, в то время как предшествующие системы могут потребовать от 100 до 1000 джоулей энергии для достижения детонации. Дальнейшими желательными результатами этого способа являются сокращение неопределенности во времени между пуском дугового разряда и последующей эмиссией звукового импульса из трубы и повторяемость величины импульса детонации. Также детонатор согласно этой особенности настоящего изобретения обеспечивает точное управление синхронизацией и величиной волны избыточного давления.

Фиг. 1А изображает вид сбоку системы детонации предшествующего уровня техники. Детонационная труба 100 имеет отдельный источник 102 подачи топлива и 104 подачи окислителя, которые открыты в течение времени наполнения, чтобы заполнить детонационную трубу 100 топливно-окислительной смесью 106. После окончания наполнения источник 102 подачи топлива и 104 подачи окислителя закрыты, и в желаемое время по проводу 108 высокого напряжения подается электрический заряд к свече 110 зажигания, которая зажигает топливно-окислительную смесь 106, вызывая детонационную волну, которая распространяется по длине детонационной трубы 100 и выходит из ее открытого конца 112. Подобно этому, фиг. 1В изображает вид сбоку другой системы детонации предыдущего уровня техники, где детонационная труба 100 имеет источник 105 подачи топливно-окислительной смеси, который открыт во время периода наполнения для заполнения детонационной трубы 100 топливно-окислительной смесью 106. После периода наполнения источник 105 подачи топливно-окислительной смеси закрывается, и в желаемое время заряд подается по проводу 108 высокого напряжения к свече 110 зажигания, которая зажигает топливно-окислительную смесь 106, вызывая детонационную волну, которая распространяется по длине детонационной трубы 100 и выходит через ее открытый конец 112.

Фиг. 2А изображает детонационную трубу 100 генератора 11 волны избыточного давления по настоящему изобретению, которая подается источником 105 топливно-окислительной смеси через детонатор 114, где искра зажигается в топливно-окислительной смеси 106 в то время, как детонационная труба 100 заполняется топливно-окислительной смесью 106, вызывая волну детонации, распространяющуюся по длине детонационной трубы 100 и выходящую через ее открытый конец 112. В одном варианте осуществления соответствующая скорость потока топливно-окислительной смеси поддерживается во время зажигания в пределах текущей топливно-окислительной смеси. Было найдено, что свыше основного диапазона скоростей потоков чем больше скорость потока, тем быстрее развивается детонационная волна. Следовательно, один пример осуществления использует высокую скорость потока. Для данной энергии искры определенная скорость потока определяет практический верхний предел скорости потока. В одном варианте осуществления система труб, питающая детонационную трубу, находится ниже критического радиуса, чтобы предотвратить детонацию, развивающуюся в обратную сторону к источнику подачи топливно-окислительной смеси. Например, в одном варианте осуществления используется система труб диаметром 1/4 дюйма для предотвращения такого обратного удара пламени, но еще имеет низкое сопротивление потоку газа. Например, детонатор длиной 1 дюйм, с расточенным отверстием диаметром 1/4 дюйма, может достигать детонации, используя искру в 1 джоуль в смеси газа МАРР и воздуха, протекающей со скоростью 50 л/мин.

На фиг. 2А также показан необязательный вторичный источник 105' топливно-окислительной смеси. Один или более из вторичных источников 105' топливно-окислительной смеси может быть использован для ускорения наполнения большой детонационной трубы (или комбинации труб). В одном подходе один или более вторичные источники 105' топливно-окислительной смеси использованы для ускорения наполнения детонационной трубы 100 параллельно с (первичным) источником 105 топливно-окислительной смеси таким образом, что детонатор 114 может зажигать текущую топливно-окислительную смесь при требуемой скорости потока. В другом подходе источник 105 топливно-окислительной смеси может подавать смесь в детонационную трубу с первой более высокой скоростью, а затем переключиться на вторую скорость перед тем, как зажечь текущую топливно-окислительную смесь. В еще одном подходе вторичный источник 105' топливно-окислительной смеси подает другую топливно-окислительную смесь 106' (не показано в фиг. 2А) в детонационную трубу 100, затем топливно-окислительная смесь 106 подается источником 105 топливно-окислительной смеси в детонатор 114.

Для определенных видов топлива может быть необходимо нагреть топливно-окислительную смесь для того, чтобы получить детонацию. В зависимости от скорости, с какой детонационная труба зажжена, может быть необходимо охладить детонационную трубу. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения источник 105 (и/или 105') топливно-окислительной смеси содержит, по меньшей мере, один теплообменник (не показан) в контакте с детонационной трубой, который служит для передачи тепла от детонационной трубы к топливно-окислительной смеси. Теплообменник может иметь любую из различных хорошо известных форм типа малой трубы, которая закручивается по спирали вокруг детонационной трубы с одного конца до другого, при этом натяженность спирали может быть постоянной или меняться по длине детонационной трубы. В другом подходе теплообменник может охватить защитной оболочкой детонационную трубу таким образом, что топливно-окислительная смесь в защитной оболочке, которая находится в контакте с детонационной трубой, поглощает нагрев от детонационной трубы. Альтернативно, теплообменник может быть использован независимо от источника 105 подачи топливно-окислительной смеси, в этом случае может использоваться другое вещество, отличное от топливно-окислительной смеси, например такая жидкость, как вода или силикон, может использоваться для поглощения тепла детонационной трубы. Альтернативно, другой источник тепла может нагревать топливно-окислительную смесь. Вообще, различные хорошо известные устройства могут быть использованы для охлаждения детонационной трубы и/или для нагрева топливно-окислительной смеси, включая способы, в которых нагрев от детонационной трубы передается к топливно-окислительной смеси.

На фиг. 2В представлен первый вариант осуществления детонатора по настоящему изобретению, который действует, создавая электрическую дугу внутри потока детонирующей горючей газовой смеси. Как показано в фиг. 2В, горючая газовая смесь 106, состоящая из горючего газа и окислителя в правильном детонационном соотношении, поступает в детонационную трубу 100 через точку 208 наполнения детонатора 114. Когда труба в основном заполнена, высоковольтный провод 108 запускается на входе 214 высоковольтного импульса, чтобы заставить искру 212 образоваться между неизолированными проводами 210 и пройти через горючую газовую смесь 106, втекающую в детонационную трубу 100, чтобы инициировать детонацию газа в детонационной трубе 100. Запуск высоковольтного импульса управляется механизмом 216 управления синхронизацией.

На фиг. 2С изображен второй вариант осуществления детонатора по настоящему изобретению, который также действует, создавая электрическую дугу внутри потока детонирующей горючей газовой смеси. Как показано на фиг. 2С, горючая газовая смесь 106 горючего газа и окислителя в правильном соотношении для детонации поступает в детонационную трубу 100 через точку 208 наполнения детонатора 114. Когда труба в основном заполнена, высоковольтный провод 108 запускается на входе 214 высоковольтного импульса, чтобы заставить искру 212 возникнуть между неизолированными проводами 210 и пройти через горючую газовую смесь 106, втекающую в детонационную трубу 100, чтобы инициировать детонацию газа в детонационной трубе 100. В этом варианте искра начинается внутри детонатора 114, а потом она быстро перемещается вдоль двух расходящихся проводников в детонационной трубе 100 с помощью текущего газа, длина искры увеличивается по мере ее прохождения по детонационной трубе 100. Когда искра инициируется в небольшом зазоре, она создает стабильно низкую зону сопротивления, которая способна проводить такое же электрическое напряжение через намного больший зазор. Альтернативно, провода 210 могут быть соединены параллельно, но слегка изогнуты в сторону друг друга, чтобы гарантировать возникновение искры внутри детонатора 114.

На фиг. 3А и 3В показаны вид с торца и вид сбоку примера осуществления генератора 11 волны избыточного давления по настоящему изобретению. Как показано на фиг. 3А и 3В, детонатор 114 содержит изоляционный цилиндр 302, окружающий детонационную трубу 304. Электроды 306 вставлены со стороны изоляционного цилиндра 302 и соединены с высоковольтным проводом 108. Труба 304 детонатора соединена с источником 105 подачи топливно-окислительной смеси (показано на фиг. 3В) в точке 208 наполнения и с детонационной трубой 100 на ее противоположном открытом конце 310. Как показано на фиг. 3В, горючая газовая смесь 106 проходит в детонационную трубу 304 через точку 208 наполнения детонатора 114, а затем выходит через ее открытый конец 310 в детонационную трубу 100. Когда детонационная труба 100 по существу заполнена, высоковольтный провод 108 запущен, чтобы заставить искру 212 образоваться между электродами 306, таким образом, зажигая горючую газовую смесь 106 и создавая импульс детонации в точке зажигания, который распространяется по втекающей в детонационную трубу 304 горючей газовой смеси 106 от точки зажигания до открытого конца 310 детонатора 114, чтобы инициировать детонацию газа в детонационной трубе 100. На фиг. 3В также показана спираль 308 Щелкина как раз в закрытом конце детонационной трубы 100. Спираль 308 Щелкина хорошо известна из предыдущего уровня техники как усовершенствованное устройство перехода от вспышки к взрыву. В одном примере осуществления детонатора по этому изобретению спираль 308 Щелкина имеет 10 витков длиной 7 дюймов и сделана с использованием медной проволоки №4, которая плотно намотана по внутренней стороне детонационной трубы 100 у ее основания (закрытого конца).

На фиг. 3С изображен такой же пример осуществления детонатора по этому изобретению, какой показан на фиг. 3А и 3В, но который также включает в себя обратный клапан 312, используемый для управления потоком подаваемой топливно-окислительной смеси, в котором обратный клапан 312 помещен перед искрой 212, также упомянутой здесь как точка зажигания.

На фиг. 3D изображен такой же пример осуществления детонатора по этому изобретению, какой показан на фиг. 3С, за исключением того, что обратный клапан 312 помещен за точкой 212 зажигания.

На фиг. 3Е изображен примерный обратный клапан 312, который может быть использован с примерами осуществления детонатора по настоящему изобретению, показанными на фиг. 3С и 3D. Обратный клапан содержит шарик 314, удерживаемый рядом с отверстием 316 пружиной 318. Когда надлежащее давление действует на шарик 314, он сжимает пружину 318, позволяя топливно-окислительной смеси 106 выйти через отверстие 316. Другие типы клапанов также могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением.

Управление величиной волны избыточного давления

Обычно длина и внутренний диаметр детонационной трубы могут выбираться для достижения желательного максимума сгенерированной величины волны избыточного давления при максимальной выбранной скорости потока выбранной текущей топливно-окислительной смеси, а скорость потока может быть уменьшена для снижения величины сгенерированной волны избыточного давления. Если требуется, еще большие трубы могут быть использованы для усиления импульса детонации, первоначально полученного в меньшей детонационной трубе. Каждая или множество труб может быть выполнено из одного или комбинации материалов и позволяет, включая поливинилхлорид или ряд различных составов, металлы или даже бетон, чтобы достичь желаемых результатов. В одном примере осуществления детонационная труба выполнена из титана. В примере осуществления детонатор, внутри которого применена искра, имеет маленький диаметр, к примеру приблизительно 1/4 дюйма. Эта сборная конструкция присоединена к основанию второй большей детонационной трубы так, чтобы газ, содержащийся внутри нее, сдетонировал. Эта вторая детонационная труба может затем быть присоединена к основанию детонационной трубы с еще большим диаметром, чтобы инициировать детонацию горючей газовой смеси внутри нее. Таким путем детонации в детонационных трубах очень большого диаметра могут быть инициированы с точной тщательной синхронизацией.

Использование труб, имеющих все больший и больший диаметр, показано на фиг. 4, которая иллюстрирует комбинацию 400 детонационных труб с переменным диаметром, содержащую все большие и большие детонационные трубы, которые усиливают импульс детонации. Импульс детонации, произведенный в исходной детонационной трубе 100А, перемещается через детонационные трубы 100В и 100С, имеющие большие диаметры. Как правило, в то время как детонация горючей газовой смеси переходит из детонационной трубы с меньшим диаметром в детонационную трубу с большим диаметром, величина импульса усиливается. В соответствии с изобретением одна или более детонационные трубы, имеющие разные диаметры, могут быть объединены в комбинацию 400 детонационных труб с переменным диаметром.

В примере осуществления, описанном выше, допускалось, что детонационная труба (и труба детонатора) была трубой, имеющей периметр, который не меняется по длине трубы. Как альтернатива, детонационная труба (или труба детонатора) может начинаться с малого диаметра и постепенно становиться больше для того, чтобы иметь подобный эффект усиления импульса, как показано на фиг. 4. Один примерный подход показан на фиг. 5, которая изображает вид сбоку детонационной трубы 100, имеющей постепенно увеличивающийся диаметр. Диаметр детонационной трубы, становящийся все больше и больше, заставляет импульс усиливаться, в то время как он движется вдоль трубы, тем же самым образом, как в технологии труб с переменным диаметром по фиг 4. Как показано, детонационная труба 100 имеет первый диаметр 502 на одном конце, что меньше, чем второй диаметр 504 на другом конце. Многочисленные трубы, имеющие увеличивающиеся диаметры, также могут быть скомбинированы. Другим вариантом детонационной трубы является использование технологии компрессора/расширителя, где труба сначала суживается до меньшего диаметра для сжатия газа, а затем расширяется до большего диаметра для расширения газа. Этот подход показан на фиг. 6, которая изображает вид сбоку детонационной трубы 100, основанной на технологии компрессора/расширителя и имеющей первый диаметр 602 на одном конце, второй диаметр 603 на другом конце, а третий диаметр 604 между двумя концами детонационной трубы 100. Первый диаметр 602 может быть равен, а может и не быть равен второму диаметру 603 в зависимости от желаемых характеристик сжатия/расширения.

Массивы детонационных труб

Детонационные трубы могут быть сгруппированы в массивы различными путями для создания комбинированного импульса, когда они запускаются одновременно. На фиг. 7А-7D изображены примеры того, как детонационные трубы могут быть скомбинированы. На фиг. 7А изображен массив 702 детонационных труб, содержащий первую детонационную трубу, вытянутую вдоль второй детонационной трубы. На фиг. 7В показан массив 704 детонационной трубы, содержащий комбинацию из четырех детонирующих труб, организованных таким образом, что большие детонационные трубы из комбинации детонационных труб находятся в контакте друг с другом. На фиг. 7С изображен массив 706 детонационных труб, содержащий три детонационные трубы с увеличивающимся диаметром. Фиг. 7D изображает массив 708 детонационных труб, содержащий семь детонационных труб, расположенных так, что он напоминает шестигранную структуру. Фиг. 7Е изображает массив 710 детонационных труб, содержащий двенадцать детонационных труб, расположенных круговым образом.

Альтернативно, детонационные трубы, которые образуют такие группы или массивы детонационных труб, могут также запускаться в разное время. В одной схеме расположения зажигание в детонационных трубах происходит во временной последовательности, которая заставляет их детонировать последовательно таким образом, что данная детонационная труба заполняется своей топливно-окислительной смесью, пока другие детонационные трубы находятся в различных стадиях генерации волны избыточного давления. В этом подходе зажигание и наполнение детонационных труб может быть синхронизировано так, что волны избыточного давления генерируются аппаратом с такой высокой скоростью, что кажется, что происходит непрерывная детонация.

Как показано на фиг. 8, группа меньших труб может быть присоединена к большей трубе так, что их объединенные импульсы создают большой импульс, который продолжается в виде детонации в большей трубе. Фиг. 8 изображает вид сбоку трех небольших детонационных труб 100А, имеющих первый диаметр, присоединенных к большей детонирующей трубе 100В, имеющей второй больший диаметр, для усиления комбинированного импульса.

Вообще, любые из различных возможных комбинаций труб с переменным диаметром, труб с постепенно увеличивающимися периметрами, массивов труб, групп соединения меньших труб с большими трубами и труб с применением технологии компрессора/расширителя могут быть использованы в соответствии с этой особенностью изобретения для генерации волн избыточного давления, которые удовлетворяют специфическим требованиям применения. Все такие комбинации требуют балансировки энергетического потенциала вследствие расширения периметра трубы с охлаждением, вызванным расширением газов, когда периметр трубы увеличивается.

Когерентная фокусировка и управление волнами избыточного давления

Как было описано ранее, детонатор в данной особенности настоящего изобретения имеет небольшую неопределенность во времени между пуском дугового разряда и последующей эмиссией звукового импульса из трубы. Детонатор также обеспечивает повторяемую точность управления величиной произведенных звуковых импульсов. Эта небольшая неопределенность, или колебания, и точное управление величиной облегчают когерентное фокусирование и управление волнами избыточного давления, генерируемыми массивом детонационных труб. Таким образом, детонатор можно использовать для управления, фокусирования волн избыточного давления с большой пиковой мощностью.

На фиг. 9 показано, как синхронизация горения отдельных труб фокусирует энергию сгенерированных волн избыточного давления в одной точке дальнего поля. Дальние трубы запускаются раньше, чтобы компенсировать большую величину времени, требуемую для прохода большой дистанции, которая заставляет все импульсы прибывать в одну и ту же точку в одно и то же время. Фиг. 9 изображает массив 900 детонационных труб 100А-100Е, которые зажигаются (или загораются) с управлением синхронизацией, так как управляются механизмом 216 управления синхронизацией таким образом, что звуковые импульсы, которые они генерируют, прибывают в точку пространства 902 в одно и то же время. Звуковые импульсы 906, созданные детонационными трубами 100А-100Е, проходят прямые пути 904A-904E соответственно. Также они загораются в последовательности 100А-100Е с надлежащими задержками между поджиганиями, чтобы рассчитать различное время прохождения, требуемое для того, чтобы пройти разные прямые пути так, чтобы звуковые импульсы 906 прибыли в точку пространства 902 в одно и то же время, чтобы создать комбинированный звуковой импульс 908.

Отдельные детонационные трубы или группы труб могут быть организованы в разреженный массив. На фиг. 10 показан массив отдельных детонационных труб, организованных в разреженный массив, в котором синхронизация детонаций в различных трубах управляется так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы объединить их в нужном месте. Аналогично на фиг.11 показан массив из групп труб, организованных в разреженный массив, в котором трубы данной группы детонируют в одно и то же время, но синхронизация детонации различных групп изменяется так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы они соединялись в нужном месте.

Согласно фиг.10 детонационные трубы 100А-100D поджигаются в обратной последовательности с точной синхронизацией, т.к. управляются механизмом 216 управления синхронизацией так, что звуковые импульсы распространяются по прямым путям 904А-904D и объединяются в точке пространства 902. Согласно фиг.11 группы детонационных труб 1100А-1100D поджигаются в обратной последовательности и также управляются механизмом 216 управления синхронизацией так, что звуковые импульсы распространяются по прямым путям 904А-904D и соединяются в точке пространства 902.

Механизм 216 управления синхронизацией, использованный в вариантах осуществления разреженного массива, может содержать один механизм управления синхронизацией в связи с каждым из генераторов волны избыточного давления, приводящий в действие массив через проволочную или беспроволочную сеть. Альтернативно, каждый из генераторов волны избыточного давления может иметь свой собственный механизм управления синхронизацией, при этом механизмы управления синхронизацией могут быть синхронизированы теми же средствами.

Теория работы массивов детонационных труб

Вообще, когда массив детонационных труб запускается с точной синхронизацией, образуется волна давления, которая распространяется как узкий луч в направлении, предписанном синхронизацией. Таким образом, ее работа аналогична работе антенны с фазированной решеткой, обычно используемой в радиолокационных системах. Так как синхронизация определяется электрически, направление луча может быть переадресовано от одного импульса следующему. Системы могут быть сконструированы таким образом, чтобы работать с разными частотами, например с 10, 20, 50 или 100 импульсами в секунду, а каждый импульс может быть нацелен в своем направлении. Единственным ограничением к частоте повторения является скорость, с которой трубы могут наполняться вновь. При звуковой частоте перезаполнения требуется иметь приблизительно пять миллисекунд, чтобы заполнить трубу длиной пять футов. Так как также требуется пять миллисекунд на то, чтобы образовался импульс детонации, ограничение по частоте повторения составляет 100 Гц.

Так как каждый элемент массива выделяет свою собственную энергию когерентных волн, в дальнем поле амплитуда волны стремится к квадрату интенсивности каждой отдельной трубы. Мгновенные избыточные давления, которые могут быть направлены по этому пути, следовательно, могут достигать высоких уровней. Также система обладает большим динамическим диапазоном, который может использоваться для достижения большой дальности или распространяться через малые апертуры в структурах типа высокозащищенных целей.

Структура позади малой апертуры может быть приведена в резонанс применением импульсов, полученных только в правильные временные интервалы, такие как задаются лазерным зондом, используемым для определения доплеровского смещения частиц. Собственная частота структуры может, таким образом, быть определена, а после этого лазер используется в режиме закрытой петли, чтобы управлять синхронизацией системы для создания максимального эффекта. Мгновенные давления внутри такой высокозащищенной цели могут быть довольно большими, так как акустическая добротность является высокой. Например, для добротности, равной только 10, пиковое давление может приближаться к 1000 фунтов на квадратный дюйм.

Группы детонационных труб могут рассматриваться как субмассивы внутри большого массива. Фиг. 12 иллюстрирует пример осуществления из 32 шестигранных субмассивов 1202, каждый из которых состоит из 7 детонационных труб, эффективно скомпонованных в массив 1200, имеющий в общей сложности 224 детонационные трубы диаметром 3 дюйма, формата 6,2×2,5 фута. Интенсивность в дальнем поле этой системы может быть более чем в 50000 раз больше интенсивности одной такой 3-дюймовой детонационной трубы.

Синхронизация поджигания элементов массива этого варианта осуществления является прямой. Форма волны - длительностью около одной миллисекунды, а когерентная связь - четверть ее длины волны или менее. Поэтому подсистема синхронизации нуждается в разрешающей способности и точности в 200 миллисекунд или меньше. Этот уровень точности синхронизации может быть достигнут с помощью программируемых счетчиков-таймеров, таких как Intel 8254 PCA, которые обеспечивают три канала синхронизации на один кристалл при разрешающей способности в 0,1 микросекунду.

В одном варианте осуществления каждый элемент управляемого массива должен покрывать своей энергией полную область управляемости, например, с апертурой менее 1/2 длины волны. Для формы волны в одну миллисекунду апертура составляет около шести дюймов. В примере осуществления, показанном на фиг.12, шестигранные субмассивные связки имеют девять дюймов в поперечнике, так что они не могут позволить осуществлять управление по полной половине полусферы, но группирование труб в шестигранные связки, которые горят группой, снижает требования к аппаратным средствам, позволяя использовать тридцать два программируемых временных канала для фокусировки и управления массивом. Также вся синхронизация нуждается только в использовании 11 счетчиков-таймеров Intel 8254 PCA. Панель PCI фирмы SuperLogics содержит четыре Intel 8254 PCA, давая двенадцать программируемых счетчиков-таймеров, так что три модуля будут достаточными. В другом варианте осуществления трубы каждой связки на фиг. 12 могут располагаться достаточно врозь, чтобы обеспечить управление по полной половине полусферы, и поджигание всех труб будет независимым, без группирования.

Фокусное пятно массива является функцией длины волны и размера массива. Около экрана массива фокальное пятно является приблизительно кругом с диаметром, равным длине волны, т.е. равным одному футу. На больших расстояниях пятно постепенно расширяется до овала с большей полуосью в направлении меньшего размера массива. То есть овал становится вертикальным для горизонтального массива, изображенного на фиг. 12. Форма фокусного пятна может быть легко смоделирована с использованием волнового уравнения, которое линеаризуется, если давление составляет около половины атмосферы или 7 фунтов на квадратный дюйм. Однако, когда мгновенное давление в форме волны достигает атмосферы, уравнение является нелинейным, и вычисления производятся иначе.

Измерения выходного давления массива могут проводиться с использованием широкополосного акустического датчика. Они обычно имеют ширину полосы от 10 Гц до 20000 Гц и точность 1 дБ или около того. Измерения, сделанные на расстоянии тридцати футов или более в дальнем поле массива, дают точность, достаточную для экстраполяции характеристик на любой диапазон. Калиброванный выходной сигнал такого прибора - акустический уровень звукового давления, который прямо пропорционален давлению, т.е. . Например, 180dBSPL эквивалентно давлению 20000 Па или около 3 фунтов на квадратный дюйм. Мгновенная интенсивность звука, связанная с этим уровнем, составляет 1000000 Вт/м2.

Следствием волнового уравнения для линейной среды является то, что когда волны накладываются одна на другую, их амплитуды складываются. Для электромагнитных волн это означает, что если две идентичные волны достигают точки пространства в одно и то же время и с одинаковыми фазами, они будут создавать удвоенный потенциал или вольтаж одной волны.

Этот результат имеет место и для акустических волн, но в этом случае потенциалом скорее является давление, а не вольтаж.

N/m2

Заметим, что, так как фазы равны, косинус равен 1, и величина давления равна удвоенному давлению от одного источника. Это соотношение применяется и при наложении N источников, N·p.

Дублирование давления акустических форм волн учетверяет их мощность, так как мощность пропорциональна квадрату давления, а именно когда две одинаковые формы волн приходят в одну и ту же точку пространства в одно и то же время и с одинаковыми фазами, их мощности учетверяются.

По аналогии с электромагнитными волнами мощность, или акустическая интенсивность, формы волны пропорциональна квадрату ее давления.

, Вт/м2,

где знаменатель - это величина акустического импеданса среды, в данном случае - воздуха.

Поэтому вообще мощность в дальнем поле свободного пространства основного выступа волновой формы избыточного давления может быть подсчитана как N 2 давления одной детонационной трубы. Однако, когда труба эксплуатируется вблизи земли, может быть также получено преимущество от дополнительного эффекта волны в земле. Когда волна из земли и форма волны свободного пространства сходятся на цели, давление обеих форм волн снова складываются, а мощность учетверяется.

Управление лучом достигается путем настраивания синхронизации отдельных элементов так, что ближние элементы задерживаются настолько, чтобы захватить волны от дальней части массива. Следовательно, в данном управляемом направлении все волны будут прибывать в одно и тоже время и удовлетворять критерию N 2 мощности. Это аналогично антенне с фазированной решеткой, но так как акустическая форма волны является кратковременной, а не непрерывной волной, временная задержка замещается по фазе.

Другие применения детонатора настоящего изобретения

В дополнение к подаче импульса детонации в детонационные трубы с открытым концом, как описано выше, другие применения детонатора настоящего изобретения включают в себя, но не ограничены, подачу импульса детонации в двигатели внутреннего сгорания (или камеры сгорания) и в двигатели с импульсной детонацией.

Детонатор настоящего изобретения может использоваться для замены свечей зажигания, обычно применяемых для зажигания топливно-окислительных смесей в двигателях внутреннего сгорания, применяемых на легковых автомобилях, грузовиках, самолетах, кораблях, мотоциклах, вилочных подъемниках, портативных генераторах, газонокосилках, цепных пилах и в большом количестве других механизмов. На фиг. 13А-13L показаны такты впуска, сжатия, расширения и выпуска, которые происходят в течение двух поворотов коленчатого вала за рабочий цикл обычного четырехтактного двигателя (с циклом Отто).

Согласно фиг. 13А-13L примерный двигатель 1300 внутреннего сгорания с циклом Отто включает в себя впускной клапан 1302, отверстие 1304 впуска топливно-окислительной смеси, выхлопной клапан 1306, выхлопное отверстие 1308, поршень 1310, цилиндр 1312, кривошип 1314 и свечу зажигания 1316. Фиг. 13А-13L изображают двигатель 1300 с циклом Отто в различное время, когда он проходит четыре цикла: впуск 1, сжатие 2, приведение в действие 3, выпуск 4. На фиг. 13А-13С показан двигатель 1300, снабженный отверстием 1304 впуска топливно-окислительной смеси через открытый впускной клапан 1302. На фиг. 13D-13F показан поршень 1310 двигателя 1300, сжимающий топливно-окислительную смесь в цилиндре 1312. Фиг. 13G изображает свечу зажигания, зажигающую топливно-окислительную смесь внутри цилиндра 1312, которая давит на поршень 1310, перемещая его вниз, как показано на фиг. 13H и 13I. Фиг. 13J-13L изображают очистку двигателя 1300 путем выхлопа из цилиндра 1310 из выхлопного отверстия 1308 через открытый выхлопной клапан 1306. Затем четырехтактный процесс повторяется.

На фиг. 14 показан тот же самый двигатель 1300, что и на фиг. 13А-13L, за исключением свечи зажигания 316, замененной на детонатор 114. Фиг. 14 соответствует фиг. 13G. На фиг. 14 детонатор 114 показан подающим импульс детонации в двигатель 1300 внутреннего сгорания, чтобы зажечь топливно-окислительную смесь, что начинает его такт 3 расширения.

Фиг. 15 изображает примерный двигатель 1500 Ванкеля, имеющий два детонатора 114 по настоящему изобретению. Настоящее изобретение может использоваться аналогичным образом в других типах двигателей внутреннего сгорания, включающих в себя, но не ограниченных, двухтактные, пятитактные двигатели, двигатели Bear Head, двигатели Bourke и газотурбинные двигатели.

Детонатор настоящего изобретения может использоваться для подачи импульса детонации на двигатели с импульсной детонацией, используемые в различных видах применения, такие как самолетные и ракетные двигатели. На фиг. 16 показано поперечное сечение крыла самолета, имеющего четыре двигателя с импульсной детонацией, использующих детонатор по настоящему изобретению. Как показано, каждый из четырех двигателей с импульсной детонацией включает в себя детонационную трубу 100 и детонатор 114, получающие топливно-окислительную смесь 106 через источник 105 подачи топливно-окислительной смеси. Детонационные трубы 100 могут поджигаться в разное время или одновременно.

Фиг. 17 изображает примерную турбину 1700 газотурбинного двигателя с импульсной детонацией на базе многочисленных двигателей с импульсной детонацией, использующих детонатор по настоящему изобретению. Как показано, каждый из двенадцати двигателей с импульсной детонацией, содержащий детонационную трубу 100 и детонатор 114, устроен с возможностью поджигаться таким образом, чтобы заставить турбину 1700 вращаться против часовой стрелки. Детонационные трубы 100 могут поджигаться в разное время или одновременно.

На фиг. 18 показано примерное расположение двигателей с импульсной детонацией, использующих детонатор по настоящему изобретению, который мог бы быть использован для создания тяги ракетного двигателя 1800. Как показано, детонационные трубы 100 скомпонованы в виде круга внутри большой детонационной трубы 100B. Каждая из малых детонационных труб 100А имеет соответствующий детонатор 114. Детонационные трубы 100А могут поджигаться в разное время или одновременно.

Применения детонатора, системы зажигания и способа зажигания, описанные здесь, были представлены в качестве примера типов применения, которые допускаются настоящим изобретением. Не смотря на то что были описаны определенные варианты осуществления и несколько примеров применения (или внедрения) изобретения, должно быть понятно, однако, что изобретение ими не ограничено, так как специалистами в данной области техники могут быть выполнены модификации, особенно в свете предшествующего уровня техники. Поэтому прилагаемой формулой изобретения предполагается охватить любые такие модификации, которые содержат в себе эти особенности и эти усовершенствования, воплощающие сущность и объем настоящего изобретения.

1. Детонатор, содержащий:
трубу детонатора, имеющую первый конец и второй конец, причем первый конец является точкой наполнения, и упомянутый второй конец является открытым концом, упомянутый детонатор имеет точку зажигания, расположенную, по существу, в центральной точке поперечного сечения упомянутой трубы детонатора между упомянутым первым концом и упомянутым вторым концом, причем в трубу детонатора подается газовая или дисперсная топливно-окислительная смесь в упомянутой точке наполнения упомянутой трубы детонатора, упомянутая топливно-окислительная смесь содержит топливо и окислитель, заранее заданное отношение массы упомянутого топлива к массе упомянутого окислителя и заранее заданная скорость потока упомянутой топливно-окислительнои смеси поддерживаются для достижения характеристик детонации, упомянутые характеристики детонации зависят от характеристик длины и диаметра упомянутой трубы детонатора, упомянутая газовая или дисперсная топливно-окислительная смесь протекает через упомянутую точку зажигания от упомянутой точки наполнения упомянутой трубы детонатора; и
воспламенитель, при этом упомянутый воспламенитель расположен у упомянутой точки зажигания внутри упомянутой трубы детонатора, упомянутый воспламенитель зажигает упомянутую газовую или дисперсную топливно-окислительную смесь в упомянутой точке зажигания во время протекания упомянутой газовой или дисперсной топливно-окислительнои смеси с упомянутой заранее заданной скоростью потока через упомянутую точку зажигания в упомянутой трубе детонатора, тем самым, создавая импульс детонации, по существу, в упомянутой точке зажигания, который распространяется до упомянутого открытого конца упомянутой трубы детонатора.

2. Детонатор по п.1, дополнительно содержащий:
клапан, при этом упомянутый клапан расположен внутри упомянутой детонационной трубы.

3. Детонатор по п.2, в котором упомянутый клапан является обратным клапаном.

4. Система для зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси, содержащая:
трубу детонатора, имеющую точку наполнения на первом конце упомянутой трубы детонатора и открытый конец на втором конце упомянутой трубы детонатора, точку зажигания, по существу, в центральной точке в поперечном сечении упомянутой трубы детонатора между упомянутым первым концом упомянутой трубы детонатора и упомянутым вторым концом упомянутой трубы детонатора, и воспламенитель, расположенный у упомянутой точки зажигания внутри трубы детонатора; и
источник подачи топлива для подачи газовой или дисперсной топливно-окислительнои смеси к упомянутой точке наполнения упомянутой трубы детонатора таким образом, что упомянутая топливно-окислительная смесь протекает через упомянутую точку зажигания в упомянутой трубе детонатора, упомянутая топливно-окислительная смесь содержит топливо и окислитель, заранее заданное отношение массы упомянутого топлива к массе упомянутого окислителя и заранее заданная скорость потока упомянутой топливно-окислительнои смеси поддерживаются для достижения характеристик детонации, упомянутые характеристики детонации зависят от характеристик длины и диаметра упомянутой трубы детонатора, упомянутый воспламенитель зажигает упомянутую газовую или дисперсную топливно-окислительную смесь в упомянутой точке зажигания во время протекания упомянутой газовой или дисперсной топливно-окислительнои смеси с упомянутой заранее заданной скоростью потока через упомянутую точку зажигания в упомянутой трубе детонатора, тем самым создавая импульс детонации в упомянутой точке зажигания, который распространяется до упомянутого открытого конца упомянутой трубы детонатора.

5. Система по п.4, дополнительно содержащая:
клапан, при этом упомянутый клапан расположен внутри упомянутой трубы детонатора.

6. Система по п.5, в которой упомянутый клапан является обратным клапаном.

7. Система по п.6, в которой упомянутый клапан расположен перед упомянутой точкой зажигания.

8. Система по п.4, в которой упомянутый импульс детонации подается на одну из детонационных труб с открытым концом, камеру сгорания, двигатель внутреннего сгорания или двигатель с импульсной детонацией.

9. Система по п.5, в которой отношение массы топлива к массе окислителя и скорость потока упомянутой газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси выбираются, исходя из длины и диаметра упомянутой трубы детонатора.

10. Система по п.4, в которой упомянутая газовая или дисперсная топливно-окислительная смесь содержит, по меньшей мере, одно из этана, метана, пропана, водорода, бутана, этилового спирта, ацетилена, газа МАРР, бензина, авиационного топлива, нефтяного дистиллята, лигроина, нефти, керосина, дизеля, бензола или диэтилтолуамида.

11. Система по п.4, дополнительно содержащая:
механизм управления синхронизацией для управления синхронизацией воспламенителя.

12. Система для зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси, содержащая:
детонатор, содержащий:
трубу детонатора, при этом упомянутая труба детонатора имеет точку наполнения на первом конце и открытый конец на втором конце; и
воспламенитель, при этом упомянутый воспламенитель расположен у точки зажигания, по существу, в центральной точке в поперечном сечении упомянутой трубы детонатора между упомянутым первым концом и упомянутым вторым концом; и
источник подачи топливно-окислительнои смеси, который подает газовую или дисперсную топливно-окислительную смесь к упомянутой точке наполнения упомянутой трубы детонатора, при этом упомянутая топливно-окислительная смесь содержит топливо и окислитель, заранее заданное отношение массы упомянутого топлива к массе упомянутого окислителя и заранее заданная скорость потока упомянутой топливно-окислительнои смеси поддерживаются для достижения характеристик детонации, упомянутые характеристики детонации зависят от характеристик длины и диаметра упомянутой трубы детонатора, упомянутая газовая или дисперсная топливно-окислительная смесь протекает через упомянутую точку зажигания упомянутой трубы детонатора, упомянутый воспламенитель зажигает упомянутую газовую или дисперсную топливно-окислительную смесь в упомянутой точке зажигания по время протекания упомянутой газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси с упомянутой заранее заданной скоростью потока через упомянутую точку зажигания в упомянутой трубе детонатора, тем самым, создавая импульс детонации в упомянутой точке зажигания, который распространяется до упомянутого открытого конца упомянутой трубы детонатора.

13. Система по п.12, в которой упомянутый детонатор дополнительно содержит:
клапан, при этом упомянутый клапан расположен внутри упомянутой детонационной трубы.

14. Система по п.13, в которой упомянутый клапан является обратным клапаном.

15. Система по п.13, в которой упомянутый клапан расположен перед точкой зажигания.

16. Система по п.12, в которой отношение массы топлива к массе окислителя и скорость потока упомянутой газовой или дисперсной топливно-окислительнои смеси выбираются, исходя из длины и диаметра упомянутой трубы детонатора.

17. Система по п.12, в которой упомянутая газовая или дисперсная топливно-окислительная смесь содержит, по меньшей мере, одно из этана, метана, пропана, водорода, бутана, этилового спирта, ацетилена, газа МАРР, бензина, авиационного топлива, нефтяного дистиллята, лигроина, нефти, керосина, дизеля, бензола или диэтилтолуамида.

18. Система по п.12, дополнительно содержащая:
механизм управления синхронизацией, который управляет синхронизацией воспламенителя.

19. Система по п.18, в которой упомянутый механизм управления синхронизацией содержит одно из спускового механизма, неизменяемой логической схемы, управляющего процессора.

20. Система по п.12, в которой упомянутый воспламенитель содержит одно из импульсного источника высокого напряжения, источника срабатывающего искрового разрядника, лазера или взрывающейся проволоки.



 

Похожие патенты:

Горелка // 2440535
Изобретение относится к энергетике, может быть использовано в топочной технике на котлах тепловых электростанций, сжигающих жидкое топливо, и обеспечивает снижение степени недожога топлива и концентрации оксидов азота при сжигании жидкого топлива и жидкотопливного шлама.

Изобретение относится к энергетике. .

Изобретение относится к горелке для введения твердого, жидкого или газообразного топлива в зону горения печи, такой как ротационная печь для производства цементного шлака или подобная ей печь.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к сжиганию углеродсодержащего топлива. .

Изобретение относится к области энергетики, в частности к сжиганию углеродсодержащего топлива. .

Изобретение относится к теплоэнергетике, огневым технологиям и может найти широкое применение в теплоэнергетических установках (котельные, домны и т.д.). .

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.

Изобретение относится к средствам обеспечения химических процессов и предназначено для удаления смеси твердое вещество/газ из емкости высокого давления с псевдоожиженным слоем

Изобретение относится к устройствам для одновременного или попеременного сжигания жидкого и газообразного топлива, а именно к циклонным предтопкам для сжигания жидкого топлива и/или газа в различных котельных установках и позволяет повысить эффективность сжигания газа, а также надежность его работы и увеличить срок службы

Изобретение относится к теплоэнергетике, огневым технологиям и может найти широкое применение в теплоэнергетических установках (котельные, домны и т.д.), а также в реактивных и газотурбинных двигателях, использующих также топливные горелки для преобразования тепловой энергии горения топлива в реактивную кинетическую энергию струи пламени и отходящих газов

Изобретение относится к жидкотопливным горелочным устройствам, использующим для горения перегретый водяной пар, и обеспечивает при его использовании возможность снижения образования отложений кокса на поверхности дна камеры горения при сжигании жидкого топливного сырья, сильно загрязненного твердыми частицами и водой

Изобретение относится к области энергетики

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где имеют место процессы смешения различных жидкостей и газов, в том числе процессы смесеобразования различных топлив с воздухом и сжигания «бедной» топливовоздушной смеси (ТВС), в частности к созданию малоэмиссионных камер сгорания (МКС) авиационных газотурбинных двигателей (ТТЛ) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ) на базе малоэмиссионных горелок (МГ) с предварительной подготовкой и сжиганием «бедных» смесей жидких или газообразных топлив и воздуха

Изобретение относится к области машиностроения, энергетики, транспорта и к другим областям, где имеют место процессы смешения различных жидкостей и газов, в том числе процессы смесеобразования различных топлив с воздухом и сжигания «бедной» топливовоздушной смеси (ТВС), в частности к созданию малоэмиссионных камер сгорания (МКС) авиационных газотурбинных двигателей (ТТЛ) и стационарных газотурбинных установок (ГТУ) на базе малоэмиссионных горелок (МГ) с предварительной подготовкой и сжиганием «бедных» смесей жидких или газообразных топлив и воздуха
Наверх