СПОСОБ ЗАЖИГАНИЯ ПОТОКА ГОРЮЧЕЙ СМЕСИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR IGNITION OF FUEL MIX FLOW AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретение относится к способам и устройствам для воспламенения топлива в различных энергетических установках и может быть использовано для зажигания скоростных потоков гомогенных и гетерогенных горючих смесей в различных технологических устройствах и энергетических установках, в частности в импульсно-детонационных двигателях летательных аппаратов.
Главной проблемой при разработке способов зажигания скоростного потока горючей смеси и при создании энергетических установок, работающих в высокочастотном импульсном режиме, является быстрое и надежное воспламенение скоростного потока горючей смеси при минимальных затратах энергии на процесс воспламенения.
Известны способ зажигания топливной смеси в камере сгорания ракетных и других двигателей и устройство для его осуществления, описанные в патенте RU 2339840, F02P 23/04, 27.11.2008. Устройство для осуществления данного способа содержит камеру свечи с выходом в камеру сгорания двигателя, трубопроводы для раздельной подачи горючего и окислителя в камеру сгорания двигателя и автономные вводы для подачи горючего и окислителя в камеру свечи, связанные с соответствующими трубопроводами для раздельной подачи горючего и окислителя в камеру сгорания двигателя. В качестве источника энергии для свечи используется импульсный лазер. Энергию импульсного лазера по световоду направляют с фокусировкой на топливную смесь в объеме камеры свечи, где в реакционной зоне вблизи фокуса создают объемный электрический разряд и поджигают топливную смесь, из которой формируют в процессе горения плазменный факел из камеры свечи в камеру сгорания двигателя и поджигают им топливную смесь в камере сгорания двигателя. Основным недостатком данного известного решения является сложность конструкции устройства, обусловленная необходимостью использования в качестве источника энергии импульсного лазера, а также необходимостью обязательной раздельной подачи горючего и окислителя в камеру сгорания и в камеру свечи, что ведет к росту стоимости устройства и снижению его надежности.
Известны способ воспламенения обедненной горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) на газообразном топливе и устройство для его осуществления, описанные в патенте RU 2159339, F02B 19/18, 20.11.2000. Обедненную горючую смесь вводят в основную камеру сгорания ДВС и в камеру зажигания, сжимают и отбирают часть сжатой обедненной горючей смеси, ее дополнительно сжимают, обогащают и направляют в камеру зажигания, где обогащенная смесь воспламеняется искрой с образованием горящего факела. Факел направляют в основную камеру сгорания и поджигают сжатую обедненную горючую смесь. Устройство для осуществления способа содержит основную камеру сгорания с рабочим цилиндром и поршнем и камеру зажигания, которая выполнена симметрично оси цилиндра основной камеры сгорания и сообщается с ней сужающе-расширяющимся каналом. Поршень имеет по периферии цилиндрический выступ, а головка цилиндра - углубление, которое сообщается с камерой зажигания каналами с форсунками для обогащения горючей смеси в камере зажигания. Основными недостатками известного решения являются необходимость дополнительного обогащения горючей смеси при помощи вспомогательных форсунок и сложность конструкции.
Известно устройство для зажигания потока горючей смеси - форкамера аэродинамической трубы адиабатического сжатия с импульсным рабочим циклом (патент SU 1840311, G01M 9/00, 10.09.2006). Форкамера содержит корпус, обратный клапан, отсекающий форкамеру от аэродинамической трубы, гиперзвуковое сопло для соединения с трубой, обтюрирующие кольца и щелевые холодильники. Полость форкамеры выполнена в виде сферы. Основным недостатком данной форкамеры является сложность ее изготовления.
Известны устройства - форкамеры ДВС - для воспламенения горючей смеси в основной камере ДВС, имеющие различную конструкцию, например форкамеры, предложенные в патентах: RU 2259491, F02B 19/16, 27.08.2005; RU 2310764, F02B 19/18, 20.11.2007; RU 2240429, F02B 19/16, 20.11.2004. Известные форкамеры ДВС отличаются сложностью конструкции, что снижает надежность устройства, повышает трудоемкость их изготовления и обслуживания, затрудняет очистку форкамеры от продуктов сгорания и затрудняет заполнение ее горючей смесью.
Наиболее близким к предлагаемому способу зажигания потока горючей смеси является способ зажигания газового потока, описанный в патенте RU 2390694, F23Q 13/02, F23D 14/66, 27.05.2010, выбранный за прототип. Зажигание потока по способу-прототипу осуществляется путем контактирования газового потока в основной камере сгорания, содержащего метан и хлор, с нагретой поверхностью, при этом нагретой поверхностью служит турбулентная неизотермическая газовая струя, содержащая метан, которую формируют пропусканием предварительно нагретого до температуры 400-500°С природного газа через сопло с линейной скоростью 100-200 м/с.
Способ-прототип недостаточно технологичен из-за необходимости использования дополнительного оборудования для предварительного нагрева газа, формирующего турбулентную неизотермическую газовую струю.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (вариантам) является устройство, описанное в патенте RU 2210677, F02B 19/18, 20.02.2003, выбранное за прототип. Устройство-прототип содержит основную камеру сгорания ДВС и камеру зажигания - форкамеру. Форкамера имеет полость, снабженную свечой зажигания и сообщенную с основной камерой сгорания ДВС при помощи перепускного канала. Перепускной канал выполнен в виде профилированного сопла Лаваля, входной участок которого имеет образующую, форма которой определена соотношением Витошинского, а выходной участок выполнен в форме параболоида.
Основным недостатком устройства-прототипа является сложность изготовления профилированного сопла Лаваля. Кроме того, затруднены очистка форкамеры от продуктов сгорания и заполнение форкамеры горючей смесью, так как форкамера сообщается с основной камерой сгорания посредством единственного канала.
Задачей изобретения является разработка более технологичного способа зажигания потока горючей смеси, который обеспечит надежное воспламенение скоростного потока различных горючих смесей в различных энергетических установках, в том числе с импульсным рабочим циклом.
Задачей изобретения является также создание устройства (вариантов) для осуществления предлагаемого способа зажигания потока горючей смеси, которое будет отличаться простотой конструкции, обеспечит быстрое заполнение камеры зажигания горючей смесью, обеспечит надежное воспламенение скоростного потока горючей смеси и позволит легко очищать камеру зажигания от продуктов сгорания.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- способом зажигания потока горючей смеси в основной камере сгорания путем контактирования горючей смеси с турбулентной неизотермической газовой струей, в котором для образования турбулентной неизотермической газовой струи в основной камере сгорания устанавливают обводной канал, передачу горючей смеси в который из основной камеры сгорания организуют путем создания в различных частях основной камеры сгорания перепада давления, позволяющего горючей смеси перетекать из области высокого давления в основной камере сгорания в область низкого давления в обводном канале, в котором поток горючей смеси затормаживают и поджигают с последующим образованием турбулентной неизотермической газовой струи из продуктов сгорания, которую направляют в основную камеру сгорания в область низкого давления для контактирования с потоком горючей смеси в основной камере сгорания и его зажигания.
В основную камеру сгорания можно подавать предварительно подготовленную горючую смесь или ее компоненты;
- устройством для осуществления способа зажигания потока горючей смеси, содержащим основную камеру сгорания и камеру зажигания, имеющую полость, снабженную источниками зажигания и сообщенную с основной камерой сгорания, в котором полость камеры зажигания выполнена проточной и представляет собой обводной канал с входным и выходным отверстиями, соединяющий области высокого и низкого давления в основной камере сгорания, созданные при помощи препятствия произвольной формы, установленного на пути потока горючей смеси в основной камере сгорания между входным и выходным отверстиями обводного канала, при этом основная камера сгорания оснащена системой питания, обеспечивающей подачу предварительно подготовленной горючей смеси или ее компонентов параллельно оси основной камеры сгорания.
Для затормаживания и надежного поджигания потока горючей смеси в обводном канале площадь сечения входного отверстия обводного канала может быть уменьшена по сравнению с площадью сечения обводного канала до соотношения, определенного по критерию Дунского и по заданному значению перепада давления в основной камере сгорания, при этом площадь сечения выходного отверстия обводного канала может быть выполнена либо равной площади сечения входного отверстия, либо отличающейся от нее.
Обводной канал может иметь один или более источников зажигания;
- устройством для осуществления способа зажигания потока горючей смеси, содержащим основную камеру сгорания и камеру зажигания, имеющую полость, снабженную источниками зажигания и сообщенную с основной камерой сгорания, в котором полость камеры зажигания выполнена проточной и представляет собой обводной канал с входным и выходным отверстиями, соединяющий области высокого и низкого давления в основной камере сгорания, созданные путем подачи в нее горючей смеси с тангенциальной составляющей скорости подачи при помощи системы питания, обеспечивающей такую подачу предварительно подготовленной горючей смеси или ее компонентов в основную камеру сгорания, при этом входное отверстие обводного канала расположено в центральной области торцевой поверхности основной камеры сгорания, а выходное отверстие - на боковой поверхности основной камеры сгорания.
Для затормаживания и надежного поджигания потока горючей смеси в обводном канале площадь сечения входного отверстия обводного канала может быть уменьшена по сравнению с площадью сечения обводного канала до соотношения, определенного по критерию Дунского и по заданному значению перепада давления в основной камере сгорания, при этом площадь сечения выходного отверстия обводного канала может быть выполнена либо равной площади сечения входного отверстия, либо отличающейся от нее.
Обводной канал может иметь один или более источников зажигания.
Предлагаемые способ и устройство (варианты) были разработаны на основе детальных теоретических и экспериментальных исследований процесса воспламенения потока горючей смеси в обводном канале и в основной камере сгорания. Изучена взаимосвязь следующих параметров процесса: скорость потока горючей смеси в основной камере сгорания, величина перепада давления в различных частях основной камеры сгорания, где располагают входное и выходное отверстия обводного канала, обеспечивающая перетекание горючей смеси из основной камеры сгорания в обводной канал, скорость потока горючей смеси в обводном канале, площадь сечения обводного канала и площади сечения входного и выходного отверстий обводного канала.
При высокой скорости потока горючей смеси в основной камере сгорания надежное воспламенение потока горючей смеси в обводном канале возможно лишь при затормаживании потока - при уменьшении его скорости по сравнению со скоростью потока в основной камере сгорания, что достигается либо уменьшением площади сечения обводного канала, либо уменьшением площади сечения входного отверстия обводного канала по сравнению с площадью сечения самого обводного канала. Главной проблемой было обеспечить такую скорость потока горючей смеси в обводном канале, при которой очаг зажигания не погасает, а надежно воспламеняет горючую смесь в обводном канале. Для оценки максимально допустимой скорости течения в обводном канале, при которой обеспечивается надежное зажигание смеси, использовался критерий Дунского (Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964). Зная заданный объемный расход горючей смеси в основной камере сгорания и, следовательно, зная по известным из механики жидкости и газа уравнениям значение перепада давления в основной камере сгорания (Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. - М.: Дрофа, 2003, 840 с.; Дейч М.Е. Техническая газодинамика. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. Прямоточная подача горючей смеси: с.209, уравнение 5.11; тангенциальная подача горючей смеси: с.306, уравнение 5.87), можно определить соотношение площадей сечения входного отверстия обводного канала и самого обводного канала, обеспечивающее скорость потока в нем в соответствии с критерием Дунского и, следовательно, обеспечивающее надежное воспламенение потока горючей смеси в обводном канале.
На фиг.1 и 2 приведены два заявляемых варианта устройства для осуществления предлагаемого способа зажигания потока горючей смеси.
Главный элемент устройства - камера зажигания в виде проточного обводного канала (1), содержащего источники зажигания (2). Обводной канал (1) соединен с основной камерой сгорания (3), оснащенной системой питания (не показана), обеспечивающей подачу предварительно подготовленной горючей смеси или ее компонентов, например струй горючего и воздуха.
При осуществлении заявляемого способа с использованием первого варианта устройства (фиг.1) горючая смесь в основную камеру сгорания (3) подается параллельно ее оси, при этом для создания перепада давления на входе и выходе обводного канала (1) в основной камере сгорания устанавливается препятствие (4) на пути потока горючей смеси между входным и выходным отверстиями обводного канала.
Во втором варианте предлагаемого устройства (фиг.2) перепад давления в основной камере сгорания создается путем подачи в нее горючей смеси с тангенциальной составляющей скорости подачи. При этом входное отверстие обводного канала располагается в центральной области торцевой поверхности основной камеры сгорания (на расстоянии от центра не более 0,8 радиуса), а выходное отверстие - на боковой поверхности основной камеры сгорания.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В камеру сгорания (3) через систему питания поступает поток предварительно подготовленной горючей смеси или ее компонентов.
В первом варианте предлагаемого устройства (фиг.1) перед препятствием, установленным на пути потока горючей смеси в основной камере сгорания, возникает зона повышенного давления, и горючая смесь перетекает из основной камеры сгорания в обводной канал, входное отверстие которого расположено перед препятствием.
Во втором варианте предлагаемого устройства (фиг.2) за счет подачи горючей смеси с тангенциальной составляющей скорости подачи в основной камере сгорания возникает радиальный перепад давления - в центральной части основной камеры сгорания образуется зона повышенного давления (вследствие неравномерного радиального распределения тангенциальной составляющей скорости потока), и смесь перетекает в обводной канал через его входное отверстие, установленное в центральной области торцевой поверхности основной камеры сгорания.
Поток горючей смеси в обводном канале затормаживается благодаря меньшей площади сечения входного отверстия обводного канала по сравнению с площадью сечения самого обводного канала. Входное и выходное отверстия меньшего сечения могут быть выполнены в виде расходной шайбы, устанавливаемой на входе и выходе в обводной канал. Скорость течения горючей смеси в обводном канале становится значительно ниже скорости течения в основной камере сгорания, так что горючая смесь в обводном канале легко поджигается при помощи источников зажигания. Возникающее в обводном канале турбулентное пламя, распространяясь по объему канала, сжигает часть поступившей в канал горючей смеси, повышая в нем давление и образуя турбулентную неизотермическую газовую струю из горячих продуктов сгорания, которая выталкивается в основную камеру сгорания в область низкого давления. Горячая газовая струя (температура ~1600-2000°С) контактирует с потоком горючей смеси в основной камере сгорания и зажигает горючую смесь.
Таким образом, в предлагаемых способе и устройстве используется принцип форкамерного зажигания: горючая смесь сначала зажигается не в основной, а в дополнительной камере (обводном канале), причем зажигание потока смеси в основной камере происходит от контакта с горячими продуктами сгорания, а не непосредственно от источника зажигания. Последнее существенно повышает надежность и экономичность зажигания горючей смеси в основной камере сгорания, так как для зажигания смеси в обводном канале (форкамере) достаточно относительно небольшой энергии и мощности зажигания (скорость потока горючей смеси в обводном канале значительно ниже скорости потока в основной камере).
Приводим экспериментальный пример осуществления предлагаемого способа зажигания потока горючей смеси в основной камере сгорания на примере второго варианта устройства, оснащенного регистрирующей аппаратурой.
Испытания проводили на экспериментальной камере сгорания, работающей на смеси природного газа с воздухом. В обводном канале диаметром 25,4 мм с входным и выходным отверстиями одинакового диаметра 12,7 мм (площадь сечения входного и выходного отверстий обводного канала в 4 раза меньше площади сечения обводного канала) устанавливались две стандартные автомобильные свечи зажигания. Обводной канал соединял центральную и периферийную части основной цилиндрической камеры сгорания длиной 300 мм и диаметром 64 мм. В основную камеру сгорания через тангенциальный ввод непрерывно подавали частично перемешанную стехиометрическую смесь природного газа с воздухом (содержание метана в природном газе 98,6% об.) при объемном расходе 2 л/сек.
вх
канал
Формула для расчета соотношения площадей сечений входного отверстия обводного канала (f) и обводного канала (f):
1
2
содержит значения давления (p) в основной камере сгорания на входе в обводной канал и давления (p) в основной камере сгорания на выходе из обводного канала, плотность горючей смеси (ρ), а также максимально допустимую скорость потока (U) в обводном канале.
Допустимую скорость потока в обводном канале определяли по критерию Дунского:
п
п
-4
2
где k - эмпирическая постоянная, L - характерный размер очага зажигания; u - скорость ламинарного пламени, определяемая составом, температурой и давлением подаваемой горючей смеси, а - коэффициент температуропроводности подаваемой горючей смеси. Для условий наших опытов k≈1.5, L=0.002 м (межэлектродный промежуток в свече зажигания), u≈0.4 м/с, а≈0.2·10 м/с (температура подаваемой горючей смеси равна 300 K) (Ильяшенко С.М., Талантов А.В. Теория и расчет прямоточных камер сгорания. М.: Машиностроение, 1964).
Расчет дает значение допустимой скорости в обводном канале U≤24 м/с.
1
2
1
2
вх
канал
вx
канал
Давление (p) в основной камере сгорания на входе в обводной канал и давление (p) в основной камере на выходе из обводного канала определили по заданному объемному расходу горючей смеси и заданным геометрическим параметрам основной камеры сгорания по известным из механики жидкости и газа уравнениям (Дейч М.Е. Техническая газодинамика. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961. Тангенциальная подача горючей смеси: с.306, уравнение 5.87): при расходе горючей смеси 2 л/сек в основной камере сгорания диаметром 64 мм и длиной 300 мм разность давлений на входе на входе в обводной канал (p) и выходе из него (p) равна 720 Па. Подставляя найденные значения в формулу для расчета соотношения площадей сечений входного отверстия обводного канала (f) и обводного канала (f), находим требуемое для обеспечения максимально допустимой скорости потока горючей смеси в обводном канале соотношение площадей сечения входного отверстия обводного канала и обводного канала: f/f=1/3,45.
вх
канал
В проведенных опытах обводной канал (соотношение f/f=1/4) обеспечивал надежное зажигание смеси в основной камере сгорания. На фиг.3 показана осциллограмма давления в основной камере. При размещении двух свечей зажигания в основной камере сгорания, не оснащенной обводным каналом, воспламенения смеси не происходило даже при расходах горючей смеси, в пять раз меньших, чем в экспериментах с обводным каналом.
Таким образом, предлагаемые способ зажигания потока горючей смеси и устройство для его осуществления (варианты) позволяют осуществлять быстрое и надежное воспламенение горючей смеси в высокоскоростных потоках и отличаются простотой конструкции и более высокой технологичностью. Конструкция камеры зажигания в виде проточного обводного канала обеспечивает быстрое заполнение камеры зажигания горючей смесью и позволяет легко очищать камеру зажигания от продуктов сгорания.