Система и способ сжигания для поддержания непрерывной детонационной волны с нестационарной плазмой
Система для поддержания непрерывной детонационной волны содержит кольцевую камеру сгорания и систему получения нестационарной плазмы. Система получения нестационарной плазмы расположена по отношению к камере сгорания таким образом, чтобы поддерживать вращающуюся детонационную волну путем генерирования высоковольтных импульсов низкой энергии в кольцевой камере сгорания. Система получения нестационарной плазмы включает импульсный генератор для генерирования указанных высоковольтных импульсов низкой энергии, чтобы обеспечить образование нестационарной плазмы, увеличивающей реакционную способность химических частиц компонентов топлива. Изобретение позволяет поддерживать непрерывную, стабильную детонационную волну, которая обеспечивает низкое давление подачи и высокую эффективность сжигания топлива. 2 н. и 16 з. п. ф-лы, 2 ил.
По настоящей патентной заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной патентной заявкой США №61/245034, поданной 23 сентября 2009 г.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к двигателю с непрерывной детонационной волной, и более конкретно - к поддержанию его вращающейся детонационной волны.
Уровень техники
Двигатели с непрерывной детонационной волной генерируют вращающуюся детонационную волну в кольцевой камере сгорания. Поддержание вращающейся детонационной волны может быть затруднено, поскольку множество факторов стремится погасить и рассеять вращающуюся детонационную волну.
Краткое описание чертежей
Различные характеристики изобретения будут очевидными для специалистов в данной области техники из приведенного ниже подробного описания неограничительного варианта осуществления. На чертежах, сопровождающих подробное описание, показаны:
фигура 1 - общая схема двигателя с непрерывной детонационной волной; и
фигура 2 - общий схематический вид двигателя с непрерывной детонационной волной, иллюстрирующий вращающуюся детонационную волну.
Осуществление изобретения
На фигуре 1 схематически показан двигатель с непрерывной детонационной волной (Continuous Detonation Wave Engine) CDWE 20. CDWE 20 представляет собой компактную и эффективную систему, которая обеспечивает относительно низкое давление подачи и высокую эффективность сжигания топлива. CDWE обеспечивают высокую степень использования энергии.
CDWE 20 в общем случае включает кольцевую камеру 22 сгорания, образованную наружной стенкой 24 и внутренней стенкой 26. Кольцевая камера 22 сгорания закрыта с одного конца инжекторной системой 28, которая сообщается с топливной системой 30, подающей компоненты топлива, в частности, горючее и окислитель, которые образуют реакционную смесь. Реакционная смесь образуется при тщательном перемешивании компонентов топлива инжекторной системой 28. Инжекторная система 28 может иметь геометрию, которую выбирают на основе требуемой степени смешивания. Так, например, геометрия инжекторной системы 28 может включать форсунки с пересекающимися соплами, завихряющие элементы, камеру предварительного смешивания и другие конструктивные элементы, которые обеспечивают тщательное перемешивание компонентов топлива. В одном неограничительном варианте осуществления изобретения горючее включает этилен, а окислитель включает кислород. Конец кольцевой камеры 22 сгорания, противоположный инжекторной системе 28, является открытым и образует сопло 32.
Система 34 запуска используется для зажигания вращающейся детонационной волны. В одном варианте осуществления изобретения система 34 запуска может включать смесительную камеру 36, свечу 38 зажигания и тангенциальную детонационную трубку 40. В другом, не показанном здесь варианте осуществления изобретения, система 34 запуска может использовать устройства для зажигания, включающие пиротехнический воспламенитель, запальную свечу, самовоспламеняющееся топливо, пирофорные жидкости и т.п. взамен или дополнительно к свече 38 зажигания. В следующем варианте осуществления изобретения система 34 запуска может включать детонационный шнур, взрывные проводники и/или локальную систему зажигания, расположенную вблизи инжектора.
Возвращаясь к фиг.1, следует указать, что относительно небольшое количество компонентов топлива предварительно смешивается в смесительной камере 36, свеча 38 зажигания поджигает эту смесь, затем горящая смесь (процесс дефлаграции) в тангенциальной детонационной трубке 40 переходит в детонационную волну. Тангенциальная детонационная трубка 40 впрыскивает детонационную волну по касательной в кольцевую камеру 22 сгорания для того, чтобы инициировать образование вращающейся детонационной волны. Следует понимать, что в системе запуска могут быть использованы альтернативные или дополнительные компоненты. После запуска процесса обычно не требуется дополнительной энергии зажигания, поэтому система 34 запуска может быть выключена.
Топливная смесь сгорает, образуя по меньшей мере одну поперечную или вращающуюся детонационную волну, которая распространяется перпендикулярно азимутальному направлению от топливной смеси, впрыскиваемой в осевом направлении, в кольцевой камере 22 сгорания, как понимается в общем случае (фигура 2). Вращающаяся детонационная волна распространяется вдоль вращающегося детонационного фронта и сжигает резко сжатую смесь. Вращающаяся детонационная волна в кольцевой камере 22 сгорания обеспечивает увеличение степени использования химической энергии по сравнению с традиционной системой сжигания при постоянном давлении.
CDWE 20, частично благодаря более эффективным термодинамическим параметрам, имеет более высокий уровень эксплуатационных характеристик, чем традиционные двигательные установки, которые основаны на процессах сжигания при постоянном давлении. Поддержание вращающейся детонационной волны может быть относительно сложным и чувствительным к условиям эксплуатации. Многочисленные факторы, которые стремятся погасить и рассеять вращающуюся детонационную волну, включают плохое смешивание компонентов топлива, непрореагировавшие компоненты топлива, неправильные скорости впрыска, химическую кинетику, теплопроводность стенок, образование граничного слоя и т.п.
Система 42 получения нестационарной плазмы, известная так же как система получения плазмы при помощи наносекундных импульсов, расположена в CDWE 20 для поддержания вращающейся детонационной волны. Система 42 получения нестационарной плазмы включает катод 44, расположенный на наружной стенке 24, и анод 46, расположенный на внутренней стенке 26, или наоборот, таким образом, в кольцевой камере 22 сгорания между наружной стенкой 24 и внутренней стенкой 26 возникает электрический потенциал. Импульсный генератор 48 генерирует интенсивные высоковольтные импульсы с низкой энергией для получения нестационарной плазмы Р, при этом по кольцевой камере 22 сгорания перемещаются электроны с высокими скоростями. В одном примере импульс имеет длительность 20 нс при напряжении 10 -100 кВ.
Нестационарная плазма Р обеспечивает высокую скорость электронов и образующихся стримеров. Высокая скорость электронов и стримеров приводит к возникновению радикалов, ионов и высокой доли химических частиц с возбужденным колебательным энергетическим уровнем, которые при этом увеличивают скорости реакций. Нестационарная плазма Р также в большой степени увеличивает реакционную способность химических частиц путем образования радикалов и ионизации и тем самым минимизирует демпфирующее влияние химической кинетики на вращающуюся детонационную волну. Увеличение скоростей химических реакций усиливает и поддерживает процесс детонации.
Возникновение дугового разряда исключает очень большая скорость пульсации напряжения возбуждения. Это, по существу, предотвращает потерю скорости электронами. Такая конструкция делает CDWE 20 нечувствительным к изменениям внешних условий и режимов эксплуатации и позволяет выделять большее количество энергии, чем в случае двигателей, рассчитанных на постоянное давление. В одном примере осуществления система 42 получения нестационарной плазмы обеспечивает двигатели и горелки с примерно 37%-ным увеличением использования энергии по сравнению с традиционными двигателями и горелками постоянного давления. Это соответствует увеличению удельной тяги реактивных двигательных установок примерно на 17%.
Кроме того, в случае применения в воздушно-реактивных двигателях система 42 получения нестационарной плазмы способствует поддержанию вращающейся детонационной волны, не требуя дополнительной подачи кислорода.
Следует понимать, что одинаковые ссылочные номера, используемые на нескольких чертежах, обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Следует также понимать, что, хотя в варианте осуществления изобретения, представленном в качестве иллюстрации, описана конкретная схема размещения компонентов, могут быть использованы также другие полезные схемы.
Здесь показаны, описаны и заявлены в формуле изобретения конкретные последовательности операций, однако следует понимать, что, если не указано иное, операции могут выполняться в любом порядке, отдельно или совместно, используя выгоду настоящего изобретения.
Приведенное выше описание является иллюстративным и не определяет каких-либо ограничений. При этом описаны различные неограничительные варианты осуществления изобретения, однако для среднего специалиста в данной области техники очевидно, что различные модификации и видоизменения в свете вышеприведенных положений включаются в объем прилагаемой формулы изобретения. Поэтому следует понимать, что в пределах прилагаемой формулы изобретения данное изобретение можно реализовать иным образом, чем это конкретно описано. По этой причине прилагаемую формулу изобретения следует рассматривать как определяющую подлинный объем и содержание изобретения.
1. Система для поддержания непрерывной детонационной волны, содержащая кольцевую камеру сгорания и систему получения нестационарной плазмы, расположенную по отношению к камере сгорания таким образом, чтобы поддерживать вращающуюся детонационную волну путем генерирования высоковольтных импульсов низкой энергии в кольцевой камере сгорания.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанная система содержит также инжекторную систему, имеющую геометрию, выбранную для тщательного смешивания по меньшей мере двух компонентов топлива.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанная система содержит также систему запуска.
4. Система по п.3, отличающаяся тем, что указанная система запуска включает свечу зажигания.
5. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанная кольцевая камера сгорания по меньшей мере частично образована наружной стенкой и внутренней стенкой.
6. Система по п.5, отличающаяся тем, что указанная система получения нестационарной плазмы включает анод, расположенный на одной из указанных наружной и внутренней стенок, и катод, расположенный на другой из указанных наружной и внутренней стенок.
7. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанная система получения нестационарной плазмы генерирует в указанной кольцевой камере сгорания высоковольтные импульсы низкой энергии.
8. Система по п.7, отличающаяся тем, что указанные высоковольтные импульсы низкой энергии имеют длительность 20 нс при напряжении 10-100 кВ.
9. Система по п.8, отличающаяся тем, что указанная система получения нестационарной плазмы включает импульсный генератор для генерирования указанных высоковольтных импульсов низкой энергии.
10. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит также инжекторную систему, выполненную с возможностью подачи компонентов топлива из топливной системы в указанную кольцевую камеру сгорания для получения реакционной смеси.
11. Система по п.10, отличающаяся тем, что указанная система получения нестационарной плазмы выполнена с возможностью генерирования высоковольтных импульсов низкой энергии в среде указанной реакционной смеси.
12. Система по п.10, отличающаяся тем, что указанная топливная система включает окислитель.
13. Система по п.1, отличающаяся тем, что кольцевая камера сгорания расположена в двигателе с непрерывной детонационной волной.
14. Система по п.1, отличающаяся тем, что кольцевая камера сгорания расположена в воздушно-реактивном двигателе.
15. Способ сжигания, содержащий поддержание вращающейся детонационной волны путем генерирования высоковольтных импульсов низкой энергии в кольцевой камере сгорания при помощи системы получения нестационарной плазмы.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что указанный способ содержит также непрерывное генерирование указанных высоковольтных импульсов низкой энергии в процессе работы.
17. Способ по п.15, отличающийся тем, что указанный способ содержит также запуск вращающейся детонационной волны при помощи системы запуска и выключение системы запуска после запуска вращающейся детонационной волны.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что указанный способ содержит также непрерывное генерирование указанных высоковольтных импульсов низкой энергии в процессе работы.
