СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ В ТРУБЕ С ГОРЮЧЕЙ СМЕСЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
INITIATION METHOD OF DETONATION IN TUBE WITH FLAMMABLE MIXTURE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к способам и устройствам для сжигания топлива, а именно к газовой и газокапельной детонации, и могут быть использованы для инициирования детонации горючей смеси в различных технологических устройствах и энергетических установках, в частности в импульсных детонационных двигателях.
Главной проблемой при создании импульсных детонационных двигателей является необходимость максимального уменьшения преддетонационного расстояния и времени при использовании минимальной энергии источника зажигания. Классические способы инициирования детонации предполагают либо использование неприемлемо мощного кратковременного выделения энергии (Зельдович Я.Б., Когарко С.М., Симонов Н.Н. // ЖТФ, 1956, том 26, №8, с.1744-1752), либо достижение перехода горения в детонацию (ПГД) при слишком больших расстоянии и времени.
Известны способ инициирования детонации в горючих смесях и устройство для его осуществления, предложенные в патенте RU 2333423, F23C 15/00, F23R 7/00, опубл. 10.02.2008. Способ заключается в организации вихревого течения топливной смеси, состоящей из горючего и окислителя, таким образом, что помимо основного вихря образуют систему мелкомасштабных вихрей, оси которых перпендикулярны плоскости потока. Способ осуществляют в устройстве, содержащем камеру сгорания, систему подачи топлива и источник зажигания. Камера сгорания выполнена в виде замкнутого плоского кольцевого канала, ограниченного цилиндрической поверхностью и двумя плоскими стенками. Диаметр кольцевого канала больше расстояния между плоскими стенками. Вдоль цилиндрической поверхности равномерно расположены отверстия (форсунки) для раздельной подачи горючего и окислителя, причем отверстия для подачи одного из топливных компонентов (обычно окислителя) направлены тангенциально или под углом к цилиндрической поверхности. Одна или обе плоские стенки имеют в центре отверстие для выхода детонационной волны и продуктов детонации. Основные недостатки известных способа и устройства - сложная организация движения окислителя и горючего, а также необходимость достижения значительной «видимой» скорости турбулентного фронта пламени для ПГД, характерной для классического механизма ПГД (более 1000 м/с в топливно-воздушных смесях).
Известны способ инициирования детонации в трубах с горючей смесью и устройство для его осуществления - спираль Щепкина (Щепкин К.И. Быстрое горение и спиновая детонация газов, М.: Военное изд-во МВС СССР 1949 г., стр.81, рис.34). Увеличение «видимой» скорости фронта пламени достигается путем турбулизации готовой топливовоздушной смеси, движущейся соосно трубе, в турбулизаторе в виде спирали, расположенном между источником горючей смеси и участком гладкой трубы. Недостатком данных способа и устройства является необходимость достижения значительной «видимой» скорости турбулентного фронта пламени (более 1000 м/с в топливно-воздушных смесях) для ПГД и, как следствие, большое преддетонационное расстояние в широких трубах, что ведет к росту массогабаритных характеристик технологических устройств и энергетических установок.
Известны способ инициирования детонации в длинных трубах (длина 18 м, диаметр 5, 15 и 30 см) с горючей смесью и устройство для его осуществления, описанные в работе О.Peraldi, R.Knystautas and J.H.Lee "Criteria for transition detonation in tubes". Twenty-First Symposium (International) on Combustion / The Combustion Institute, 1986, pp.1629-1637. По всей длине трубы установлены регулярные кольцевые препятствия прямоугольного профиля, на которых осуществляется турбулизация пламени и затем ускорение турбулентного фронта пламени. Образующаяся при этом первичная ударная волна (УВ), отражаясь от препятствий, приводит к периодическому локальному повышению температуры за фронтом бегущей УВ, в результате рано или поздно (в зависимости от достигнутой скорости УВ и диаметра трубы) возникают очаги самовоспламенения горючей смеси, которые, воздействуя на фронт УВ, ускоряют ее вплоть до возникновения детонации. В работе исследовалось влияние параметров трубы (длины и диаметра) и параметров кольцевых препятствий (диаметра отверстия, высоты, шага) на время и длину (преддетонационное расстояние) ПГД. ПГД наблюдался только на расстоянии от первого препятствия 5-10 м и только для «чувствительных» топливно-воздушных смесей (водород, ацетилен и др.).
Главным недостатком данных известных способа и устройства является следующее: при распространении УВ через кольцевые препятствия простой формы (имеющие при продольном разрезе трубы прямоугольный профиль), очаг самовоспламенения возникает не в свободном ядре течения горючей смеси, а на периферии течения с наветренной стороны препятствия (то есть на значительном удалении от фронта УВ), поэтому область самовоспламенения подвергается сильному воздействию волн разряжения, что значительно снижает эффективность локального энергетического воздействия очагов самовоспламенения на скорость УВ и, тем самым, ограничивает возможности способа и устройства по сокращению длины и времени ПГД, тогда как одной из наиболее важных проблем является поиск условий надежного инициирования детонации в топливно-воздушных смесях в коротких трубах - порядка 1.5-2.5 м (при помощи слабых источников энергии за кратчайшее время).
В Институте химической физики РАН в течение длительного времени проводятся фундаментальные исследования условий ПГД. Разработан способ инициирования детонации в короткой гладкой трубе с помощью бегущего импульса принудительного зажигания (Фролов С.М., Басевич В.Я. и др. // ДАН, 2004, Т.394, №2, с.222-224; ДАН, 2004, Т.394, №4, с.503-505).
Наиболее близкими к предлагаемым изобретениям по технической сущности являются способ инициирования детонации в трубе с горючей смесью и устройство для его осуществления, описанные в работе (Фролов С.М., Семенов И.В., Комиссаров П.В., Уткин П.С., Марков В.В. Сокращение длины и времени перехода горения в детонацию в трубе с профилированными регулярными препятствиями. // ДАН, 2007, Т.415, №4, с.509-513), выбранной за прототип.
Способ-прототип включает генерацию первичной УВ в камере высокого давления (КВД) с числом Маха не выше 3.0-3.2 (скорость 900-1100 м/с) и последующее принудительное ускорение первичной УВ путем локального многократного энергетического воздействия на фронт бегущей УВ от очагов самовоспламенения горючей смеси в результате периодического локального повышения температуры в области за фронтом бегущей УВ, возникающего при отражении бегущей УВ от регулярных профилированных препятствий, установленных в трубе с горючей смесью. Использование в способе-прототипе профилированных препятствий специальной формы - в виде параболических зубьев, образованных пересечением двух парабол с фокусами, лежащими в ядре течения горючей смеси, - позволило фокусировать отраженные волны давления в центральную часть фронта УВ в ближайшей окрестности фронта УВ в ядре течения горючей смеси, что исключило воздействие волн разряжения на область самовоспламенения, характерное для препятствий прямоугольной формы, и обеспечило существенное сокращение длины и времени ПГД по сравнению с другими известными способами - ПГД наблюдался на расстоянии 1.9-2.3 м от разрывной мембраны, разделяющей КВД и рабочий участок трубы.
Однако известный способ-прототип недостаточно технологичен из-за использования в нем вспомогательной КВД и мембранного узла.
Устройство-прототип представляет собой лабораторную детонационную трубу мембранного типа, снабженную КВД, предназначенной для генерации первичной УВ, и камерой низкого давления (КНД) с рабочим участком. КВД и КНД разделяет разрывная мембрана. В КНД для обеспечения безопасности рабочего участка от осколков разрывающейся мембраны имеется буферный участок без препятствий. Рабочий участок трубы имеет квадратное сечение и оборудован регулярными профилированными препятствиями, установленными на верхней и нижней стенке рабочего участка трубы. Профилированные препятствия выполнены в виде зубьев параболической формы, образованных пересечением двух парабол с фокусами, лежащими в ядре течения горючей смеси. Устройство содержит регистрирующую аппаратуру, соединенную с персональным компьютером.
Недостатком устройства-прототипа является низкая технологичность, что обусловлено наличием в нем вспомогательной КВД и рвущейся мембраны между основной и вспомогательной камерами.
Задачей изобретения является повышение технологичности способа инициирования детонации и устройства для его осуществления.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- способом инициирования детонации в трубе с горючей смесью, включающим генерацию первичной УВ и последующее локальное многократное энергетическое воздействие на фронт бегущей УВ от очагов самовоспламенения горючей смеси, возникающих в результате взаимодействия УВ с криволинейной поверхностью, в котором для генерации первичной УВ горючую смесь в трубе поджигают, фронт пламени турбулизуют и ускоряют при помощи турбулизатора до видимой скорости пламени 550-750 м/с с образованием первичной УВ с числом Маха не выше 2.5-3.0, затем пространственно разделяют турбулентный фронт пламени и фронт ударной волны, а локальное многократное энергетическое воздействие на фронт бегущей УВ осуществляют в возникшее пространство, разделяющее турбулентный фронт пламени и фронт УВ, путем организации дифракции первичной УВ на наветренной криволинейной поверхности расширяюще-сужающегося тела, помещенного в трубу в ядре течения горючей смеси, с последующим многократным отражением волн давления от стенок трубы и от подветренной криволинейной поверхности указанного тела, приводящим к ударному сжатию и самовоспламенению горючей смеси в пространстве между стенкой трубы и этой поверхностью, при этом в ядре течения горючей смеси с подветренной стороны указанного тела обеспечивают возникновение дополнительных очагов самовоспламенения вследствие кумуляции отраженных волн давления.
В качестве турбулизатора можно использовать спираль Щепкина или любое другое устройство для ускорения пламени.
Расширяюще-сужающееся тело, помещенное в детонационную трубу в ядре течения горючей смеси, может быть осесимметричным или несимметричным.
Ось расширяюще-сужающегося тела, помещенного в детонационную трубу в ядре течения горючей смеси, и ось трубы совпадают или не совпадают.
- устройством для осуществления способа инициирования детонации в трубе с горючей смесью, включающим детонационную трубу, снабженную системой генерации первичной УВ и элементом, обеспечивающим взаимодействие первичной УВ с криволинейной поверхностью, в котором система генерации первичной УВ состоит из источника зажигания и турбулизатора для турбулизации и ускорения фронта пламени до видимой скорости пламени 550-750 м/с с образованием первичной ударной волны с числом Маха не выше 2.5-3.0, а элемент, обеспечивающий взаимодействие первичной УВ с криволинейной поверхностью, представляет собой расширяюще-сужающееся тело с криволинейной поверхностью, помещенное в трубу в ядре течения горючей смеси на расстоянии от конца турбулизатора не менее L=V·τ, где V - видимая скорость пламени, τ - время индукции самовоспламенения горючей смеси при нормальном отражении ударной волны от жесткой стенки, обеспечивающем пространственное разделение турбулентного фронта пламени и фронта первичной ударной волны.
Источник зажигания может быть искровым, например автомобильной свечой, или любым другим, способным поджечь горючую смесь.
В качестве турбулизатора может быть использована спираль Щепкина или любое другое устройство для ускорения пламени.
ЦТ
ТР
ЦТ
ТР
Максимальная площадь поперечного сечения расширяюще-сужающегося тела S может достигать 0.85 от площади поперечного сечения трубы S(S≤0.85S).
Расширяюще-сужающееся тело с криволинейной поверхностью, помещенное в трубу в ядре течения горючей смеси, может быть осесимметричным или несимметричным.
Ось расширяюще-сужающегося тела, помещенного в трубу в ядре течения горючей смеси, и ось трубы с горючей смесью могут совпадать или не совпадать.
При разработке предлагаемых способа и устройства было установлено, что быстрый переход слабой УВ в детонацию возможен не только при использовании набора регулярных профилированных препятствий, как в способе-прототипе, но и в трубе с одним препятствием специальной формы (имеющим криволинейные поверхности), размещенным в ядре течения горючей смеси (далее тело называется центральным). Были проведены исследования по поиску оптимальной формы препятствия, а также места его расположения в трубе, которые смогут обеспечить максимальную эффективность локального многократного энергетического воздействия на фронт бегущей УВ.
Принципиальным результатом проведенных расчетов было установление факта, что необходимо разделять во времени и пространстве турбулентный фронт пламени и бегущую перед ним УВ, тогда между фронтом УВ и фронтом пламени образуется движущаяся «пробка» ударно сжатой и разогретой горючей смеси (следует отметить, что в способе-прототипе в КВД генерируется непосредственно УВ с числом Маха≈3.0 в результате взрыва топливно-кислородной смеси). Было установлено также, что величина (длина) «пробки» должна быть не меньше L=V·τ, где V - видимая скорость пламени, τ - время индукции самовоспламенения горючей смеси при нормальном отражении УВ от жесткой стенки (100-150 мкс - в зависимости от скорости УВ - Басевич В.Я., Фролов С.М., Посвянский B.C. Условия существования стационарной гетерогенной детонации // Химическая физика, 2005, т.24, №7, с.60-70), следовательно, центральное тело необходимо размещать в ядре течения горючей смеси на расстоянии не менее L от конца турбулизатора. Если фронт пламени и фронт УВ не разделены, то турбулентный фронт пламени «накрывает» зарождающиеся очаги самовоспламенения за фронтом бегущей УВ, возникающие при отражении УВ от криволинейной поверхности тела, тем самым исключая возникновение детонации.
Расчеты показали что, изменяя форму препятствия, можно управлять местоположением и моментом самовоспламенения горючей смеси за бегущей УВ. В результате исследований была выбрана форма расширяюще-сужающегося тела с криволинейной поверхностью. Площадь поперечного сечения центрального тела с наветренной стороны может достигать 0.85 от площади поперечного сечения трубы, а затем с подветренной стороны уменьшается.
На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства.
Основной элемент устройства - детонационная труба (1) с поперечным сечением круговой, прямоугольной, овальной и др. геометрической формы. Устройство содержит систему подачи горючей смеси (не показана), узел зажигания (2) с источником зажигания (3), турбулизатор (4), участок без препятствий длиной L (5) и центральное тело с криволинейными поверхностями (6), закрепленное в трубе в ядре течения горючей смеси с помощью механических средств, например жестких растяжек, на расстоянии L от турбулизатора, и выходной участок (7). Система подачи горючей смеси предусматривает заполнение устройства либо только через узел зажигания (2), либо через узел зажигания (2) и входные штуцеры, расположенные вдоль трубы, при этом возможна как раздельная подача горючего и окислителя, так и подача предварительно полностью или частично перемешанной горючей смеси.
Центральное тело (6) может быть осесимметричным (см. фиг.1-3) и несимметричным (см. фиг.4). В продольном сечении центральное тело (6) может иметь различную конфигурацию, на фиг.1-4 - для примера приведены возможные конфигурации.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Через систему подачи горючей смеси устройство заполняется горючей смесью. Горючая смесь поджигается в узле зажигания (2), и пламя попадает в турбулизатор (4), который обеспечивает увеличение видимой скорости турбулентного фронта пламени до 550-750 м/с и образование первичной УВ с числом Маха 2.5-3.0. Затем УВ движется вместе с пламенем по участку трубы без препятствий (5), что позволяет фронту УВ перед встречей с центральным телом (6) оторваться от фронта турбулентного пламени. На наветренной поверхности расширяюще-сужающегося центрального тела УВ подвергается дифракции, в результате которой волны давления многократно отражаются от стенок трубы и от подветренной криволинейной поверхности центрального тела, что приводит к ударному сжатию и последующему самовоспламенению горючей смеси в пространстве между стенкой трубы и этой поверхностью. Кроме того, с подветренной стороны центрального тела происходит кумуляция отраженных волн давления с образованием дополнительных очагов самовоспламенения в ядре течения горючей смеси. Очаги самовоспламенения, возникшие в пространстве между стенкой трубы и подветренной поверхностью тела и в ядре течения горючей смеси (от кумуляции), взрываются, взрывные волны отражаются от подветренной поверхности тела и стенок трубы, и в результате происходит быстрый ПГД.
ЦТ
ТР
2
Приводим расчетные примеры осуществления изобретения при следующих параметрах устройства: участок без препятствий длиной L=0.2 м (диаметр 94 мм), центральное тело общей длиной 0.6 м и конфигурации, приведенной на фиг.2а), (максимальная площадь поперечного сечения S=0.6, S=166.5 см), прямой выходной участок трубы длиной 1.0 м. Турбулизатор в виде спирали Щепкина длиной 0.6 м свит из проволоки диаметром 4 мм, шаг витков 18 мм. Результаты расчетов для стехиометрической пропановоздушной смеси при нормальных начальных условиях показали, что при числе Маха первичной УВ выше 2.5 между стенкой трубы и подветренной стороной центрального тела формируется пересжатая детонационная волна, движущаяся со скоростью ≈ 2000 м/с. Последующее распространение пересжатой детонационной волны вдоль подветренной стороны центрального тела сопровождается ее постепенным ослаблением и выходом на режим, близкий к режиму самоподдерживающейся детонации. При дальнейшем распространении детонации по выходному участку (длиной 1.0 м) устанавливается режим детонации Чепмена-Жуге (скорость детонационной волны ≈ 1800 м/с).
Таким образом, предложенные способ инициирования детонации и устройство для его осуществления характеризуются более высокой технологичностью, а также позволяют при минимальных затратах энергии на инициирование детонации достигать ПГД при минимальном преддетонационном расстоянии.