Способ детонационного сжигания горючих смесей и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания различных видов топлив. Способ детонационного сжигания горючих смесей заключается в том, что в камеру сгорания подают один из реагентов горючей смеси (горючее или окислитель) через форсунки, а другой реагент (соответственно окислитель или горючее) подают сплошным потоком через щель в режиме эжекции, для чего в камере сгорания организуют детонационную волну, в волне разрежения которой эжектируют второй реагент в камеру из окружающего пространства, при этом смешение реагентов производят непосредственно в камере сгорания; причем всасывание второго реагента в камеру сгорания осуществляют из окружающей среды в волне разрежения, примыкающей к детонационному фронту, при этом реагент, подаваемый из форсунок в камеру сгорания, подают равномерно по окружности камеры сгорания под углом к сплошному потоку другого реагента, подаваемого через щель в направлении выхода из камеры. Изобретение позволяет устройству работать как в непрерывном спиновом режиме, так и циклическом с продольными волнами и не требует дополнительных устройств (например, клапанной системы). Кроме того, повышается экономичность камеры сгорания и надежность ее работы, а также улучшаются условия труда и техники безопасности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания различных видов топлив. Оно может найти применение, например, в двигателестроении, на транспорте, в стационарных энергетических установках, в химической промышленности.

Известны различные способы детонационного сжигания топлива и устройства для их осуществления, например: патент RU №2285143 (2004 г.) [1], патент RU №2330979 (2006 г.) [2], патент US №2005/0284127 (2005 г.) [3], патент RU №93001763 (1995 г.) [4] и другие.

В настоящее время возможности сжигания топлива в режиме обычного турбулентного горения себя практически исчерпали, и в ряде случаев переходят к другому режиму сжигания - детонационному. Известны два режима детонационного сжигания: в продольных пульсирующих и вращающихся (спиновых) детонационных волнах, суть которых отображена, например, в патентах [1-4]. Однако предложенные способы детонационного сжигания топлив и устройства обладают рядом недостатков. Одни из них предполагают принудительную струйную подачу окислителя, другие - скоростного напора воздуха в проточных вариантах камеры сгорания [1], а в пульсирующих детонационных двигателях - циклическое (периодическое) инициирование детонации смеси [1, 2, 3, 4] с использованием клапанной системы подачи топливных компонентов [2, 3, 4]. Известно также предварительное образование детонационноспособной смеси перед камерой сгорания, что не приемлемо по требованиям взрывобезопасности, а также установка закручивающих поток топлива лопастей для создания центробежных сил, создающих градиент давления в камере и всасывание топлива в камеру, но представляющих дополнительное гидродинамическое сопротивление.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, описанный в патенте RU №2003923 (1993 г.) [5], выбранный в качестве прототипа.

Известный способ включает раздельную подачу горючего и окислителя встречными равнораспределенными струями, образующими однородный кольцевой поток горючей смеси, в котором инициируют самоподдерживающуюся непрерывную спиновую (вращающуюся) детонацию, продолжающуюся по мере поступления в камеру компонентов смеси. Однако известный способ сложен, а также недостаточно технологичен и экономичен. Использование форсунок для окислителя требует трудоемких операций по изготовлению, принудительной системы подачи окислителя, а также приводит к высоким гидродинамическим потерям полного давления на отверстиях форсунок.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, описанное в патенте US №2005/0284127 (2005 г.) [6].

Известное устройство содержит кольцевую камеру детонационного сгорания плоскорадиального или конусного исполнения, кольцевой канал для подачи окислителя с завихряющими поток смеси лопатками или центробежным компрессором, форсунки для подачи горючего, воздухозаборник и выходное сопло. В процессе работы воздух подается в воздухозаборник и смешивается с горючим, поступающим через форсунки. Затем через систему направляющих лопаток или центробежным насосом смесь подается в камеру сгорания, где сжигается во вращающейся детонационной волне. Обновление смеси происходит непрерывно за детонационной волной за счет центробежных сил, создаваемых завихренным потоком.

К недостаткам известного устройства относятся сложность и недостаточная технологичность. При использовании камеры сгорания в проточном варианте система завихряющих лопаток обладает большим гидродинамическим сопротивлением, поэтому неизбежны значительные потери полного давления поступающей в камеру смеси, а также появление вращающего момента, действующего на камеру сгорания. Применение движущихся устройств (центробежного компрессора) и приготовление смеси до ее подачи в камеру сгорания повышают взрывоопасность и снижают надежность всего устройства. Для всасывания смеси за счет центробежных сил, возникающих в потоке смеси, подходит только плоскорадиальная или конусная геометрия камеры с выходом продуктов сгорания в направлении от центра к периферии.

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

Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является упрощение способа и устройства и повышение их технологичности.

Для решения поставленной задачи сущность заявляемого изобретения состоит в том, что, в отличие от известного способа детонационного сжигания, включающего подачу горючего в камеру сгорания, а также принудительную подачу окислителя в камеру сгорания через мелкие отверстия форсунки, инициирование самоподдерживающейся непрерывной спиновой (вращающейся) детонации, продолжающейся по мере поступления в камеру компонентов смеси, согласно изобретению в камеру сгорания через форсунки подают горючее, а окислитель подают в камеру сгорания сплошным потоком через щель в режиме эжекции, для чего эжектируют окислитель, например воздух, из окружающей среды. При этом производят турбулизацию и смешение горючего и окислителя непосредственно в камере сгорания. При этом всасывание окислителя в камеру сгорания осуществляют из окружающей среды в волне разрежения, примыкающей к детонационному фронту (в режиме автоколебаний).

При этом в качестве окислителя могут быть использованы, например кислород, воздух, их смеси и другие окислители, а горючее - в газообразном, жидком или твердом (мелкодисперсном) состоянии.

Кроме того, горючее в камеру подают равномерно по окружности камеры сгорания, под углом к потоку окислителя (в направлении выходу из камеры).

Разновидностью реализации заявляемого технического решения является способ, при котором окислитель подают в камеру сгорания через форсунки, а горючее подают в камеру сгорания через щель сплошным потоком в режиме эжекции, для чего эжектируют горючее из окружающей среды, при этом производят турбулизацию и смешение окислителя и горючего непосредственно в камере сгорания. При этом всасывание горючего в камеру сгорания осуществляют из окружающей среды в волне разрежения, примыкающей к детонационному фронту (в режиме автоколебаний). При этом окислитель подают в камеру сгорания равномерно по окружности камеры сгорания под углом к сплошному потоку горючего (в направлении выхода из камеры).

Таким образом, сущность заявляемого способа состоит в том, что, в отличие от известного способа детонационного сжигания, согласно изобретению, в камеру сгорания подают один из реагентов (составляющих) горючей смеси (горючее или окислитель) через форсунки, а другой реагент (соответственно окислитель или горючее) подают сплошным потоком через щель в режиме эжекции, для чего в камере сгорания организуют (реализуют, создают) детонационную волну, в волне разрежения которой эжектируют (всасывают, подают) второй реагент в камеру из окружающего пространства. При этом смешение реагентов (горючего и окислителя) производят непосредственно в камере сгорания. При этом всасывание второго реагента в камеру сгорания осуществляют из окружающей среды в волне разрежения, примыкающей к детонационному фронту (в режиме автоколебаний). При этом реагент, подаваемый из форсунок в камеру сгорания, подают равномерно по окружности камеры сгорания под углом к сплошному потоку другого реагента, подаваемого через щель в направлении выхода из камеры.

Также для решения поставленной задачи заявляемый способ осуществляют в устройстве для детонационного сжигания горючих смесей, содержащем кольцевую камеру сгорания, систему смешения реагентов (горючего с окислителем), размещенную в начале камеры сгорания, систему подачи, включающую кольцевую форсунку с равномерно расположенными по окружности стенки камеры сгорания отверстиями, входное отверстие и выходное отверстие для продуктов горения, источник зажигания, при этом камера сгорания снабжена средством, обеспечивающим турбулизацию потока. Согласно изобретению камера сгорания выполнена расширяющейся от входа к выходу, на переднем конце камеры сгорания имеется кольцевая щель, через которую в режиме эжекции подают один из реагентов горючей смеси (горючее или окислитель), напротив щели расположена кольцевая форсунка, которая является средством турбулизации потока, при этом отверстия форсунки направлены под углом к потоку реагента, подаваемого через щель, в направлении выходного отверстия».

Кроме того, кольцевой канал камеры сгорания образован, например, наружной цилиндрической стенкой, а внутренняя стенка выполнена конической или в комбинации с цилиндрической, при этом кольцевой канал камеры профилирован и имеет расширение к выходу камеры сгорания.

Кольцевой канал камеры сгорания образован одной цилиндрической и двумя плоскими или коническими радиальными стенками с одинаковым или переменным расстоянием между ними, при этом одна или обе радиальные или конические стенки камеры имеют в центре входное отверстие, а на периферии камера открыта для выхода продуктов детонации.

Устройство выполнено в виде сборки кольцевых цилиндрических, плоских или конических камер сгорания с индивидуальным или общим входом для реагентов.

Именно заявляемые конструктивные отличия, признаки устройства для детонационного сжигания горючих смесей 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 детонационного сжигания топливных смесей (в том числе и топливно-воздушных) при отсутствии системы принудительной подачи окислителя за счет его всасывания (эжекции) в камеру сгорания в волне разрежения, примыкающей к детонационному фронту. При этом устройство может работать как в непрерывном спиновом режиме, так и циклическом с продольными волнами и не требует дополнительных устройств (например, клапанной системы).

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

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена схема устройства для детонационного сжигания горючих смесей в режиме эжекции одного из реагентов (первый вариант);

на фиг.2 показана реализация конкретного случая, когда горючее подается через форсунки, а окислитель - сплошным потоком через щель;

на фиг.3 приведена схема устройства для детонационного сжигания горючих смесей (второй вариант);

на фиг.4 показана сборка кольцевых камер сгорания по первому варианту (фиг.1);

на фиг.5 показана сборка кольцевых камер сгорания по второму варианту (фиг.3).

Устройство включает корпус камеры сгорания 1, образованный стенками: наружной цилиндрической 2 и внутренней 3, представляющей собой конус или комбинацию конуса и цилиндра. На переднем конце камеры имеется кольцевая щель 4, через которую поступает окислитель из окружающего пространства 5, а напротив нее - кольцевая форсунка для подачи горючего 6 с равномерно расположенными по окружности стенки камеры 2 отверстиями и направленными под углом к направлению подачи окислителя.

Устройство работает следующим образом. При подаче горючего из форсунки 6 в камеру 1 вблизи щели 4 образуется пониженное по сравнению с окружающим давление, в результате начинается предварительное всасывание (эжекция) окислителя в камеру 1 и образование горючей смеси. После инициирования (электрического разряда, пережигания проволочки или другого теплового импульса) смесь поджигается. Образующаяся в продуктах горения высокочастотная тангенциальная или продольная неустойчивость через несколько миллисекунд развивается во вращающиеся (спиновые) или пульсирующие в продольном направлении детонационные волны. При этом расход всасываемого (эжектируемого) окислителя через щель 4 значительно возрастает ввиду повышенного градиента давления в волне разрежения за детонационной волной. Таким образом, детонационная волна сама себе создает условия для существования без всяких дополнительных воздействий (принудительной системы подачи, например). Иными словами, детонационная волна играет роль насоса, а волна разрежения - всасывающего поршня. Детонация осуществляется непрерывно до тех пор, пока подается горючее в условиях расположения камеры в безграничном объеме окислителя.

Работа описанного устройства может быть проиллюстрирована следующими примерами.

Пример 1. d₁=100 мм, Δ=5 мм, δ=1.75 мм, α=17° окислитель - кислород, горючее - водород. Образующаяся в камере смесь сжигается в одной непрерывно вращающейся (спиновой) детонационной волне, движущейся со скоростью D=(2.2-1.5) км/с.

Пример 2. d₁=100 мм, Δ=5 мм, δ=1.75 мм, α=17° окислитель - кислород, горючее - ацетилен. Образующаяся в камере смесь сжигается в одной непрерывно вращающейся (спиновой) детонационной волне, движущейся со скоростью D=(1.5-1.2) км/с.

Пример 3. d₁=100 мм, Δ=5 мм, δ=1.75 мм, α=17°° окислитель - кислород, горючее - ацетилен. При пониженных расходах ацетилена образующаяся в камере смесь сжигается в пульсирующей с частотой 2.5 кГц продольной детонационной волне.

Пример 4. d₁=306 мм, Δ=23 мм, δ=10 мм, α=30° окислитель - воздух, горючее - водород. Образующаяся в камере смесь сжигается в одной непрерывно вращающейся (спиновой) детонационной волне, движущейся со скоростью D=(1.34-1.3) км/с.

Пример 5. d₁=306 мм, Δ=23 мм, δ=10 мм, α=30° окислитель - воздух, горючее - водород. При пониженных расходах водорода образующаяся в камере смесь сжигается в пульсирующей с частотой 1.3 кГц продольной детонационной волне.

Возможно использование заявляемого устройства в среде горючего, при этом окислитель будет подаваться через форсунки, а горючее - через щель сплошным потоком в режиме эжекции. Детонационный режим при этом реализуется аналогично изложенному выше.

Применение заявляемого способа, основанного на организации особого вида подачи (эжекции), реагентов, (например окислителя или горючего), позволит значительно упростить способ детонационного сжигания топлива и устройство для его реализации и повысит их технологичность.

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.

При этом расширяются функциональные возможности способа и устройства. В частности, появляется возможность движения от нулевой скорости летательного аппарата, снабженного данным устройством. Сила тяги будет возрастать с набором скорости за счет повышения расхода воздуха. В стационарных энергетических установках и химических реакторах в ряде случаев устраняется система принудительной подачи одного из реагирующих компонентов. Возможно применение достаточно широкого класса горючих: газообразных, жидких и твердых мелкодисперсных, образующих топливо при смешивании с газообразным окислителем. Появляется возможность использования камер сгорания различной геометрии, наиболее подходящей к конкретным условиям сжигания топлив.

Список литературы

1. Иванов М.С., Кудрявцев A.M., Троцюк А.В, Фомин В.М. Способ организации детонационного режима горения в камере сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Патент RU №2285143 (2004 г.).

2. Ульяницкий В.Ю., Штерцер А.А., Злобин С.Б, Кирякин А.Л. Способ получения тяги. Патент RU №2330979 (2006 г.)

3. Васильев К.А. Способ сжигания топлива в камере сгорания. Патент RU №93001763 (1995 г.).

4. Daniau Е. Двигатель с пульсирующей детонацией. Патент RU №22944446 (2004 г.), патент FR №2004/001313 (16.12.2004).

5. Быковский Ф.А., Войцеховский Б.В., Митрофанов. Способ сжигания топлива. Патент RU №2003923 (1993 г.).

6. Akihiro Tobita (JP), Toshitaka Fujiwara (JP), Piotr Wolanski, Warshaw (PL). Detonation engine and flying object provided therewith. United States, Patent №US 2005/0284127, 2005.

1. Способ детонационного сжигания горючих смесей, отличающийся тем, что в камеру сгорания подают один из реагентов горючей смеси (горючее или окислитель) через форсунки, а другой реагент (соответственно окислитель или горючее) подают сплошным потоком через щель в режиме эжекции, для чего в камере сгорания организуют детонационную волну, в волне разрежения которой эжектируют второй реагент в камеру из окружающего пространства, при этом смешение реагентов производят непосредственно в камере сгорания; причем всасывание второго реагента в камеру сгорания осуществляют из окружающей среды в волне разрежения, примыкающей к детонационному фронту, при этом реагент, подаваемый из форсунок в камеру сгорания, подают равномерно по окружности камеры сгорания под углом к сплошному потоку другого реагента, подаваемого через щель в направлении выхода из камеры.

2. Устройство для детонационного сжигания горючих смесей, содержащее кольцевую камеру сгорания, систему смешения реагентов (горючего с окислителем), размещенную в начале камеры сгорания, систему подачи, включающую кольцевую форсунку с равномерно расположенными по окружности камеры сгорания отверстиями, входное отверстие и выходное отверстие для продуктов горения, источник зажигания, при этом камера сгорания снабжена средством, обеспечивающим турбулизацию потока, отличающееся тем, что камера сгорания выполнена расширяющейся от входа к выходу, на переднем конце камеры сгорания имеется кольцевая щель, через которую в режиме эжекции подают один из реагентов горючей смеси (горючее или окислитель), напротив щели расположена кольцевая форсунка, которая является средством турбулизации потока, при этом отверстия форсунки направлены под углом к потоку реагента, подаваемого через щель, в направлении выходного отверстия.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что кольцевой канал камеры сгорания образован, например, наружной цилиндрической стенкой, а внутренняя стенка выполнена конической или в комбинации с цилиндрической, при этом кольцевой канал камеры профилирован и имеет расширение к выходу камеры сгорания.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что кольцевой канал камеры сгорания образован одной цилиндрической и двумя плоскими или коническими радиальными стенками с одинаковым или переменным расстоянием между ними, при этом одна или обе радиальные или конические стенки камеры имеют в центре входное отверстие, а на периферии камера открыта для выхода продуктов детонации.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что оно выполнено в виде сборки кольцевых цилиндрических, плоских или конических камер сгорания с индивидуальным или общим входом для реагентов.