УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМПУЛЬСНОГО ЗАЖИГАНИЯ ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ
DEVICE FOR PULSE IGNITION OF COMBUSTIBLE MIXTURE

Изобретение относится к проточным устройствам для импульсного зажигания высокоскоростных потоков гомогенных и гетерогенных горючих смесей в различных энергетических установках, прежде всего в импульсно-детонационных технологических устройствах и в импульсно-детонационных двигателях летательных аппаратов.
Главной проблемой при разработке любых систем принудительного зажигания топливных смесей является повышение надежности воспламенения без существенного повышения затрат энергии на процесс зажигания. При импульсном зажигании скоростных потоков горючей смеси не менее важным является повышение концентрации энергии в зажигающем импульсе и увеличение его мощности.
Известные устройства для зажигания топливных смесей различаются видом воспламеняющих физических средств. Например, горючую смесь поджигают воздействием энергетического импульса лазерного излучения (RU 2309288, F02P 23/04, 27.10.2007; RU 2065990, F02P 23/04, 1994); используют для воспламенения смесей микроволновый СВЧ-разряд (RU 2346418, H05H 1/46, H05H 7/18, 10.02.2009; RU 2266629, H05H 1/46, 20.12.2005). Известны способы воспламенения, основанные на газодинамическом принципе зажигания топлива - реакция горения инициируется нагревом топливной смеси на поверхности полого газодинамического резонатора, разогрев которого осуществляется за счет собственной внутренней энергии сжатого газа при возбуждении акустических колебаний (RU 2334916, F23Q 13/00, 27.09.2008; RU 2319076, F23Q 13/00, F23D 13/00, 10.03.2008; RU 2175743, F23Q 13/00, 10.11.2001). Для разжигания топлива с плохой воспламеняемостью используют воздушные плазмотроны (RU 2300053, F23Q 9/00, 27.05.2007).
Наиболее распространенными являются электрозапальные факельные устройства, использующие для создания факела, обеспечивающего воспламенение основных расходов топлива, простое по исполнению искровое зажигание.
Известно устройство для зажигания газовой топливной смеси (водород/кислород), содержащее смесительную головку и камеру, где формируется запальный факел. В смесительной головке установлена электросвеча зажигания. Камера заканчивается коническим соплом. Конструкция данного запального устройства позволяет формировать устойчивый факел с практически равномерным распределением температур в поперечном сечении и обеспечивает его надежную воспламеняющую способность (RU 2084767, F23Q 3/00, 20.07.1997; RU 2374560, F23Q 9/00, 27.11.2009). Недостатками данного известного устройства для зажигания горючей смеси являются сложность конструкции и непригодность для работы на жидком топливе, что существенно ограничивает область его применения.
и
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является пусковой факельный воспламенитель, предназначенный для зажигания топлива в камере сгорания газотурбинных двигателей самолетов, описанный в патенте RU 2269019, F02C 7/266, 20.03.2006 (прототип). Воспламенитель-прототип содержит корпус с расположенной в нем камерой сгорания. В корпусе установлены топливная форсунка, свеча зажигания и пламеперебрасывающее устройство. Воздух в камеру сгорания подается через каналы вдоль ее стенки в направлении к топливной форсунке и дополнительно через воздушную струйную форсунку под сверхкритическим перепадом давления в направлении пламеперебрасывающего устройства. Воспламенитель-прототип не содержит специальных устройств для стабилизации фронта пламени, и без осуществления аэродинамической стабилизации пламени путем подачи воздушной струи под сверхкритическим перепадом давления невозможно устранить длительные срывы факела пламени. Благодаря включению в конструкцию устройства-прототипа воздушной струйной форсунки и высокой частоте искрообразования (включения свечи) (f), достигающей 10-30 Гц, удается повысить устойчивость факела пламени, пульсирующего с частотой, примерно равной частоте зажигания.
Однако устройство-прототип недостаточно надежно, так как его конструкция не обеспечивает эффективного перемешивания топливно-воздушной смеси (ТВС), что приводит к неоднородности ТВС в камере сгорания воспламенителя и малому количеству паров горючего в ТВС в окрестности источника зажигания (свечи) - в результате падает эффективность процесса зажигания, не достигается полное сгорание ТВС и затрудняется стабилизация фронта пламени. Аэродинамическая стабилизация фронта пламени при помощи одиночной воздушной струи недостаточно надежна и вместо стабилизации может привести к срыву пламени. К тому же одиночная воздушная струя может приводить к неполному сгоранию топлива вследствие увлечения несгоревшего топлива в пламеперебрасывающее устройство. Отсутствие сопла на выходе из воспламенителя увеличивает степень его ненадежности при понижении давления в объекте зажигания; например при полете на больших высотах. Устройство-прототип предназначено для газотурбинных двигателей с дефлаграционным сжиганием топлива и непригодно для использования в силовых и энергетических установках с детонационным сжиганием топлива, работающих в режиме перехода горения в детонацию.
Задачей изобретения является создание более надежного устройства для импульсного зажигания горючей смеси, которое благодаря обеспечению эффективного перемешивания топлива с воздухом и повышения содержания паров жидкого горючего в ТВС в окрестности источников зажигания позволит надежно воспламенять ТВС с гарантией быстрого и полного ее сгорания с образованием высокоскоростной турбулентной струи высокотемпературных продуктов горения, способной глубоко проникать в объект зажигания, интенсивно смешиваться с горючей смесью и поджигать ее в большом объеме с последующим мощным объемным энерговыделением. Устройство должно быть пригодно для использования в силовых и энергетических установках как с дефлаграционным, так и с детонационным сжиганием топлива, работающих при различных атмосферных условиях.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым устройством для импульсного зажигания горючей смеси, содержащим корпус с расположенной в нем камерой сгорания, топливную форсунку, источник зажигания и канал для подвода воздуха, которое, согласно изобретению, дополнительно содержит канал смешения, соединенный с топливной форсункой и каналом для подвода воздуха, снабженным на выходе регулятором расхода воздуха, причем соединение канала смешения с топливной форсункой выполнено с возможностью подачи струй топлива перпендикулярно потоку воздуха, на выходе из канала смешения установлен жиклер, камера сгорания окружена воздушной рубашкой охлаждения, соединенной через канал для подвода воздуха с каналом смешения, и имеет несколько источников зажигания, разнесенных по ее длине, на выходе камеры сгорания установлена суживающаяся коническая труба, оканчивающаяся соплом.
Жиклер имеет один входной канал, соединяющий его с каналом смешения и, как минимум, два выходных канала, соединяющих его с камерой сгорания и выполненных под углом 30-60 градусов к ее продольной оси.
Регулятор расхода воздуха может быть выполнен в виде регулировочного винта или электромагнитного регулятора.
Источники зажигания могут быть ориентированы перпендикулярно или под углом к продольной оси камеры сгорания.
Сопло может быть выполнено в виде сопла Лаваля.
При разработке заявляемого устройства были проведены экспериментальные исследования влияния параметров устройства на эффективность и надежность процесса зажигания и на возможность достижения максимальной мощности зажигающего импульса. В результате проведенных испытаний было установлено, что при работе воспламенителя на жидком топливе принципиально важным является содержание паров горючего в ТВС, подаваемой в камеру сгорания воспламеняющего устройства, что потребовало включения в конструкцию предлагаемого устройства канала смешения. Было также установлено, что для обеспечения высокой полноты сгорания топлива и увеличения скорости энерговыделения в объеме камеры сгорания устройства с тем, чтобы горение в камере протекало с повышением давления, одного источника зажигания недостаточно, необходимо несколько источников зажигания, при этом оптимальным является установка четырех источников зажигания вдоль камеры сгорания. Предлагаемое устройство эффективно работает как на жидком, так и на газообразном топливе.
На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства.
Устройство содержит корпус 1 с расположенной в нем камерой сгорания К, топливную форсунку 2, источники зажигания 3 и 4, канал смешения 5, соединенный с каналом для подвода воздуха 6. Камера сгорания К окружена воздушной рубашкой охлаждения 7 с входным патрубком 8, соединенной через канал для подвода воздуха 6 с каналом смешения 5. На выходе из канала смешения 5 установлен жиклер 9, имеющий входной канал А и выходные каналы Б, выполненные под углом 30-60 градусов к продольной оси камеры сгорания. На выходе канала для подвода воздуха 6 установлен регулятор расхода воздуха 10 (регулировочный винт или электромагнитный регулятор). На выходе камеры сгорания установлена суживающаяся коническая труба 11, оканчивающаяся соплом 12.
Предлагаемое устройство работает следующим образом (для определенности приведено описание работы устройства на жидком топливе с четырьмя источниками зажигания).
Камера сгорания (К) заполняется воздухом через входной патрубок (8) рубашки охлаждения (7), канал для подвода воздуха (6) с регулятором расхода (10), канал смешения (5) и жиклер (9). Затем через топливную форсунку (2) в канал смешения (5) впрыскивается порция жидкого топлива, причем струи топлива подаются перпендикулярно потоку воздуха. Топливо, смешиваясь с воздухом в канале смешения (5) и входном канале (А) жиклера (9), образует богатую двухфазную горючую смесь, заполняющую через выходные каналы (Б) жиклера камеру сгорания (К). Поскольку выходные каналы (Б) жиклера выполнены под углом к продольной оси канала смешения (5) и камеры сгорания (К), а скорость истечения двухфазной смеси из каналов жиклера велика, в полости камеры сгорания формируется турбулентное течение с тороидальным центральной и периферийной зонами обратных токов. При этом происходит дополнительное смешение компонентов смеси, сопровождающееся дополнительным испарением топлива. Горючая смесь зажигается одновременно четырьмя источниками зажигания: двумя, расположенными в окрестности жиклера в торцевой части камеры сгорания (3), и двумя источниками зажигания, расположенными в конце камеры сгорания (4), что приводит к образованию четырех очагов турбулентного пламени, которые, быстро увеличиваясь в размерах, распространяются на все сечение камеры сгорания и охватывают порцию свежей ТВС, оказавшуюся между ними, тем самым предотвращая вытеснение свежей непрореагировавшей ТВС в суживающуюся коническую трубу (11). Многоточечное зажигание увеличивает суммарную поверхность пламени и, следовательно, суммарную скорость горения и обеспечивает высокую полноту сгорания ТВС. За счет этого горение в камере идет с повышением давления и повышением конечной температуры продуктов горения, которые устремляются в суживающуюся коническую трубу (11), где они ускоряются до звуковой скорости с образованием высокоскоростной турбулентной струи высокотемпературных продуктов горения. На выходе из суживающейся конической трубы (11) продукты горения проходят через сопло (12), которое дополнительно увеличивает скорость истечения струи (сопло Лаваля до сверхзвуковой скорости). Такая импульсная высокоскоростная турбулентная струя высокотемпературных продуктов горения обеспечивает надежное зажигание в различных технических системах, включая силовые и энергетические установки с детонационным сжиганием топлива, работающие в режиме перехода горения в детонацию.
В предлагаемом устройстве обеспечивается эффективное перемешивание топлива с воздухом благодаря поперечной подаче струй горючего в поток нагретого воздуха в канале смешения. Температура воздуха регулируется рекуперативным теплообменом через тонкую стенку рубашки охлаждения. Возможность регулирования расхода воздуха (с помощью регулировочного винта или электромагнитного регулятора) позволяет управлять составом ТВС и увеличивать содержание паров горючего в ней. Одновременное срабатывание нескольких источников зажигания (в оптимальном варианте 4 свечи), распределенных по длине камеры сгорания (многоточечное зажигание), обеспечивает высокую надежность воспламенения, высокую скорость горения в объеме камеры и высокую полноту сгорания смеси. Действительно, состав ТВС по длине камеры сгорания изменяется: средняя концентрация паров топлива в двухфазном газо-капельном потоке увеличивается по направлению к соплу. Это означает, что даже если концентрация паров топлива недостаточна для зажигания смеси свечой, расположенной в окрестности жиклера (свеча 3 на фиг.1), зажигание будет обеспечено другими источниками, расположенными ниже по течению. Как уже упоминалось, многоточечное зажигание увеличивает суммарную поверхность пламени и, следовательно, суммарную скорость горения. За счет высокой скорости и полноты сгорания топлива горение в камере идет с повышением давления, что приводит к повышению температуры продуктов горения и увеличению скорости их истечения через сопло, то есть к увеличению концентрации энергии в импульсе и увеличению мощности зажигающего импульса. Все это обеспечивает глубокое проникновение высокотемпературных продуктов горения в объект зажигания, их интенсивное турбулентное смешение с большим объемом горючей смеси в объекте зажигания и последующее мощное объемное энерговыделение в объекте зажигания. Эти качества предлагаемого устройства импульсного зажигания позволяют использовать его даже при низких давлениях в объекте зажигания.
Экспериментальный образец устройства для импульсного зажигания прошел успешные испытания. В торцевой части камеры сгорания внутренним диаметром 28 мм и длиной 72 мм под углом 30° устанавливали две автомобильные свечи зажигания и автомобильную топливную форсунку автомобиля ВАЗ 2110. В канале смешения устанавливали жиклер с входным каналом диаметром 2.6 мм и четырьмя выходными каналами диаметром 2 мм каждый, выполненными под углом 30° к оси входного канала. В боковой стенке камеры сгорания перпендикулярно ее оси устанавливали еще две автомобильные свечи зажигания. На выходе из камеры сгорания устанавливали суживающуюся коническую трубу с углом раствора 6° длиной 125 мм. На выходе из конической трубы устанавливали сопло, имеющее следующие параметры: прямой конус - угол раствора 40°, длина 8 мм. В камеру сгорания непрерывно подавали воздух со скоростью 4-6 л/мин (скорость подачи устанавливается регулятором расхода воздуха на выходе из канала для подвода воздуха) и впрыскивали топливо (автомобильный бензин А-95) с различной частотой и длительностью подачи. При этом подбирали оптимальные частоту и длительность искрового разряда свечей зажигания. Максимальная частота истечения струй высокотемпературных продуктов горения (60 Гц) была достигнута при длительности подачи топлива 7 мс и длительности искрового разряда 3 мс. При этом температура корпуса камеры сгорания и жиклера не превышала 110°С и 350°С, соответственно, что гарантирует отсутствие самовоспламенения горючей смеси за время ее пребывания в устройстве. Устройство демонстрировало надежную работу как в открытой атмосфере, так и при размещении выходной части устройства в имитаторе камеры сгорания импульсно-детонационного двигателя объемом 2 литра. На фиг.2 показаны осциллограммы давления (верхняя кривая) в имитаторе камеры сгорания импульсно-детонационного двигателя при устойчивой работе предлагаемого импульсного зажигающего устройства с частотой 53 Гц, при этом на выходе из конической трубы устройства устанавливали сопло Лаваля, имеющее следующие параметры: прямой конус - угол раствора 40°, длина 8 мм, цилиндрическая втулка длиной 10 мм, обратный конус - угол раствора 10°, длина 11 мм. На фиг.3 показана кинограмма рабочего процесса, осциллограмма давления которого представлена на фиг.2.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять надежное импульсно-струйное зажигание высокоскоростных потоков гомогенной или гетерогенной горючей смеси, так как благодаря обеспечению эффективного перемешивания топлива с воздухом и повышения содержания паров жидкого топлива в ТВС в окрестности источников зажигания позволяет надежно воспламенять ТВС и гарантирует быстрое и полное ее сгорание с образованием высокоскоростной турбулентной струи высокотемпературных продуктов горения, способной глубоко проникать в объект зажигания, интенсивно смешиваться с горючей смесью и поджигать ее в большом объеме с последующим мощным объемным энерговыделением. Устройство пригодно для использования в силовых и энергетических установках как с дефлаграционным, так и с детонационным сжиганием топлива, работающих при различных атмосферных условиях.