СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ В ТРУБЕ С ГОРЮЧЕЙ СМЕСЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR ACTIVATION OF DETONATION IN PIPE WITH COMBUSTIBLE 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 большого и 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, 10.02.2008. Способ заключается в организации вихревого течения 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 Щелкина (Щелкин К.И. Быстрое горение и спиновая детонация газов. М.: Военное изд-во МВС СССР, 1949 г., с.81, рис.34). Увеличение «видимой» скорости фронта пламени достигается путем турбулизации готовой топливно-воздушной 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 to 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 течения 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 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. и др.//ДАН, 2004, Т.394, №2, с.222-224; ДАН, 2004, Т.394, №4, с.503-505). Идея использования внешних источников зажигания для возбуждения детонации впервые была выдвинута Я.Б.Зельдовичем и А.С.Компанейцем (Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. Теория детонации. М.: Гостехтеориздат, 1955), но экспериментальной проверки до последнего времени не проводилось. Проведенные исследования показали, что бегущий импульс принудительного зажигания должен двигаться от одного источника зажигания к другому с ускорением, синхронно с УВ, при этом допустимое рассогласование прихода УВ и момента зажигания составляет не более 50-100 мкс - при большем рассогласовании при прочих равных условиях детонация не возникала. На основе анализа данных экспериментов в дальнейшем (Frolov S.M. Initiation of Strong Reactive Shocks and Detonation by Traveling Ignition Pulses. J. Loss Prevention, 2005, V.19, №2-3, p.238-244) был сделан вывод, что классические опыты по ПГД в трубах с регулярными препятствиями также можно рассматривать как инициирование детонации бегущим импульсом зажигания, но не принудительного, а самопроизвольного при самовоспламенении смеси в результате отражения УВ от препятствий. При этом тоже необходимо согласование моментов прихода УВ и самовоспламенения.
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 ядре течения горючей смеси, что исключило воздействие волн разряжения на область самовоспламенения, характерное для препятствий прямоугольной формы, кроме того, при такой форме препятствий фокусировка производится в ближайшей окрестности фронта УВ, что исключает рассогласование прихода УВ и момента самовоспламенения, что в совокупности 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, а также повышение эффективности многократного локального энергетического воздействия на фронт бегущей УВ при минимальных затратах энергии на инициирование детонации и минимальном преддетонационном расстоянии.
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 отражения УВ от регулярных профилированных препятствий, установленных в трубе и имеющих форму зубьев, образованных пересечением кривых с фокусами, лежащими в ядре течения горючей смеси, путем организации периодической фокусировки отраженных волн давления в центральную часть фронта УВ в ближайшей окрестности фронта УВ в ядре течения горючей смеси, в котором, согласно изобретению, 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 УВ, а периодическую фокусировку отраженных волн давления в центральную часть фронта УВ в ближайшей окрестности фронта УВ в ядре течения горючей смеси для локального многократного энергетического воздействия на фронт бегущей ударной волны осуществляют в возникшее пространство, разделяющее турбулентный фронт пламени и фронт УВ.
В качестве турбулизатора можно использовать спираль Щелкина или любое другое устройство для ускорения пламени.
Профилированные препятствия могут иметь форму зубьев, образованных пересечением кривых различной или одинаковой геометрической формы с фокусами, лежащими в ядре течения горючей смеси.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым устройством для осуществления способа инициирования детонации в трубе с горючей смесью, включающим детонационную трубу, снабженную системой генерации первичной УВ, с рабочим участком трубы, оборудованным регулярными профилированными препятствиями, имеющими форму зубьев, образованных пересечением кривых с фокусами, лежащими в ядре течения горючей смеси, 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 перед рабочим участком трубы, оборудованным регулярными профилированными препятствиями, имеется участок трубы без препятствий длиной не менее L=V·τ, где V - видимая скорость пламени, τ - время индукции самовоспламенения горючей смеси при нормальном отражении УВ от жесткой стенки, обеспечивающий пространственное разделение турбулентного фронта пламени и фронта первичной УВ.
Источник зажигания может быть искровым, например, автомобильной свечой, или любым другим, способным поджечь горючую смесь.
В качестве турбулизатора может быть использована спираль Щелкина или любое другое устройство для ускорения пламени.
Профилированные препятствия могут иметь форму зубьев, образованных пересечением кривых различной или одинаковой геометрической формы с фокусами, лежащими в ядре течения горючей смеси.
При разработке предлагаемых способа и устройства были продолжены исследования по поиску оптимальной формы регулярных препятствий, начатые при создании способа-прототипа. Было установлено, что зубья, в виде которых изготовлены профилированные препятствия, могут быть образованы пересечением кривых (парабол, эллипсов, прямых, гипербол и т.д. или их сочетаний) с фокусами, лежащими в ядре течения горючей смеси, что позволяет фокусировать отраженные волны давления максимально близко от центральной части фронта УВ в ядре течения горючей смеси. Если зубья образованы пересечением прямых линий, упрощается изготовление рабочего участка трубы.
Было проведено тщательное исследование влияния условий ПГД и параметров устройства на эффективность локального многократного энергетического воздействия на фронт бегущей УВ. Принципиальным результатом проведенных расчетов и испытаний 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, длина участка трубы без препятствий (по которому движется «пробка»), предназначенного для разделения турбулентного фронта пламени и фронта УВ, также должна быть не менее L. Если фронт пламени и фронт УВ не разделены, то турбулентный фронт пламени «накрывает» зарождающиеся очаги повышения температуры и последующего самовоспламенения за фронтом бегущей УВ, возникающие при отражении УВ от препятствий, тем самым исключая возникновение детонации.
На чертеже 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 (5), рабочий участок (6), оборудованный регулярными профилированными препятствиями (7), и выходной участок (8). 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.
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 попаданием в рабочий участок (6) оторваться от фронта турбулентного пламени. При отражении УВ от профилированных препятствий (7) отраженные волны давления - благодаря оптимальной форме препятствий - фокусируются в центральную часть фронта УВ (то есть в ядре течения горючей смеси) и в ближайшей окрестности фронта УВ, то есть синхронно с приходом бегущей УВ, что приводит к локальному ступенчатому повышению температуры (своего рода «накачке») вплоть до самовоспламенения горючей смеси, при этом благодаря разделению фронтов пламени и УВ турбулентный фронт пламени не успевает «накрывать» зарождающиеся за фронтом УВ очаги самовоспламенения, что в совокупности с фокусировкой волн давления приводит к быстрому ПГД.
Приводим примеры осуществления изобретения на опытном образце предлагаемого устройства, оснащенном регистрирующей аппаратурой. Рабочий участок детонационной трубы длиной 1 м квадратного сечения 100x100 мм был выполнен съемным в двух вариантах: с препятствиями параболической формы и с препятствиями эллиптической формы. Участок без препятствий длиной 0.2 м (диаметр 70 мм) был также выполнен съемным. Турбулизатор был выполнен в виде спирали Щелкина длиной 600 мм, свитой из стальной проволоки диаметром 4 мм с шагом витков 18 мм. Зажигание горючей смеси (стехиометрическая пропановоздушная смесь при давлении 0.1 МПа и температуре 293±2 К) осуществляли автомобильной свечой с энергией 0.1 Дж. Параметры УВ измеряли с помощью шести высокочастотных тензорезистивных датчиков давления типа ДДЗ-026М, установленных на расстояниях 170, 295, 695, 1205, 1525 и 1855 мм от выхода из турбулизатора. Все датчики были снабжены повторителями сигналов с индивидуальным питанием и соединены с персональным компьютером через аналого-цифровой преобразователь. Погрешность измерения скорости ударной волны не превышала 3%. Результаты измерений представлены в таблице, из которой видно, что на последней измерительной базе 1525-1855 мм - на выходном участке детонационной трубы - зарегистрирована детонация, распространяющаяся со скоростью 1695±50 м/с для препятствий параболической формы и 1720±50 м/с для препятствий эллиптической формы.
Измерительная база, мм
Скорость ударной волны, м/с
Параболическая форма
Эллиптическая форма
170-295
1080±30
1080±30
295-695
1070±30
1000±30
695-1205
956±25
1106±25
1205-1525
1240±30
1425±30
1525-1855
1695±50
1720±50
Эксперименты, выполненные при тех же условиях, но без участка без препятствий (5), показали, что ПГД без данного участка невозможен.
Таким образом, предложенные способ инициирования детонации и устройство для его осуществления характеризуются более высокой технологичностью, а также позволяют повысить эффективность локального энергетического воздействия на фронт бегущей УВ за счет пространственного разделения турбулентного фронта пламени и фронта бегущей УВ при минимальных затратах энергии на инициирование детонации и минимальном преддетонационном расстоянии.