Устройство сжигания топлива в режиме многоступенчатой детонации

Устройство сжигания топлива в режиме многоступенчатой детонации относится к устройствам эффективного сжигания топлив и может найти применение в детонационных двигателях или для технологий детонационного создания перспективных покрытий и материалов. Установка работает в частотном многоступенчатом режиме благодаря использованию газодинамических клапанов, за счет данных элементов достигается высокая частота работы, и камеры переменной геометрической формы, состоящей из последовательных секций расширения и сужения. При прохождении через данную секцию происходит распад детонационной волны на комбинацию ударной волны и фронта пламени, с последующим возникновением усиленной детонационной волны в сжатой среде. Данный режим детонации называют многоступенчатым и камера сгорания, использующая данный режим, имеет более высокую эффективность сжигания топлива. Устройство состоит из магистрали подвода горючего (см. Фиг.7) (7), которая соединяется с форкамерой (8), переходящей в основную камеру (9). Камеру окружает рубашка с охлаждающей водой (10, 11). В камере есть отверстия для подачи напыляемого материала (12), магистраль подвода окислителя (13), колено (14) и сменное сопло (15).

Данная полезная модель относится к устройствам эффективного сжигания топлив. Устройство может найти применение для повышения эффективности в детонационных двигателях или технологий детонационного напыления для производства перспективных композитных материалов благодаря работе в режимах многоступенчатой детонации с высокими параметрами, возможности менять сопла, можно получать различные параметры детонации на выходе.

Наиболее близким устройством является устройство для дожигания топлива (Новиков Николай Николаевич (RU), Григорьев Евгений Владимирович (RU), Шапкина Наталия Анатольевна (RU), Устройство для дожигания топлива, RU 2008101002A, опубликовано 20.07.2009), содержащее наружный корпус, сопловые закручивающие аппараты и горелку для воспламенения топливовоздушной смеси. Данное устройство также является устройством сжигания газообразного топлива. Отличается оно тем, что снабжено внутренним корпусом и форсункой для дополнительной подачи топлива, установленной в плоскости одного из сопловых закручивающих аппаратов, каждый сопловой закручивающий аппарат выполнен в виде единой монолитной детали, представляющей собой диск с отверстиями, направленными тангенциально, сопловый закручивающий аппарат имеет посадочное место под горелку, горелка установлена в плоскости соплового закручивающего аппарата.

Недостатками данной модели является наличие подвижных деталей для подачи топлива. Продолжительная работа установки неизменно ведет к их износу. Также установка работает с использованием обычного режима детонации при атмосферном давлении, что ограничивает производительность.

Другая подобная детонационная энергетическая установка (Василевский Степан Иванович (UA), Молодецкий Владимир Израилович (RU), Детонационная энергетическая установкаб, RU 69205U1, опубликовано 10.12.2007), содержащая камеру сгорания. Представляет собой полый корпус, устройство дозированного ввода газового или жидкого топлива в полость корпуса, устройство подачи воздуха в полость корпуса для образования стехиометрической смеси и электрозапальное устройство, подключенное к источнику высокого напряжения для поджигания стехиометрической смеси, сопло, сообщенное с ресивером со стороны большего сечения, газоводы, сообщающие камеру сгорания с ресивером, и обратные клапана.

Недостатками данной установки является низкая производительность, а также недостаточно высокие параметры детонации. Использование обычного режима детонации с низкими параметрами ограничивает коэффициент полезного действия установки. При использовании стехиометрической смеси единственным способом увеличить параметры является увеличение давления, что невозможно при работе с открытой установкой. Детали с механическим трением быстро изнашиваются.

Техническая задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, состоит в устранении этих недостатков, а именно в повышении производительности установки, избавлении от проблемы механического изнашивания, а также нового режима детонации, который имеет более высокие параметры и тем самым повышает коэффициент полезного действия установки и расширяет сферу ее применения.

Поставленная задача предлагаемой полезной модели решается тем, что в предлагаемой полезной модели сгорание топлива происходит при более высоком давлении за счет распада детонационной волны на ударную волну и фронт горения в расширяющемся канале с последующим образованием детонации в сжатой среде. В отличие от прототипа в данной полезной модели поступление топлива осуществляется бесклапанным методом, запирание магистралей подачи происходит за счет эффекта газодинамического клапана, а всасывание компонентов топлива из трубок подачи в камеру сгорания происходит во время отрицательной фазы детонационной волны.

Физическая сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что установка работает в частотном многоступенчатом режиме. Для обеспечения многоступенчатости используется камера сложной формы с расширяющимися и сужающимися секциями, обеспечивающая дифракцию ударных волн и тем самым позволяющая получать повышенные параметры детонации. Частотный режим получается благодаря использованию газодинамических клапанов, что устраняет проблему износа движущихся деталей. Несанкционированное зажигание предотвращается охлаждением ПД в достаточно тонких и длинных трубках, через которые подаются реагенты.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена схема установки с магистралями подвода топлива и горючего (1), свечой зажигания (2), расширяющейся частью камеры (3), основной частью камеры (4), сужающейся частью камеры (5), соплом (6).

На фиг.7 изображен эскиз установки с составными частями: магистрали подвода горючего (7), которая соединяется с форкамерой (8), переходящей в основную камеру (9). Камеру окружает рубашка с охлаждающей водой (10, 11). В камере есть отверстия для подачи напыляемого материала (12), магистраль подвода окислителя (13), колено (14) и сменное сопло (15).

На фиг.8, 9, 10, 11 изображена схема работы газодинамических клапанов: 16 - магистрали подвода, 17 - свеча зажигания, 18, 19 - горючая смесь, 20 - горячие продукты сгорания, 21 - охлажденные продукты сгорания.

Уникальной особенностью камеры сгорания является то, что она не содержит механических клапанов, а используются так называемые газодинамические клапаны. Также камера сгорания имеет участки сужения и расширения для использования многоступенчатой детонации.

Газодинамические клапаны в системе подаче горючего и окислителя являются основными элементами, обеспечивающими камере сгорания работу в импульсном режиме. Клапаны работают с желаемой частотой и предотвращают неконтролируемое воспламенение свежих порций горючей смеси горячими продуктами сгорания предыдущего цикла. Это достигается путем охлаждения продуктов сгорания в линиях подачи до температуры, при которой период индукции воспламенения новой порции горючей смеси превышает время контакта с охлажденными продуктами сгорания. Невыполнение данного условия приводит к воспламенению горючей смеси продуктами сгорания предыдущего цикла, а не от внешнего источника. В подобном случае невозможно получить контролируемую периодическую, детонацию и детонационная камера сгорания работает в обычном режиме горения.

Принцип работы газодинамических клапанов показан на фиг.8, 9, 10, 11. Суть этого принципа заключается в создании отделения объема газа свежей горючей смеси (18 на фиг.9) и горячих продуктов детонации (20 на фиг.9). Цикл работы детонационной камеры сгорания начинается с заполнения камеры топливом и окислителем (16 на фиг.8). Воспламенение смеси электрической свечой (17 на фиг.8), в процессе горения происходит переход в детонацию, которая распространяется к открытому концу камеры сгорания. Давление в камере сгорания повышается выше давления внутри магистралей подачи топлива и окислителя. Продукты сгорания проникают в линии подачи и прерывают подачу топлива и окислителя в камеру сгорания (газодинамические клапаны закрыты). После того, как детонационная волна достигает открытого конца камеры сгорания, волна разрежения распространяется в продуктах детонации. В определенный момент эта волна разрежения достигнет границы контакта между продуктами сгорания и топливом и окислителем внутри соответствующий магистралей и завершает расширение продуктов сгорания в эти магистрали (газодинамические клапаны открыты). После этого момента все газы распространяются в сторону открытого конца камеры сгорания. Неконтролируемые воспламенения горючей смеси блокируется продуктами сгорания (21 на фиг.10), охлажденными в питающих линиях. После этого детонационная камера сгорания заполнена горючей смеси снова, и цикл повторяется.

Установка работает следующим образом. До начала работы камеры сгорания вся подводящая система наполнена воздухом. В первом цикле топливо и окислитель начинают выдавливать воздух из подводящих трубок (1 на фиг.1) и подается в камеру сгорания где они смешиваются. После того как камера наполняется горючей смесью происходит инициирование горения искровым разрядником (2 на фиг.1) и начинается дефлаграция, которая переходит в детонацию. Давление в камере сгорания увеличивается и в момент, когда оно превышает давление подводящей системы, поступление горючего прерывается. В камере на некотором расстоянии от свечи происходит переход горения в детонацию, и детонационная волна начинает свое движение по камере. При переходе в расширяющийся канал (3 на фиг.1) происходит дифракция и расслоение детонации на ударную волну и фронт пламени. После выхода (5 на фиг.1) из широкого канала пламя догоняет ударную волну. В сужающемся канале происходит отражение, и параметры детонации растут. В это время компоненты смеси снова начинают заполнять камеру.

Известно, что в случае двойного нестационарного разрыва, в результате взрыва предварительно сжатого горючего в сужающемся канале возникала сильная ударная волна (Возникновение детонации в камере сгорания с переменным расходом компонентов топлива Бакланов Д.И., Володин В.В., Головастое С.В., Голуб В.В) При использовании метано-кислородной смеси коэффициент избытка окислителя больше 1,8 возникали режимы, при которых в основной камере существовал нестационарный двойной разрыв, а возникновение сильной ударной волны не происходило. Характерные параметры в данном случае составляли: давление в ударной волне до 1,0 МПа, а средняя скорость распространения перед входов в узел усиления до 800 м/с.

Установка работает в частотном режиме, поэтому происходит заметное тепловыделение. В процессе работы камеры сгорания существует интенсивный тепловой поток от продуктов сгорания в стенку камеры. Величина потока в основном зависит от температуры продуктов и частоты следования детонации. В зависимости от условий охлаждения и режима работы температура стенок камеры сгорания будет различной, при этом она может стать выше температуры самовоспламенения горючей смеси, что приведет к переходу от режима детонационного сжигания топлива на дефлаграционный. Быстродействие установки ограничивается производительностью системы охлаждения. В нашей полезной модели охлаждение происходит с помощью системы водяного охлаждения. Благодаря этой системе детонация может происходить с большой частотой.

Увеличения частоты работы детонационной камеры сгорания, имеющей постоянные геометрические размеры, можно достичь увеличением суммарного проходного сечения магистралей подачи горючего и окислителя, а также повышением давления в них.

Детонационная волна, распространяясь в расширяющемся канале (3 на фиг.1), разбивается на двойной нестационарный разрыв. Этот процесс происходит вначале около стенки канала и затем распространяется к его оси. На расстоянии от начала расширяющегося канала детонационная волна прекращает свое существование по всему его сечению и далее распространяется двойной нестационарный разрыв.

При вхождении двойного нестационарного разрыва в основную камеру (4 на фиг.1) его интенсивность (скорость распространения) возрастает в начальный момент за счет отражения от стенок канала, а затем из-за ускоренного движения фронта пламени. Ширина двойного нестационарного разрыва, при движении в одномерной камере увеличивается т.к. скорость ударной волны превышает скорость фронта пламени.

Дальнейшее повышение теплофизических параметров газа во фронте ударной волны происходит за счет маховского отражения последней в сужающейся секции (Теоретическое исследование особого режима детонации при работе пульсирующей детонационной установки с камерой сгорания переменного сечения и бесклапанной системой подачи, Гвоздева Л.Г., Бакланов Д.И., Рыжкина И.Н., Тарусова Н.В.) (5 на фиг.1). Ударно сжатый газ нагревается до температуры самовоспламенения и взрывается в результате чего образуется сильная ударная волна. В это время фронт пламени еще находится в основной камере. Ударная волна, возникшая в результате взрыва, двигается в узле усиления по газу, нагретому ударной волной двойного нестационарного разрыва. В результате маховского отражения интенсивность вновь образованной ударной волны повышается и достигает максимального значение в конце узла усиления (6 на фиг.1). (Переход горения в детонацию в турбулентном потоке в пульсирующем детонационном двигателе, Бакланов Д.И., Гвоздева Л.Г., Калтаев А., Щербак Н.Б.)

Установка для сжигания газообразного топлива в детонационном режиме, состоящая из магистралей подвода горючего и окислителя, секций расширяющегося и сужающегося сечения, свечи зажигания, системы водяного охлаждения, набора различных сопел, отличающаяся тем, что имеет газодинамические клапаны и работает в режиме многоступенчатой детонации благодаря использованию секций расширяющегося и сужающегося сечений.