Способ сжигания топлива и детонационное устройство для его осуществления - RU2595005C2

Чертежи

Описание

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

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

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 известные способы детонационного сжигания топлив и детонационные устройства обладают рядом недостатков. Одни из них предполагают принудительную струйную подачу окислителя [1, 9], другие - наличие скоростного напора воздуха в проточных вариантах камеры сгорания и камерах типа ВРД (воздушно-реактивных двигателей) [2, 7, 8, 11], а в пульсирующих детонационных двигателях - циклическое (периодическое) инициирование детонации смеси с использованием клапанной системы подачи смесевых компонентов [3, 4, 5, 6, 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 [11].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, описанный в патенте RU №2459150 (2009 г. ) [12], выбранный в качестве прототипа.

Известный способ сжигания горючих смесей, то есть топлива (горючего) и окислителя (воздуха), включает подачу в камеру сгорания одного из упомянутых реагентов горючей смеси через форсунки. При этом другой реагент подают сплошным потоком через щель в режиме эжекции. Для этого в камере сгорания организуют детонационную волну, в волне разрежения в которой эжектируют второй реагент в камеру из окружающего пространства. 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.

Таким образом, известный способ включает раздельную подачу компонентов горючей смеси: топлива - встречными равнораспределенными струями (через форсунку), а окислителя - сплошным потоком (через кольцевую щель), образующих поток горючей смеси, в котором инициируют самоподдерживающуюся непрерывную спиновую детонацию, продолжающуюся по мере поступления в камеру компонентов упомянутой горючей смеси.

Однако для известного способа характерны недостаточные функциональные возможности, а также недостаточная технологичность. Это связано с высокими гидродинамическими потерями полного давления на отверстиях форсунок и щели подачи окислителя, а также влиянием детонационных волн в камере сгорания на систему подачи топлива и окислителя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является детонационное устройство, описанное в патенте RU №2459150 (2009 г.) [12], выбранное в качестве прототипа.

Известное устройство содержит кольцевую камеру сгорания, систему смешения реагентов (компонентов горючей смеси, то есть топлива 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, расположенным в начале камеры. Известная 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. Напротив 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.

Однако у известного устройства недостаточные функциональные возможности, а также недостаточная технологичность. Поскольку оно обладает большим гидродинамическим сопротивлением на входе подачи воздуха в камеру сгорания, неизбежны значительные потери полного давления поступающей в камеру смеси. Происходит значительный заброс продуктов сгорания в систему подачи воздуха и топлива, особенно воздуха, препятствующих развитию детонационного горения.

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

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей способа сжигания топлива и детонационного устройства для его осуществления, а также повышение их технологичности.

Для решения поставленной задачи сущность заявляемого изобретения состоит в том, что, в отличие от известного способа сжигания топлива, включающего раздельную подачу в камеру сгорания компонентов горючей смеси: топлива - встречными равнораспределенными струями (через форсунку), а окислителя (воздуха) - сплошным кольцевым потоком (через кольцевую щель), образующих однородный кольцевой поток горючей смеси, в котором инициируют самоподдерживающуюся непрерывную спиновую детонацию, продолжающуюся по мере поступления в камеру компонентов упомянутой горючей смеси, согласно изобретению организуют изменение формы потока окислителя (в том числе границ кольцевого потока окислителя и его внутреннего течения). Формирование указанного потока окислителя производят посредством подачи окислителя в камеру сгорания через профилированную щель с плавным входом и острыми кромками на выходе, обеспечивающей улучшение движения потока окислителя в прямом направлении (в камеру сгорания) и затрудняющей (снижающей) проникновение продуктов детонации в обратном направлении (в систему подачи окислителя). При этом профилированная кольцевая щель выполняет функцию газодинамического клапана - обеспечивает подачу окислителя в камеру и препятствует проникновению продуктов детонации в систему подачи.

Таким образом, сущность заявляемого технического решения состоит в том, что, в отличие от известного способа сжигания топлива, включающего подачу топлива встречными равнораспределенными струями, а окислителя - сплошным потоком, образующими в камере сгорания поток горючей смеси, согласно изобретению организуют изменение формы и внутренней структуры потока окислителя посредством подачи окислителя в камеру сгорания через профилированную щель с плавным входом и острыми кромками на выходе. Это обеспечивает повышение коэффициента расхода окислителя в прямом направлении (в камеру сгорания) и затрудняет (снижает) проникновение продуктов детонации в обратном направлении - в систему подачи окислителя (снижает коэффициент расхода продуктов в обратном направлении). Таким образом, указанная профилированная кольцевая щель выполняет функцию газодинамического клапана, обеспечивая подачу окислителя в камеру и препятствуя проникновению продуктов детонации в систему подачи.

Кроме того, указанное воздействие на поток усиливают за счет многократного (двукратного и более) циклического изменения формы и внутренней структуры потока окислителя путем пропускания его через пакет двух и более равных по ширине кольцевых профилированных щелей. При этом поступающий в камеру сгорания воздух испытывает минимальное сопротивление и минимальную потерю полного давления, а заброс продуктов детонации в систему подачи воздуха минимизируется. Подбором числа воздействий и варьированием их ориентации в пространстве добиваются оптимального соотношения входных и выходных параметров прямого и обратного потоков.

При этом в качестве окислителя могут быть использованы кислород, воздух, их смеси, а топливо может быть использовано в газообразном, жидком или твердом мелкодисперсном состоянии.

Кроме того, организуют (осуществляют) направление вращения поперечных детонационных волн в камере сгорания, для чего в ней создают тангенциальную составляющую потока окислителя, то есть делают его (поток) как минимум двумерным. Для этого закручивают поток окислителя до входа в щель или пакет щелей средством для завихрения. Это может быть центробежный компрессор, направляющие лопатки. Тем самым создают дополнительную турбулизацию потока, усиливающую смесеобразование топлива и окислителя в камере сгорания, которое необходимо для реализации непрерывной спиновой детонации, что особенно существенно для сжигания химически малоактивных топлив.

Также для решения поставленной задачи заявляемый способ осуществляют в детонационном устройстве для сжигания топлива, которое, в отличие от известного устройства, содержащего систему подачи топлива и окислителя, кольцевую камеру сгорания, системы смешения топлива с окислителем в начале камеры сгорания, включающую равномерно расположенные отверстия форсунки для топлива и входное отверстие в виде кольцевой щели для окислителя, а также выходное отверстие для продуктов горения, источник зажигания, согласно изобретению дополнительно оснащено средством для обеспечения улучшения движения потока окислителя (повышения коэффициента его расхода) в прямом направлении - в камеру сгорания, затрудняющим проникновение продуктов детонации в обратном направлении - в систему подачи окислителя (снижающим коэффициент расхода продуктов в обратном направлении), т.е. выполняющим функцию газодинамического клапана, и выполненным в виде кольцевой профилированной щели с плавным входом и острыми кромками на выходе со стороны камеры сгорания. Таким образом, существенное отличие заявляемого детонационного устройства состоит в том, что оно дополнительно оснащено средством для обеспечения повышения коэффициента расхода окислителя в прямом направлении - в камеру сгорания, затрудняющим проникновение продуктов детонации в обратном направлении - в систему подачи окислителя (снижения коэффициента расхода продуктов в обратном направлении), т.е. выполняющим функцию газодинамического клапана, и выполненным в виде кольцевой профилированной щели с плавным входом и острыми кромками на выходе со стороны камеры сгорания. Причем отверстия форсунок для подачи топлива могут быть расположены как в боковых стенках камеры, так и на ее переднем торце.

Кроме того, упомянутое средство, выполняющее функцию газодинамического клапана, может быть выполнено в виде пакета, состоящего из двух и более кольцевых профилированных щелей, причем указанные щели имеют равную ширину. Расстояние и пространственная ориентация между смежными щелями выполнены оптимальными для устойчивого функционирования упомянутого газодинамического клапана (оптимального соотношения входных и выходных параметров прямого и обратного потоков) при реализации устойчивой непрерывной спиновой детонации. Так, расстояние между упомянутыми щелями выполнены равными ширине щели.

При этом система подачи окислителя (кольцевой коллектор) дополнительно снабжена средством для закручивания потока окислителя до входа в упомянутую профилированную щель или в пакет этих щелей. Средством для закручивания потока может быть центробежный компрессор или направляющие лопатки. Это обеспечивает формирование тангенциальной составляющей потока окислителя в камере сгорания, улучшает смесеобразование за счет дополнительной турбулизации и создает условия для реализации и задания определенного (требуемого) направления вращения поперечных детонационных волн.

Кроме того, отверстия форсунки для подачи топлива расположены на наружной или на внутренней, или на обеих стенках камеры сгорания, и/или на ее торце.

При этом кольцевой канал камеры сгорания образован наружными и внутренними стенками. Данные стенки могут быть выполнены цилиндрическими, коническими и/или профилированными, и/или их комбинацией (а также их комбинацией), но они не должны быть обязательно одинаковыми. Так, в частности, наружная стенка может быть выполнена цилиндрической, а внутренняя стенка выполнена конической или в комбинации с цилиндрической.

Кроме того, кольцевой канал камеры сгорания может быть образован одной цилиндрической и двумя плоскими или коническими радиальными стенками с одинаковым или переменным расстоянием между ними. При этом на цилиндрической поверхности имеется щель или пакет щелей, расположенных в одной плоскости, для подачи окислителя, а отверстия форсунки для подачи топлива расположены на одной или на обеих стенках камеры сгорания, и/или на ее цилиндрической поверхности.

При этом в одном случае цилиндрическая стенка расположена в центре камеры (на меньшем диаметре камеры), а выход продуктов происходит от центра к периферии через зазор между плоскими (или коническими) стенками. Во втором случае цилиндрическая стенка имеет наибольший диаметр, а истечение продуктов происходит через отверстие меньшего диаметра, расположенное в центре на одной или обеих плоских (или конических) стенках камеры.

Таким образом, в одном варианте подачу топлива и воздуха (окислителя) производят от цилиндрической поверхности к периферии, а продукты горения вытекают через открытый зазор между плоскими стенками. Обратный вариант заключается в том, что подачу топлива и воздуха производят от цилиндрической поверхности на периферии к центру. Одна или обе плоские радиальные или конические стенки камеры имеют в центре отверстие для выхода продуктов детонации.

Кроме того, возможна комплектация в пакет (сборку) цилиндрических, плоских или конических камер сгорания с индивидуальным или общим входом окислителя и топлива, а также с индивидуальным или общим выходом продуктов детонации.

Именно заявляемые конструктивные отличия, признаки устройства для детонационного сжигания топлива 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.

Становится возможным осуществление детонационного сжигания топлива с минимальными потерями полного давления и минимальным влиянием детонационных процессов в камере сгорания на систему подачи воздуха. Закрутка воздуха в тангенциальном направлении задает в этом же направлении вращение поперечных детонационных волн при реализации непрерывной спиновой детонации, а также создает дополнительную турбулизацию в камере сгорания, что способствует смешению топлива и окислителя (воздуха). При этом устройство может работать как в непрерывном спиновом детонационном режиме, так и циклическом с поперечными и продольными детонационными волнами и не требует дополнительных механических устройств (например, клапанной системы). Кроме того, повышается экономичность камеры сгорания и надежность ее работы.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 приведена одна из схем устройства для детонационного сжигания топлива с цилиндрическими внешней и внутренней стенками. На фиг. 2 представлена схема устройства для детонационного сжигания топлива, образованного одной внутренней цилиндрической и двумя плоскими стенками с истечением исходных компонентов и продуктов от центра к периферии. На фиг. 3 приведена схема устройства для детонационного сжигания топлива, образованного одной наружной цилиндрической и двумя плоскими стенками с истечением исходных компонентов и продуктов от периферии к центру.

Устройство (см. фиг. 1) включает корпус камеры сгорания 1, образованный цилиндрическими стенками: наружной 2 и внутренней 3. На переднем конце камеры имеется пакет профилированных кольцевых щелей 4, через которые поступает окислитель (например, воздух) из системы подачи, а напротив выхода из щелей - форсунка 5 для подачи топлива с равномерно расположенными по окружности стенки камеры 2 (возможно и стенки 3 при двухсторонней подаче топлива) отверстиями и направленными под углом к направлению подачи окислителя. На входе пакета кольцевых щелей стоит завихритель 6.

Устройство работает следующим образом.

В камеру 1 поступает воздух через завихритель 6 и пакет кольцевых щелей 4, а топливо - из форсунки 5. Топливо смешивается с воздухом и поджигается электрическим разрядом, пережиганием проволочки или другим тепловым импульсом.

Образующаяся в продуктах горения высокочастотная тангенциальная или продольная неустойчивость через несколько миллисекунд развивается во вращающиеся (спиновые) или пульсирующие в поперечном или продольном направлении детонационные волны. Плавный вход воздуха из системы подачи в камеру сгорания обеспечивает максимально возможный расход и минимальные потери полного давления, а выход с острыми кромками - минимальный заброс продуктов в систему подачи воздуха в момент подхода к ней или к ее участкам детонационной волны. Завихритель, роль которого может играть центробежный компрессор или направляющие лопатки, задает направление вращения поперечных детонационных волн. Двухсторонняя подача топлива обеспечивает лучшее его перемешивание с окислителем. Детонация осуществляется непрерывно до тех пор, пока подается воздух и топливо.

Схема устройства для детонационного сжигания топлива, образованного одной внутренней цилиндрической и двумя плоскими стенками с истечением исходных компонентов и продуктов от центра к периферии (см. фиг. 2), включает корпус камеры сгорания 1, образованный плоскими стенками 2 и внутренней цилиндрической стенкой 3, на которой имеется пакет профилированных кольцевых щелей 4. Окислитель из системы подачи поступает в камеру 1 через щели 4, а топливо - напротив щелей 4 через форсунку 5 с равномерно расположенными по окружности стенки камеры 2 или по цилиндрической поверхности 3 отверстиями, ориентированными под углом к направлению подачи окислителя. На входе пакета кольцевых щелей стоит завихритель 6. При этом данное устройство работает так же, как это описано для фиг. 1, с тем лишь отличием, что подачу топлива и воздуха (окислителя) производят от цилиндрической поверхности к периферии, а продукты детонации вытекают в окружающую среду из зазора между плоскими стенками 2. На фиг. 2 цилиндрическая стенка расположена в центре камеры на ее меньшем диаметре d_c1, а зазор между плоскими или коническими стенками оканчивается на внешнем, то есть большем диаметре d_c2.

Схема устройства для детонационного сжигания топлива, образованного одной наружной цилиндрической и двумя плоскими стенками с истечением исходных компонентов и продуктов от периферии к центру (см. фиг. 3), включает корпус камеры сгорания 1, образованный плоскими стенками 2 и наружной цилиндрической стенкой 3, на которой имеется пакет профилированных кольцевых щелей 4. Окислитель из системы подачи поступает в камеру 1 через щели 4, а топливо - напротив щелей 4 через форсунку 5 с равномерно расположенными по окружности стенки камеры 2 или по цилиндрической поверхности 3 отверстиями, ориентированными под углом к направлению подачи окислителя. На входе пакета кольцевых щелей стоит завихритель 6. Одна или обе плоские стенки 2 имеют отверстие для выхода продуктов. Данное устройство так же работает, как это описано для фиг. 1, только подачу топлива и воздуха производят от цилиндрической поверхности на периферии к центру, а продукты детонации вытекают в окружающую среду из отверстия в одной или обеих плоских стенках 2. На фиг. 3 цилиндрическая стенка имеет наибольший диаметр d_c1, а для истечения продуктов служит отверстие меньшего диаметра d_c2, расположенное в центре на одной или обеих плоских или конических стенках камеры (в данном случае в одной плоской стенке камеры).

Применение заявляемого изобретения, основанного на организации особого течения окислителя, например воздуха в системе подачи, позволит значительно расширить функциональные возможности и повысить эффективность способа сжигания топлива в детонационном устройстве для его реализации и технологичность. Кроме того, повышается экономичность камеры сгорания и надежность ее работы.

Изобретение 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 топливные смеси при смешивании с окислителем (воздухом). Появляется возможность создания камер сгорания различной геометрии, наиболее подходящей к конкретным условиям сжигания топлива.

Список литературы

1. Быковский Ф.А., Войцеховский Б.В., Митрофанов В.В. Способ сжигания топлива. Патент RU №2003923 (1993 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. Васильев К.А. Способ сжигания топлива в камере сгорания. Заявка RU №93001763 (1995 г.).

5. Daniau Е. Двигатель с пульсирующей детонацией. Патент RU №2294446 (2004 г.).

6. Daniau E. Патент FR №2004/001313 (2004 г.).

7. Falempin F.; Le Naour B. Ramjet engine with detonation chamber and aircraft comprising such a ramjet engine. Patent EP №2525070 (2012 г.).

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

9. 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.).

10. Falempin F.; Le Naour В. Turbomachine with detonation chamber and aircraft provided with such a turbomachine, Patent EP №2525062 (2012 г.).

11. 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.).

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

Реферат

Изобретение относится к области энергетики. Детонационное устройство для сжигания топлива содержит систему подачи топлива и окислителя, кольцевую камеру сгорания, систему смешения топлива с окислителем, размещенную в начале камеры сгорания, включающую равномерно расположенные отверстия форсунки для топлива и входное отверстие в виде кольцевой щели для окислителя, а также выходное отверстие для продуктов горения. Устройство дополнительно оснащено средством для обеспечения повышения коэффициента расхода окислителя в прямом направлении - в камеру сгорания, затрудняющим проникновение продуктов детонации в обратном направлении - в систему подачи окислителя, т.е. выполняющим функцию газодинамического клапана, и выполненным в виде кольцевой профилированной щели с плавным входом и острыми кромками на выходе со стороны камеры сгорания. Изобретение позволяет повысить экономичность камеры сгорания и надежность ее работы. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула