Способ детонационного сжигания топливных смесей и устройство для его осуществления

Способ детонационного сжигания топливных смесей включает раздельную подачу топлива и воздуха в камеру сгорания и инициирование детонационного горения образующейся смеси. Дополнительно в камеру сгорания производят подачу предварительно турбулизованного воздуха и смешивают его с продуктами детонации ниже по потоку от критической ширины фронта детонационной волны до выхода продуктов из камеры по поверхности стенок в порядке, обусловленном тепловыми потоками в стенки камеры и условиями перемешивания дополнительного турбулизованного воздуха с продуктами сгорания, под углом к потоку продуктов сгорания. Подачу турбулизованного воздуха осуществляют вдоль потока через ряд отверстий или кольцевые щели в направлении выхода из камеры. Изобретение позволяет расширить функциональные возможности, повысить эффективность способа детонационного сжигания топлива, повысить технологичность и экономичность, а также уменьшить габариты камеры сгорания. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для сжигания различных видов топлив. Оно найдет применение в двигателях летательных аппаратов и транспортных средств, в стационарных энергетических установках, в химической промышленности.

Известны различные способы детонационного сжигания топливных смесей и устройства для их осуществления, например: патент RU №2 459 150 (2009 г.) [1], патент RU №2285143 (2004 г.) [2], патент RU №2330979 (2006 г.) [3], патент № US 2005/0284127 (2005 г.) [4], заявка RU №93001763 (1995 г.) [5], патент RU №2294446 (2004 г.) [6], патент FR №2004/001313 (2004 г.) [7], патент ЕР 2525070 (2012 г.) [8], патент RU №2435060 (2011 г.) [9], заявка RU №93046334 (1993 г.) [10], патент RU №2003923 (1993 г.) [11], патент EP №2525062 (2012 г.) [12].

В настоящее время возможности сжигания топлива в режиме обычного турбулентного горения себя 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 [1-10]. Однако предложенные способы детонационного сжигания топлив и устройства обладают рядом недостатков. Одни из них предполагают принудительную струйную подачу окислителя [10], другие - наличие компрессора и скоростного напора воздуха в проточных вариантах камеры сгорания [1, 2, 4, 8], а в пульсирующих детонационных двигателях - циклическое (периодическое) инициирование детонации смеси с использованием клапанной системы подачи смесевых компонентов [3, 5, 6, 7, 10]. Известно также предварительное образование детонационноспособной смеси перед камерой сгорания, что неприемлемо по требованиям взрывобезопасности, а также установка закручивающих поток горючей смеси лопастей для создания центробежных сил, создающих градиент давления в камере и всасывание смеси в камеру, но представляющих дополнительное гидродинамическое сопротивление [4].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, описанный в патенте RU №2003923 (1993 г.) [11], выбранный заявителем в качестве прототипа.

Известный способ включает раздельную подачу окислителя и топлива, при этом окислитель подают встречными, равноудаленными струями, образуя однородный кольцевой слой горючей смеси, по достижении этим слоем толщины h инициируют детонацию в указанном слое, после чего непрерывно подают топливо и окислитель, поддерживая детонационноспособный слой горючей смеси в пропорции l≥(6-15)h, где h - критический размер детонации горючей смеси; l - длина замкнутого кольцевого слоя.

Таким образом, известный способ включает раздельную подачу компонентов топливной смеси (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 для известного способа характерны недостаточные функциональные возможности, а также недостаточная технологичность и экономичность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству, по мнению заявителя, является устройство, описанное в патенте EP №2525062 (2012 г.) [12], выбранное авторами в качестве прототипа.

Известное устройство содержит кольцевую цилиндрическую камеру детонационного сгорания, кольцевой канал для подачи воздуха в камеру сгорания и во вторичный контур, форсунки для подачи горючего, воздухозаборник, воздушный компрессор, силовую турбину и выходное сопло. В процессе работы воздух подается в воздухозаборник, сжимается компрессорами в первичном и вторичном контурах. При поступлении в камеру сгорания он смешивается с горючим, поступающим через форсунки, и сжигается во вращающейся детонационной волне. Воздух вторичного контура способствует охлаждению стенки камеры сгорания и на выходе из нее смешивается с продуктами детонационного горения.

Однако у известного устройства недостаточные функциональные возможности, а также недостаточная технологичность и экономичность. В известном устройстве подмешивание воздуха в продукты на выходе из камеры не влияет на процессы в камере сгорания, в частности на повышение в ней давления, которое определяет ее габариты. Кроме того, не обеспечивается полное перемешивание воздуха и продуктов сгорания.

Таким образом, недостатками известных способа и устройства являются недостаточные функциональные возможности, а также недостаточная технологичность и экономичность.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является расширение функциональных возможностей способа детонационного сжигания топливных смесей и устройства для его осуществления, а также повышение их технологичности и экономичности.

Для решения поставленной задачи сущность заявляемого способа состоит в том, что, в отличие от известного способа детонационного сжигания топливных смесей, включающего принудительную подачу воздуха (окислителя) и топлива в камеру сгорания, дополнительно производят подачу воздуха внутри камеры сгорания ниже по течению от фронта детонационной волны до выхода продуктов из камеры.

Добавочный воздух подают в камеру сгорания равномерно по окружности под углом к потоку окислителя (воздуха) в направлении выхода из камеры или распределяют равномерно по окружности в определенном порядке по стенкам камеры сгорания. При этом осуществляют дополнительную турбулизацию воздуха и смешение его с продуктами, образующимися в результате детонационного горения непосредственно в начале камеры сгорания, а также поднимают давление потока в камере.

Таким образом, сущность заявляемого способа состоит в том, что, в отличие от известного способа детонационного сжигания топливных смесей, включающего раздельную подачу топлива и воздуха в камеру сгорания и инициирование детонационного горения образующейся смеси, согласно изобретению, дополнительно производят подачу предварительно турбулизованного воздуха ниже по потоку от критической ширины «h» (то, что в прототипе обозначено как «h») фронта детонационной волны в камеру сгорания, равномерно по окружности или по всей поверхности стенок в определенном порядке (обусловленном в каждом конкретном случае тепловыми потоками в стенки камеры и условиями перемешивании дополнительного турбулизованного воздуха с продуктами сгорания), под углом к потоку продуктов сгорания. Добавочный воздух подают вдоль потока через ряд отверстий или кольцевые щели в направлении выхода из камеры.

Также для решения поставленной задачи заявляемый способ осуществляют в устройстве для детонационного сжигания топливных смесей, которое, в отличие от известного устройства, содержащего кольцевую камеру сгорания, систему смешения горючего (топлива) с окислителем (воздухом), размещенную в начале камеры сгорания, и подачи их смеси в камеру сгорания, включающую равномерно расположенные отверстия (форсунки) для топлива и окислителя (воздуха), выходное отверстие для продуктов горения, источник зажигания, согласно изобретению, включает средство для дополнительной подачи воздуха (окислителя), содержащего в свою очередь средства для турбулизации последнего; при этом средство для дополнительной подачи этого турбулизованного воздуха расположено в стенке (стенках) детонационной камеры ниже той части упомянутой камеры, где происходит полное детонационное сгорание топливной смеси, но до выхода из камеры. То есть вышеупомянутое средство для дополнительной подачи турбулизованного воздуха расположено ниже по потоку от критической ширины фронта вращающейся или пульсирующей в тангенциальном направлении детонационной волны.

Добавочный воздух поступает в камеру через отверстия, кольцевую щель или их комбинацию, расположенные в стенках камеры и которые являются одновременно турбулизаторами воздуха и натекающего потока продуктов. То есть средством для дополнительной подачи турбулизованного воздуха могут быть, например, кольцевая щель, отверстия или их комбинации.

При этом отверстия, кольцевая щель или их комбинация для дополнительной подачи воздуха направлены под углом к потоку окислителя и ориентированы таким образом, что являются турбулизаторами потока. Одновременно добавочный воздух до входа в камеру сгорания и внутри нее охлаждает ее стенки.

Кольцевой канал камеры сгорания образован наружными и внутренними стенками, например цилиндрическими, коническими и/или профилированными, и/или их комбинацией.

При этом разновидностью кольцевого канала камеры сгорания может быть кольцевой канал, сформированный одной цилиндрической и двумя плоскими радиальными или коническими стенками с одинаковым или переменным расстоянием между ними. При этом в одном варианте реализации способа подачу топлива и воздуха производят от цилиндрической поверхности к периферии, а продукты горения вытекают через открытый зазор между плоскими стенками, а в другом варианте реализации способа подачу топлива и воздуха производят от цилиндрической поверхности к центру. При этом для истечения продуктов горения имеется осесимметричное отверстие в одной или обеих плоских стенках камеры. Добавочная подача турбулизованного воздуха производится ниже по потоку от критической ширины фронта детонационной волны «h» через щели, отверстия и/или их комбинации.

Именно заявляемые конструктивные отличия, признаки устройства для детонационного сжигания топливных 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 расширении функциональных возможностей и повышении технологичности и экономичности. Становится возможным осуществление детонационного сжигания топливных смесей при повышенном давлении в камере сгорания и одновременным охлаждением ее стенок. Кроме того, с повышением давления возрастает количество поперечных детонационных волн и уменьшается размер детонационного фронта «h». Это способствует уменьшению длины камеры и ее минимального диаметра. При этом устройство может работать как в непрерывном спиновом детонационном режиме, так и в режиме с поперечными сталкивающимися детонационными волнами.

Кроме того, повышается экономичность камеры сгорания и надежность ее работы.

Изобретение поясняется чертежом.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема заявляемого устройства для детонационного сжигания топливных смесей (один из вариантов выполнения).

Устройство включает в себя кольцевую камеру сгорания 1 диаметром d_c и длиной L_c, образованную наружной и внутренней стенками, отстоящими друг от друга на расстоянии Δ_с. На переднем торце камеры имеется кольцевая щель 2 шириной δ, через которую поступает воздух из системы подачи (коллектора 3), а напротив нее - кольцевая форсунка 4 для подачи топлива из коллектора 5. Форсунка 4 представляет собой ряд отверстий, равномерно расположенных по окружности наружной стенки камеры 1 и направленных под углом к направлению подачи воздуха. Для добавочной подачи турбулизованного воздуха в камеру сгорания 1 на расстоянии L_A2 от переднего торца камеры (от начала камеры) расположено средство 6 для добавочной подачи этого воздуха в виде кольцевой щели или форсунки, или распределенных в определенном порядке отверстий по внутренней и внешней стенкам камеры.

Заявляемый способ осуществляется (устройство работает) следующим образом. Непрерывно поступающие в камеру 1 топливо и воздух смешивают, образуют детонационноспособную смесь, по которой с помощью электрического разряда, пережигания проволочки или другого теплового импульса, запускают (инициируют) вращающиеся детонационные волны. Одновременно или с некоторым запаздыванием в камеру подают добавочный воздух. Процесс поддерживают до тех пор, пока производят подачу топлива и воздуха. Возможны варианты реализации способа, при которых подача добавочного турбулизированного воздуха распределена по стенкам камеры - наружной и внутренней в заданном порядке, обусловленном тепловыми потоками в стенки камеры и условиями перемешивании дополнительного турбулизованного воздуха с продуктами сгорания.

Применение заявляемых способа и устройства позволит значительно расширить функциональные возможности, повысить эффективность способа детонационного сжигания топлива, повысить их технологичность и экономичность, а также уменьшить габариты камеры сгорания.

Изобретение может быть применимо для камер сгорания различного назначения: двигателей летательных аппаратов и наземного транспорта, стационарных энергетических установок, МГД-генераторов, а также химических реакторов и других устройств. Возможно применение достаточно широкого класса топлив: газообразных, жидких и твердых мелкодисперсных, образующих горючие смеси при смешивании с воздухом. Появляется возможность использования камер сгорания различной геометрии, наиболее подходящей к конкретным условиям сжигания топлива.

Список литературы

1. Быковский Ф.А., Ждан С.А., Ведерников Е.Ф., Способ детонационного сжигания горючих смесей и устройство для его осуществления. Патент RU №2459150 (2009 г.).

2. 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.).

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

4. Akihiro Tobita (JP), Toshitaka Fujiwara (JP), Piotr Wolanski, Warshaw (PL). Detonation engine and flying object provided therewith. United States, Patent № US 2005/0284127 A1, 2005 г.

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

6. Daniau E. Двигатель с пульсирующей детонацией. Патент RU №2294446 (2004 г.).

7. Daniau E., патент FR №2004/001313 (2004 г.).

8. FALEMPIN FRANCOIS; LE NAOUR BRUNO. Ramjet engine with detonation chamber and aircraft comprising such a ramjet engine. Patent EP №2525070 (2012 г.).

9. Фалемпен Φ., Даню Ε., Бобо Ε., Минар Ж.-П. Двигатель с импульсной детонацией, работающий на воздушно-топливной смеси. Патент RU №2435060 (2011 г.).

10. Антоненко В.Ф., Масс A.M., Минин С.Н., Пушкин P.M., Словецкий Д.И., Смирнов В.И., Тарасов А.И. Способ получения тяги и устройство для получения тяги. Заявка RU №93046334 (1993 г.).

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

12. FALEMPIN FRANCOIS; LE NAOUR BRUNO. Turbomachine with detonation chamber and aircraft provided with such a turbomachine, Patent EP №2525062 (2012 г.).

1. Способ детонационного сжигания топливных смесей, включающий раздельную подачу топлива и воздуха в камеру сгорания и инициирование детонационного горения образующейся смеси, отличающийся тем, что дополнительно в камеру сгорания производят подачу предварительно турбулизованного воздуха и смешивают его с продуктами детонации ниже по потоку от критической ширины фронта детонационной волны до выхода продуктов из камеры по поверхности стенок в порядке, обусловленном тепловыми потоками в стенки камеры и условиями перемешивания дополнительного турбулизованного воздуха с продуктами сгорания, под углом к потоку продуктов сгорания, при этом подачу упомянутого турбулизованного воздуха осуществляют вдоль потока через ряд отверстий или кольцевые щели в направлении выхода из камеры.

2. Устройство для детонационного сжигания топливных смесей по п. 1, содержащее кольцевую камеру сгорания, систему смешения топлива с воздухом, размещенную в начале камеры сгорания, систему подачи топлива, отличающееся тем, что оно включает средство для дополнительной подачи воздуха, содержащего в свою очередь средства для турбулизации последнего; при этом средство для дополнительной подачи этого турбулизованного воздуха расположено в стенке или стенках детонационной камеры ниже той части упомянутой камеры, где происходит полное детонационное сгорание топливной смеси, но до выхода из камеры, то есть вышеупомянутое средство для дополнительной подачи турбулизованного воздуха расположено ниже по потоку от критической ширины фронта вращающейся или пульсирующей в тангенциальном направлении детонационной волны, при этом средство для подачи турбулизованного воздуха представляет собой отверстия, кольцевые щели или их комбинацию, при этом отверстия для подачи воздуха расположены по окружности или по всей поверхности стенок в порядке, обусловленном тепловыми потоками в стенки камеры и условиями перемешивания дополнительного турбулизованного воздуха с продуктами сгорания, под углом к потоку продуктов сгорания.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что кольцевой канал камеры сгорания образован, например, цилиндрическими, коническими и/или профилированными наружными и внутренними стенками.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что кольцевой канал камеры сгорания сформирован одной цилиндрической и двумя плоскими радиальными или коническими стенками с одинаковым или переменным расстоянием между ними.