МНОГОТРУБНЫЙ БЕСКЛАПАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ИМПУЛЬСНОЙ ДЕТОНАЦИЕЙ
MULTITUBE VALVELESS ENGINE WITH PULSE DETONATION

Настоящая заявка притязает на приоритет заявки США 61/354,829, поданной 15 июня 2010 г. и включенной в описание посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к генерированию энергии при горении, в особенности к импульсному детонационному горению.
Уровень техники
В последние несколько десятилетий наблюдается значительный интерес к технологии импульсной детонации в связи с ее потенциальными возможностями высокоэффективного генерирования энергии. Были выполнены значительные исследования по технологии, реализации и совершенствованию устройств импульсной детонации. Одна из основных проблем в области устройств импульсной детонации заключается в управлении импульсами давления, возникающими в процессе детонации, и в изоляции от их воздействия подающего трубопровода. Существует ряд патентов на различные впускные клапаны для двигателей с импульсной детонацией. Был проведен ряд исследований по созданию пассивных аэродинамических элементов, работающих подобно активным клапанам. Эти элементы в устройстве сгорания снижают в процессе детонации обратное давление на подающий трубопровод, не используя подвижных частей. Такие устройства сгорания называются двигателями (устройствами сгорания) с импульсной детонацией.
Раскрытие изобретения
Предложен бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, включающий несколько детонационных труб, причем каждая детонационная труба имеет независимое разгрузочное выпускное отверстие. Эти несколько детонационных труб соединены друг с другом в общем отверстии впуска воздушно-топливной смеси. В предлагаемом двигателе воздушно-топливная смесь детонирует в детонационных трубах одновременно, и общее отверстие впуска воздушно-топливной смеси минимизирует обратное давление, вызванное детонацией воздушно-топливной смеси, направляя несколько обратных ударных волн друг на друга, эффективно используя обратные давления как реактивные фронты друг для друга и эффективно снижая воздействие ударных волн, распространяющихся назад, в направлении вверх по потоку.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, упомянутый выше, может, далее, включать турбулизаторы, расположенные в детонационных трубах, причем турбулизаторы выполнены с возможностью увеличения скорости распространения пламени. Эти турбулизаторы могут включать улитку по длине участка детонационной камеры каждой детонационной трубы.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, описанный выше, может, далее, включать геометрические элементы, расположенные во впускных отверстиях камер сгорания, эти геометрические элементы выбраны из группы, включающей сужающиеся сопла, расширяющиеся сопла, пористые пластины и гидравлические диоды. Эти геометрические элементы в значительной мере ограничивают распространение волны назад, в сравнении с распространением волны вперед.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией согласно пункту 1 формулы, в котором общее отверстие впуска воздуха, далее, включает впускной воздушный клапан.
Предложенный бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией может быть выполнен так, чтобы выпускные отверстия всех детонационных труб соединялись в одно выхлопное отверстие. Этот вариант осуществления может включать объединенное сужающееся насадочное сопло.
Предложенный бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией в одном из вариантов выполнен так, чтобы выход детонационных труб соединялся с турбиной, которая, в свою очередь, выполнена так, чтобы генерировать механическую мощность в результате процесса сгорания в бесклапанном многотрубном двигателе с импульсной детонацией. Эта турбина в одном из вариантов представляет собой устройство движения объемного типа. Один вариант такого устройства движения объемного типа раскрыт в патенте США №5,755,196, включенном в настоящее описание посредством ссылки.
В одном из вариантов осуществления детонационные трубы непрямолинейны. В описании показан один пример непрямолинейной конфигурации, в котором непрямолинейные детонационные трубы включают дугу с углом, существенно равным 180°.
Предложен бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, включающий несколько детонационных труб, причем каждая детонационная труба включает независимое выпускное отверстие. В одном из вариантов несколько детонационных труб соединены друг с другом в общем отверстии впуска воздуха, причем каждая детонационная труба, далее, включает, по меньшей мере, один топливный инжектор, гидравлически связанный с детонационной трубой для подачи в нее топлива. Этот вариант осуществления может быть выполнен так, чтобы воздушно-топливная смесь детонировала в детонационных трубах одновременно, причем общее отверстие впуска воздуха выполнено таким образом, чтобы минимизировать обратное давление, направляя обратные ударные волны друг на друга, эффективно используя их ударные давления как реактивные фронты друг для друга и эффективно снижая воздействие ударных волн, распространяющихся назад, в направлении вверх по потоку.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, упомянутый выше, может, далее, включать турбулизаторы, расположенные в детонационных трубах, причем турбулизаторы выполнены регулируемыми для увеличения скорости распространения пламени. Эти турбулизаторы могут включать улитку по длине участка детонационной камеры каждой детонационной трубы.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, упомянутый выше, может, далее, включать геометрические элементы во впускных отверстиях камер сгорания, эти геометрические элементы могут представлять собой сужающиеся или расширяющиеся сопла, пористые пластины или гидравлические диоды, которые в значительной мере ограничивают распространение волны назад, в сравнении с распространением волны вперед. Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, упомянутый выше, может включать воздушный клапан в общем отверстии впуска воздуха.
Предложенный бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией может быть выполнен так, чтобы выпускные отверстия всех детонационных труб соединялись в одно выхлопное отверстие. В одном из вариантов используется объединенное сужающееся насадочное сопло для преобразования независимых выпускных отверстий в одно выхлопное отверстие. Это выхлопное отверстие детонационных труб может быть соединено с турбиной, то есть с устройством движения объемного типа, так чтобы генерировать механическую мощность, используя продукты сгорания.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией может быть выполнен так, чтобы детонационные трубы были непрямолинейны. Непрямолинейные детонационные трубы могут включать дугу с углом до 180° или больше.
Краткое описание графических материалов
На ФИГ.1 показана аксонометрическая проекция устройства сгорания в одном из вариантов осуществления.
На ФИГ.2 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, первая стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания.
На ФИГ.3 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, вторая стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания.
На ФИГ.4 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, третья стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания и впускном коллекторе.
На ФИГ.5 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, четвертая стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания и впускном коллекторе.
На ФИГ.6 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, пятая стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания и отверстии для впуска воздуха.
На ФИГ.7 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, шестая стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания.
На ФИГ.8 показан вариант осуществления устройства сгорания с насадочным соплом и одним выхлопным отверстием.
На ФИГ.9 показана аксонометрическая проекция варианта осуществления с непрямолинейной трубой устройства сгорания.
На ФИГ.10 показан вид спереди или сзади варианта осуществления, изображенного на ФИГ.9.
На ФИГ.11 показан вид сбоку варианта осуществления, показанного на ФИГ.9.
На ФИГ.12 показан на виде сбоку с частичным разрезом вида спереди вариант осуществления, изображенный на ФИГ.9.
Осуществление изобретения
Многотрубное бесклапанное устройство сгорания, раскрытое здесь в одном из вариантов, включает впускную часть, камеры воспламенения, детонационные камеры и выпускное сопло (выпускные сопла). Устройство сгорания работает без движущихся частей (исключая топливный инжектор), и на пути прохода воздуха не используется клапанов. Работой устройства сгорания управляют воздушной заслонкой, впрыском топлива и системой зажигания.
Конструкция устройства сгорания
Как показано на ФИГ.1, устройство сгорания 1 в одном из вариантов осуществления работает по принципу импульсной детонации, при которой топливо сгорает мгновенно (детонирует) при постоянном объеме, образуя продукты сгорания высокого давления и высокой температуры, которые выходят через выпускное отверстие 2 устройства сгорания.
Как показано на частичном разрезе ФИГ.2, воздух поступает в устройство сгорания через отверстие 5 для впуска воздуха. Поступающий воздух может быть предварительно подогрет до входа в устройство сгорания выхлопом или теплом, переданным через стенки устройства сгорания. Топливо впрыскивается в поток воздуха и смешивается с воздухом во впускном коллекторе 4. Впускной коллектор имеет одно отверстие 5 для впуска воздуха и несколько выпускных отверстий 6 коллектора. Каждое выпускное отверстие коллектора соединено с одной детонационной трубой 7. Каждая детонационная труба 7 включает камеру сгорания 8 и детонационную камеру 9.
В то время как само устройство сгорания может быть бесклапанным, впускной воздушный клапан 32 может быть использован снаружи самого устройства сгорания.
Для улучшения смешивания воздуха и топлива во впускном коллекторе могут быть использованы турбулизаторы 13, например спирали Щепкина. Камера сгорания и впускной коллектор могут быть оснащены рассеивающими элементами, которые равномерно распределяют воздух/топливо между детонационными трубами 7, в то же время минимизируя обратное течение во впускных отверстиях 3 камер в процессе горения и детонации. Рассеивающими элементами могут быть сужающиеся/расширяющиеся сопла, пористые пластины, поверхностные неровности или иные геометрические или аэродинамические элементы в каком-то из вариантов осуществления. В одном из вариантов осуществления для управления горением не используются движущиеся части в потоке воздуха.
В одном из режимов работы, показанном на ФИГ.2-7, когда камера сгорания 8 и детонационная камера 9 существенно заполнены требуемым объемом воздушно-топливной смеси, процесс впрыска топлива останавливается. После определенного запаздывания активируются воспламенители 10 и горения инициируется. Фронт 11 пламени в камере сгорания вначале имеет существенно сферическую форму, как показано на ФИГ.2 и 3. По мере продолжения горения фронт пламени расширяется, продвигаясь через негорящую смесь 12. По мере выделения тепла горения фронт пламени ускоряется до высоких скоростей вследствие выделения тепла в ограниченном объеме. Ускорение пламени может быть повышено применением турбулизаторов, например спиралей Щепкина или аналогичных устройств. Скорость пламени возрастает до достижения условия Чепмена-Жуге (C-J), после чего фронт пламени движется со сверхзвуковой постоянной скоростью. Фронт пламени при этом условии соединяется (сцепляется) с ударной волной сжатия, что увеличивает давление и температуру продуктов сгорания в ходе процесса детонации в постоянном объеме. Условие C-J определяет пиковые значения давления детонации и скорости пламени и зависит от типа топлива, детонирующей смеси, давления и температуры. Таким образом, детонация приводит к повышению давления и температуры продуктов сгорания 15. Давление газообразных продуктов сгорания выше давления воздуха во впускной части. Поэтому ударные волны 16 распространяются к входу устройства сгорания, как показано на ФИГ.3. Если имеется несколько камер сгорания при каждой детонации, несколько ударных волн распространяются одновременно. Следовательно, эти ударные волны сходятся во впускном коллекторе 4, как показано на ФИГ.6. Схождение ударных волн и рассеивающие элементы во впускном коллекторе 4 снижают обратное давление; таким образом, в детонационной трубе давление возрастает при значительном снижении воздействий обратного давления на впускной поток. Это вызывает рост давления в детонационной трубе, который приводит к высоким осевым усилиям, воздействующим на упорную пластину 17 в применениях для создания тяги или к высоким давлениям в выпускном отверстии устройства сгорания для совершения работы и генерирования энергии турбиной. Отверстие 5 для впуска воздуха может быть выполнено с элементами, которые минимизируют обратное давление на трубопровод подачи воздуха.
Детонационные трубы могут иметь независимые выходы или, в варианте осуществления ФИГ.8, выходы двух или нескольких детонационных труб 18 могут соединяться в объединенное насадочное сопло 19, образуя одно выхлопное отверстие 20. Ударные волны направляются к выпускному соплу, которое может быть открыто в окружающую среду (для создания тяги) или смонтировано с расширителем для создания механической мощности. Когда детонация закончена, давление в камере сгорания начинает падать и воздух поступает в устройство сгорания для процесса продувки. После окончания процесса продувки вновь инициируется впрыск топлива для следующего цикла детонации.
Устройство сгорания с импульсной детонацией показано в одном из вариантов с двумя или несколькими детонационными патрубками (трубами). Все детонационные трубы могут быть задействованы существенно одновременно.
Каждая детонационная труба 7 питается своей камерой сгорания 8, причем отдельные трубы 7 выполнены так, чтобы их ударные волны взаимодействовали, минимизируя обратное течение во впускном коллекторе 4 в ходе детонационной стадии с высоким давлением.
В одном из вариантов осуществления отверстия 3 для впуска воздуха в каждую камеру сгорания 8 выполнены так, чтобы к отверстию 5 для впуска воздуха передавались минимальные обратные давления.
Выпускные отверстия 2 детонационных труб 7 могут быть соединены в один выход 20, как показано на ФИГ.8, или в несколько выходов, как показано на ФИГ.1-6. Детонационный выход может быть в окружающую среду (в применениях для создания тяги) или на одну или несколько турбин для создания мощности на валу.
Имеется три релевантных патента, которые раскрывают бесклапанную работу устройств импульсной детонации. Два из этих устройств сгорания управляются только системой зажигания, поскольку в них отсутствует управление впрыском топлива. Поэтому в таких устройствах сгорания существует непрерывный поток воздуха и топлива и нет возможности провести эффективную продувку продуктов сгорания перед следующим циклом впрыска топлива. Одна идея, раскрытая в заявке United Technologies (США №6,584,765), включенной в настоящее описание посредством ссылки, заключается в использовании угловых вводов воздуха и топлива для продвижения смеси к свече зажигания, расположенной у закрытого конца устройства сгорания. Кроме того, использован вращающийся диск для впрыска воздуха и топлива. Но хотя это изобретение названо "бесклапанный" импульсный детонационный двигатель (PDE, pulse detonation engine - ИДД, импульсный детонационный двигатель), во впускном отверстии использован клапан. Это изобретение работоспособно при выходном давлении, близком к вакууму, и предложено для создания тяги в космических аппаратах. Другая идея раскрыта в заявке Shimo с сотр. (заявка США 2007/0245712), также включенной в настоящее описание посредством ссылки; в этой заявке предложена комбинация пористой пластины, большой камеры сгорания и длинной впускной части, чтобы снизить обратное давление в подающем трубопроводе.
В американском патенте компании General Electric №6,666,018 В2, также включенном в настоящее описание посредством ссылки, предложен гибридный импульсный детонационный двигатель, соединенный с обычным реактивным двигателем. В патенте утверждается, что "в одном из вариантов осуществления система управляется бесклапанной системой с непрерывной детонацией, которая включает устройство предварительного горения". Это указано в ссылке на двухступенчатое устройство сгорания с импульсной детонацией, предложенное в патенте США 6,983,586. В этом изобретении устройства импульсной детонации используются в обычном реактивном двигателе в качестве основных или усилительных устройств сгорания. В патенте описаны многотрубные, автономные устройства импульсной детонации, которые работают независимо. Каждое устройство сгорания работает независимо от других устройств сгорания, и эффект детонации в одном устройстве сгорания не влияет на другие детонационные трубы. Эта идея существенно отличается от идеи, представленной в настоящей заявке, в которой все детонационные трубы взаимодействуют друг с другом. Другие новые особенности этой заявки включают новое устройство смешивания воздуха с топливом, устройство предварительного нагрева воздуха и впускной воздушный коллектор.
Устройство, предложенное в настоящем документе, отличается от предшествующих конструкций несколькими указанными ниже особенностями. Предложенное устройство сгорания 1 является многотрубным устройством сгорания с импульсной детонацией. Детонационные трубы 7 работают синфазно, и детонация осуществляется одновременно во всех детонационных камерах 9. В известных многотрубных устройствах сгорания детонация в отдельных детонационных трубах осуществляется, как правило, с разнесением по времени, чтобы снизить удары и колебания мощности в процессе работы.
В одном из вариантов осуществления отверстие 5 для впуска воздуха распределено на несколько детонационных камер 9. Волны обратного давления, выходя через детонационные трубы 7 к отверстиям 3 для впуска воздуха камер, ослабляются рассеивающими элементами, а, кроме того, направляются так, чтобы они сходились в одной зоне во впускном коллекторе 4 и гасили друг друга. Это гашение импульсов детонации снижает влияние обратного давления на вход 5. Несколько предшествующих патентов на многотрубные устройства сгорания описывают несоединенные впускные отверстия отдельных детонационных труб, чтобы каждая жаровая труба могла работать независимо от других труб.
В предложенном устройстве сгорания 1, по меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, может использоваться пористая пластина или другие рассеивающие элементы, чтобы снизить воздействие обратного давления детонации на впуск 3 воздуха. Такой эффект дают сужающиеся/расширяющиеся сопла, а также схождение и взаимодействие импульсов давления. Несколько предшествующих патентов предлагают использовать механический клапан; однако, имеется ряд патентов на бесклапанное устройство сгорания с импульсной детонацией, например патентная заявка США 2007/0245712 А1, включенная в настоящее описание посредством ссылки, описывает бесклапанное функционирование. Эта известная конструкция требует применения пористой пластины, чтобы снизить воздействие ударной волны на трубопровод выше по потоку и всасывающий патрубок.
Жаровая труба может быть криволинейной, изогнутой, спиральной или иным образом непрямолинейной, как показано на ФИГ.9-12. В одном варианте осуществления жаровая труба может быть изготовлена из нескольких U-образных труб, соединенных вместе. В другом варианте осуществления жаровая труба может иметь форму спирали. Радиус изгиба устройства сгорания должен быть больше диаметра камеры сгорания для поддержания скорости распространения волны детонации в процессе работы. Кривизна камеры сгорания может не исключать потребности в турбулизаторах (напр., спиралях Щепкина), и ускорители распространения пламени могут быть включены для уменьшения расстояния перехода горения в детонацию (DDT, deflagration-to-detonation transition - переход горения в детонацию). Может оказаться желательным, чтобы контуры ускорителей распространения пламени повторяли контуры устройства сгорания.
В выхлопном отверстии устройства сгорания, выше по потоку относительно входа расширителя, могут быть использованы выпускные сопла, чтобы увеличить давление потока при его входе в расширитель. Такое сопло может иметь различные профили изменения поперечного сечения (сужающиеся или расширяющиеся), в зависимости от применяемого расширителя и рабочей нагрузки. Так, например, если требуется высокое давление, используется расширяющееся сопло для уменьшения скорости поток и увеличения давления газа на входе расширителя.
Устройство сгорания может быть сконструировано с одной или несколькими камерами сгорания и детонации, причем все спаренные комбинированные камеры сгорания/детонации работают как автономные системы горения с отдельными выходами, которые соединены и направлены к турбине. В этом варианте исполнения процессы горения в детонационных камерах могут осуществляться, скорее, последовательно, чем одновременно, что обеспечивает более равномерную подачу энергии на турбину.
ФИГ.1-12 показывают другие виды многотрубных устройств сгорания с импульсной детонацией. Воздух и топливо могут смешиваться выше по потоку и поступать в камеры сгорания через впускные патрубки. После впрыскивания требуемого количества горючей смеси, топливные инжекторы закрываются, и в камерах сгорания одновременно от нескольких воспламенителей начинается зажигание. Воспламенителем может быть запальная свеча, лазер, плазма или иной воспламенитель. Фронт пламени ускоряется, проходя через ускорители распространения пламени в детонационных трубах. Ускорителем распространения пламени может быть любой элемент, создающий турбулентность в детонационной трубе. Выходы двух жаровых труб могут быть независимыми (как показано на ФИГ.1-3) или объединенными (как показано на ФИГ.4-6). Ударные волны и продукты сгорания выходят через выпускное отверстие под высоким давлением и при высокой температуре. Устройство сгорания затем продувается, и запускается следующий цикл детонации.
На ФИГ.1 изображен вариант осуществления устройства сгорания с шестью круглыми детонационными камерами. Настоящее предложение двигателя не предполагается ограниченным вариантом осуществления с шестью детонационными камерами и включает варианты осуществления с двумя или несколькими детонационными камерами.
ФИГ.2-7 показывают поперечное сечение устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, а также процесс детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания.
На ФИГ.8 показан вариант осуществления устройства сгорания с объединенным соплом и одним выпускным отверстием. Выходы жаровых труб могут быть соединены вместе с образованием одного объединенного выпускного отверстия для всех жаровых труб устройства сгорания. Поскольку в одном из вариантов осуществления все детонационные камеры работают существенно одновременно, для выходного сопла без ускоряющего эффекта площадь поперечного сечения единственного выпускного отверстия может быть равна сумме поперечных сечений всех детонационных камер. Однако выход может включать комплект сопла (сужающегося или расширяющегося), которое регулирует выходные условия (давление, температуру и скорость) в зависимости от рабочей точки камеры сгорания. Например, на ФИГ.9 поперечное сечение выходного сопла 22 может быть меньше суммарной площади поперечных сечений четырех камер сгорания 28, образующих объединенное сужающееся выпускное сопло 22.
В одном из вариантов осуществления многотрубного бесклапанного устройства сгорания 21 детонационные камеры соединены друг с другом через впускной коллектор 24, как показано на ФИГ.12, и изменение давления в одной камере сгорания 28 будет влиять на другие детонационные камеры.
Детонационная труба 27 устройства импульсной детонации, или многотрубного устройства сгорания 21 может быть изогнутой или криволинейной, как показано на ФИГ.9-12. Там, где возможно, элементы криволинейной конструкции, показанной на ФИГ.9-12, обозначены теми же номерами, что и в предшествующих вариантах осуществления, с цифрой 2 впереди. К примеру, в криволинейном варианте осуществления детонационные камеры обозначены номером 27, тогда как в предшествующих вариантах осуществления для обозначения каждой детонационной камеры использовался номер 7. Детонационная камера 27 многотрубного устройства сгорания может быть криволинейной, изогнутой или согнутой под углом. Опыты подтвердили, что волна детонации может идти вдоль непрямолинейной оси детонационной камеры при малой кривизне изгибов 31. Таким образом, камера сгорания 28 может быть криволинейной, изогнутой или иным образом непрямолинейной для создания более компактной конструкции. Такая изогнутая конструкция применима для однотрубных или многотрубных устройств сгорания.
В то время как в варианте осуществления, изображенном на ФИГ.9-12, показано одно объединенное выпускное отверстие, функционально аналогичное показанному на ФИГ.7 предшествующему варианту осуществления, для альтернативных вариантов применения то же самое криволинейное устройство детонационных труб 27 может быть использовано в устройстве с несколькими выпускными отверстиями, как показано на ФИГ.1.
Хотя настоящее изобретение проиллюстрировано описанием нескольких вариантов осуществления и хотя эти иллюстративные варианты осуществления описаны подробно, описание не предназначено заявителем для того, чтобы сузить или любым образом ограничить объем настоящего изобретения указанными деталями. Специалист легко сможет создать дополнительные преимущества и ввести модификации, не отступающие от объема прилагаемой формулы изобретения. Таким образом, настоящее изобретение в его расширительном толковании не ограничивается конкретными деталями, характерными устройствами и способами, а также показанными и описанными иллюстративными примерами. Соответственно, возможны отступления от таких деталей, не отступающие от смысла или объема общей идеи изобретения.