СПОСОБ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В КАМЕРЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF COMBUSTION PRODUCTS RECIRCULATION IN PULSATING COMBUSTION CHAMBER AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к камерам сгорания прерывистого действия, таким как камеры пульсирующего горения для сжигания газообразных и жидких топлив, а также к камерам сгорания пульсирующих воздушно-реактивных двигателей.
Известно техническое решение, использующее углубленные в камеру сгорания элементы, выполненные из жаропрочных материалов, которые в процессе работы разогреваются и служат источником воспламенения, стабилизирующим процесс горения. Известны камеры пульсирующего горения (US 4343719, B01F 3/02, 10.08.1982, US 6216446 B1, F02K 7/02, 17.04.2001, US 5189989, F22B 31/00, 02.03.1993), в которых канал впускной системы углубляется в камеру сгорания на некоторое расстояние и на выходе из канала устанавливается спираль, сетка из проволоки или керамическая вставка, представляющие собой пористую проницаемую структуру, которая в процессе работы разогревается. При этом пористая структура сильно возмущает топливно-воздушную струю и резко снижает ее скорость на входе в камеру, в результате чего обеспечивается зонная стабилизация пламени.
Недостатком данного технического решения является то, что оно не решает задачу смешения топливно-воздушной смеси с остаточными продуктами сгорания и образования заряда, способного к объемному сгоранию. Кроме того, наличие постоянной зоны воспламенения приводит к короткой задержке воспламенения и как следствие к неполной завершенности процесса смесеобразования в объеме камеры и к низкому значению коэффициента наполнения камеры сгорания. При этом процесс горения начинается в диффузионной области, когда процесс смешения не завершен.
Известна камера пульсирующего горения (RU 35116, F28D 7/02, 27.12.2003), в которой реализуется двухзонное образование заряда. Камера имеет форму полузакрытого цилиндра с резонансной трубой и две группы аэродинамических клапанов жаберного типа. Первая группа клапанов установлена в закрытом торце камеры и через них подается первичный воздух, обеспечивающий коэффициент избытка воздуха 0,8-0,9 в торцевой области камеры. Вторая группа клапанов служит для пленочного охлаждения стенок камеры сгорания, установлена хордально в цилиндрическом корпусе под углом 20°, и обеспечивает коэффициент избытка воздуха 1,1-1,2 в средней части камеры.
Недостатком устройства является организация специальным образом рабочего процесса с целью охлаждения стенок камеры сгорания в ущерб качеству процесса сгорания из-за искусственно создаваемой неоднородности заряда по коэффициенту избытка воздуха. При этом эффективность пленочного охлаждения сомнительна из-за того, что расход воздуха, необходимый для эффективного охлаждения, как правило, существенно выше расхода воздуха, необходимого для обеспечения коэффициента избытка воздуха 1,1-1,2. Кроме того, необходимость многоточечной подачи топлива в группу аэродинамических клапанов, нетехнологичность аэродинамических клапанов жаберного типа, сложная конструкция всего устройства в целом и значительное время последовательного смесеобразования в двух зонах являются существенными недостатками данного устройства.
Известна система пульсирующего горения (US 4946381, F23C 11/00, 7.08.1990), в которой перед камерой сгорания стоит вихревое смесительное устройство с тангенсально присоединенным аэродинамическим клапаном. Топливо распыляется в канал клапана на входе в вихревую камеру, перемешивается в вихревой камере с воздухом и поступает в камеру сгорания.
Недостатки известной системы заключаются в отсутствии эффективного смешения топливно-воздушной смеси с остаточными продуктами сгорания в объеме камеры сгорания, значительное время пребывания топливно-воздушной смеси в вихревой камере до входа в камеру сгорания, увеличивающее длительность фазы всасывания, а также эффект сепарации и осаждения жидкого топлива на стенке вихревой камеры.
Известны системы пульсирующего горения (US 4488865, F23C 11/04, 18.12.1984, US 5454711, F23C 11/04, 3.10.1995), в которых для смешения топлива с воздухом используется фронтовое устройство камеры сгорания, состоящее из цилиндрического корпуса и рядов отверстий, выполненных в боковой и торцевой стенках цилиндра, так чтобы струи воздуха и топлива пересекались под углом 90°.
Недостаток известных систем заключается в том, что используемые в них фронтовые устройства не обеспечивают интенсивного смешения продуктов сгорания с топливно-воздушной смесью в объеме камеры сгорания, а решают только задачу предварительного перемешивания воздуха с топливом на входе в камеру.
Наиболее близким техническим решением является способ рециркуляции продуктов сгорания в аппарате пульсирующего горения (US 5145354, F23C 11/04, 08.09.1992), состоящем из цилиндрической камеры сгорания с присоединенной к ней впускной системой, оснащенной механическими воздушным и газовым клапанами, заключающийся в рециркуляции части продуктов сгорания по отдельному трубопроводу из выхлопной системы в зону смешения топлива с воздухом во впускную систему или непосредственно в камеру сгорания в зону смешения горючей смеси с продуктами сгорания.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа заявляемого устройства, является камера пульсирующего горения (US 2795105, 11.06.1957), содержащая цилиндрический корпус, закрытый с одной стороны, и резонансную трубу, примыкающую к корпусу с другой стороны. В боковую стенку корпуса камеры, приблизительно посередине, под углом 45° входит канал аэродинамического клапана. Причем канал разделен двумя полыми перегородками, формирующими три патрубка отстоящих друг от друга на расстоянии толщины перегородок, так что в пространство между патрубками могут попадать продукты сгорания, что приводит к интенсификации произвольного смешения топливно-воздушной смеси с продуктами сгорания.
Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают эффективного подогрева воздуха и интенсивного смешения горючей смеси с продуктами сгорания в объеме камеры сгорания, кроме того, не обеспечивается целенаправленное формирование развитой поверхности воспламенения горючей смеси в объеме камеры сгорания. Это объясняется тем, что отсутствуют развитые поверхности теплообмена с наиболее горячими продуктами сгорания и используются малоэффективные методы смешения.
Цель изобретения повысить эффективность рабочего процесса камеры пульсирующего горения при одновременном обеспечении высоких экологических показателей и технологичности конструкции за счет организации рабочего процесса камеры пульсирующего горения, близкого по характеру к беспламенному горению.
Технический результат заключается в расширении диапазона устойчивой работы камеры пульсирующего горения по коэффициенту избытка воздуха и видам применяемого топлива, а также обеспечении низких выбросов оксидов азота и монооксида углерода.
Поставленная цель и технический результат достигаются тем, что в способе рециркуляции продуктов сгорания, заключающемся в смешении горючей смеси с остаточными продуктами сгорания, согласно изобретению посредством фронтового устройства воздух, поступающий в камеру сгорания, эжектирует продукты сгорания из периферийной пристеночной области камеры сгорания в поток воздуха на входе в камеру сгорания и смешивается с ними в объеме камеры сгорания, при этом за счет протекания через фронтовое устройство эжектируемых продуктов сгорания последнее разогревается выше 600°C и обеспечивает эффективный подогрев поступающего воздуха. Топливо подается во впускную систему непосредственно перед фронтовым устройством с целью предварительного нагрева и испарения во фронтовом устройстве или подается непосредственно в камеру сгорания под углом 90-45° в начальную зону смешения сразу за фронтовым устройством, или подается одновременно перед фронтовым устройством и за ним, что позволяет управлять составом смеси в процессе смесеобразования. Поставленная цель также достигается тем, что во фронтовом устройстве пульсирующей камеры сгорания, содержащем корпус и элементы интенсификации смесеобразования, корпус углублен в камеру сгорания на расстояние 0.3-1.5 своего гидравлического диаметра, а элементы интенсификации смесеобразования установлены радиально в вырезах внутри корпуса и выполнены в виде полых полуоткрытых лепестков, имеющих закрытую хорошо обтекаемую переднюю кромку со стороны входа воздуха и открытые в сторону камеры сгорания заднюю кромку и в радиальном направлении через вырез в корпусе фронтового устройства верхнюю кромку, причем угол наклона передней кромки лепестковых элементов интенсификации к оси канала впускной системы 90-30°, а концы лепестковых элементов интенсификации свободны и не пересекаются в центре, образуя свободный проход вблизи оси фронтового устройства. Количество и размеры элементов интенсификации могут быть произвольными от двух и более и выбираются из технологических соображений, при этом минимальное перекрытие проходного сечения корпуса элементами интенсификации смешения должно быть не менее 25%, а максимальное определяется из соображений обеспечения потребного расхода воздуха, причем высота элементов должна быть не менее 20% от гидравлического диаметра корпуса фронтового устройства. Корпус фронтового устройства может быть выполнен цилиндрическим или в виде осесимметричного канала конфузорного в сторону камеры сгорания с полным углом сужения 4-16°, а боковые грани лепестковых элементов интенсификации параллельны оси корпуса фронтового устройства или расширяются в сторону камеры сгорания с полным углом раскрытия 5-20°.
Именно заявленные соотношения и размеры обеспечивают согласно изобретениям эффективный подогрев поступающего воздуха и интенсивное эжектирование и смешение продуктов сгорания с горючей смесью и тем самым достижение цели изобретений. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.
Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".
Техническая сущность предложенных технических решений поясняется чертежом, на котором:
Фиг.1 общий вид устройства в продольном и поперечном разрезах, в составе камеры пульсирующего горения, а также структура течений в камере сгорания и схема смешения топливно-воздушной смеси с продуктами сгорания в фазе наполнения камеры.
Фиг.2 общий вид устройства в продольном разрезе и схема подачи топлива в камеру сгорания.
Фиг.3 варианты исполнения устройства с коническим корпусом и расширяющимися боковыми гранями лепестковых элементов интенсификации смешения.
Способ заключается в подогреве и перемешивании воздуха с продуктами сгорания в объеме камеры сгорания посредством установки на входе в камеру сгорания фронтового устройства, выполняющего роль газового эжектора, смесителя и теплообменника одновременно. Топливо подается во впускную систему непосредственно перед фронтовым устройством с целью его предварительного нагрева и испарения во фронтовом устройстве, что обеспечивает высокую полноту сгорания при работе камеры пульсирующего горения на жидком топливе или подается непосредственно в камеру сгорания в начальную зону смешения сразу за фронтовым устройством под углом 90-45° к направлению входа воздуха в камеру сгорания, что повышает экологичность и экономичность камер пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном, за счет снижения выброса топливно-воздушной смеси обратно во впускную систему в фазе сгорания или подается одновременно перед фронтовым устройством и за ним, что позволяет обеспечить экологичность и устойчивую работу камеры пульсирующего горения на комбинированном топливе с одновременной подачей перед фронтовым устройством низкокачественного жидкого топлива, обладающего низкой скоростью сгорания и подачей газообразного топлива за фронтовым устройством, при этом обеспечивается зонное управление составом смеси в процессе смесеобразования (фиг.2).
Согласно заявляемому способу воздух, поступая в камеру сгорания, проходит через фронтовое устройство (фиг.1), где он подогревается и эжектируя посредством фронтового устройства продукты сгорания из периферийной пристеночной области камеры сгорания, интенсивно смешивается с ними во фронтовом устройстве и объеме камеры сгорания. Интенсивное смешение воздуха, поступающего в камеру сгорания с наиболее горячими продуктами сгорания посредством эффекта эжекции, приводит к повышению полноты сгорания и снижению выбросов оксидов азота за счет гомогенизации горючей смеси и снижения адиабатической температуры сгорания. Таким образом, согласно заявляемому способу посредством фронтового устройства обеспечивается подогрев поступающего в камеру сгорания воздуха и рециркуляция продуктов сгорания с более высокой температурой и низкой плотностью из объема в пристеночную область камеры сгорания, а из нее - в поток более плотного воздуха на вход в камеру сгорания.
Протекающие через фронтовое устройство эжектируемые продукты сгорания, а также продукты сгорания, частично вытесняемые из объема камеры сгорания во впускную систему через фронтовое устройство в фазе выхлопа, разогревают фронтовое устройство до температуры 600-900°C, и за счет развитой поверхности теплообмена фронтового устройства обеспечивается подогрев поступающего в камеру сгорания воздуха, приводящий к повышению полноты сгорания за счет повышения начальной температуры горючей смеси. При этом расширяется диапазон устойчивой работы камеры пульсирующего горения на сверхбедных смесях с коэффициентом избытка воздуха до α≈10, что позволяет организовать устойчивое горение с избытком окислителя с целью снижения выброса монооксида углерода. Кроме того, повышение начальной температуры горючей смеси повышает скорость ее сгорания и частично компенсирует снижение скорости сгорания, обусловленное разбавлением горючей смеси продуктами сгорания, что в конечном счете обеспечивает высокие динамические характеристики камеры пульсирующего горения.
Для реализации заявленного способа предлагается фронтовое устройство, по принципу работы аналогичное лепестковым эжекторам или лепестковым смесителям, применяемым в выходных устройствах газотурбинных двигателей.
Заявляемое устройство схематически изображено в разрезе на фиг.1 и фиг.2 в составе камеры пульсирующего горения, состоящей из камеры сгорания 4, резонансной трубы 11 и канала впускной системы 3. Согласно изобретениям способ рециркуляции продуктов сгорания в камере пульсирующего горения реализуется с помощью фронтового устройства, в общем виде содержащего корпус 1, углубленный в камеру сгорания 4 на расстояние 0.3-1.5 своего гидравлического диаметра, и эжектирующие элементы 2, выполненные в виде полых хорошо обтекаемых со стороны входа воздуха из впускной системы лепестков, установленных радиально внутри корпуса, открытых в сторону камеры сгорания 4 и имеющих угол наклона передней кромки к оси канала впускной системы 90-30°. Причем концы лепестков свободны и не пересекаются в центре, чтобы обеспечить свободный проход воздуха вблизи оси фронтового устройства. Такая конструкция обеспечивает требование к впускной системе камеры пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном по несимметричности аэродинамического сопротивления при всасывании и выхлопе. Количество и размеры эжектирующих элементов 2 могут быть произвольными от двух и более и выбираются из технологических соображений, однако минимальное перекрытие проходного сечения впускного канала 3 эжектирующими элементами 2 должно быть не менее 25%, а максимальное определяться из соображений обеспечения потребного расхода воздуха, причем высота элементов должна быть не менее 20% от гидравлического диаметра корпуса 1 фронтового устройства. Превышение вышеуказанного верхнего предела перекрытия приведет к снижению мощности камеры пульсирующего сгорания, а снижение вышеуказанных нижних пределов приведет к недостаточно эффективному смешению воздуха 7, поступающего в камеру сгорания 4 с эжектируемыми продуктами сгорания 8. а также к уменьшению поверхности теплообмена фронтового устройства, в результате чего работа устройства в целом будет не эффективной. Указанные значения пределов перекрытия проходного сечения и высоты эжектирующих элементов были получены полуэмпирически.
Перед фронтовым устройством во впускной системе, а также за ним на корпусе камеры 4 располагаются форсунка 12 и группа форсунок 10.
В первом варианте с целью обеспечения технологичности фронтового устройства корпус 1 выполнен цилиндрическим, а боковые грани лепестков 13 и 14 параллельны оси корпуса 1.
Во втором варианте (фиг.3) с целью снижения выброса топливно-воздушной смеси обратно во впускную систему в фазе сгорания за счет дополнительного повышения несимметричности аэродинамического сопротивления фронтового устройства при всасывании и выхлопе корпус 1 выполнен в виде осесимметричного канала конфузорного в сторону камеры сгорания 4 с полным углом сужения 4-16°.
В третьем варианте (фиг.3) с целью снижения выброса топливно-воздушной смеси обратно во впускную систему в фазе сгорания за счет дополнительного повышения несимметричности аэродинамического сопротивления фронтового устройства при всасывании и выхлопе фронтовое устройство может иметь как цилиндрический, так и конфузорный корпус 1, но боковые грани лепестков 13 и 14 не параллельны и расширяются в сторону камеры сгорания 4 с полным углом раскрытия 5-20°.
Устройство работает следующим образом. Поступая из впускной системы 3, например аэродинамического клапана, воздух 7 обтекает лепестковые эжектирующие элементы 2 со скоростью порядка 70-130 м/с, при этом создается разрежение, под действием которого из пристеночной области 9 камеры 4 продукты сгорания 8 втекают в эжектирующие элементы 2 с одной стороны 5 и вытекают из них в поток воздуха с другой стороны 6. Поток воздуха 7 выполняет работу эжектирующего газа, а продукты сгорания 8 выполняют работу эжектируемого газа. Топливо подается через форсунку 12, расположенную во впускной системе 3 непосредственно перед фронтовым устройством с целью его предварительного нагрева и испарения во фронтовом устройстве, или впрыскивается непосредственно в камеру сгорания 4 под углом 90-45° к направлению входа воздуха в начальную зону смешения сразу за фронтовым устройством через группу форсунок 10. Так же топливо может подаваться одновременно через форсунку 12 и группу форсунок 10, это позволит зонно управлять составом смеси в процессе смесеобразования. Хорошо обтекаемая форма передней кромки эжектирующих лепестковых элементов 2 обеспечивает сохранение высокой скорости входа воздуха в камеру сгорания 4, что способствует интенсивному турбулентному смешению воздуха 7 с продуктами сгорания 8, вытекающими из эжектирующих элементов 2.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает рециркуляцию продуктов сгорания из объема в пристеночную область 9 камеры сгорания 4, а из нее - в поток воздуха 7 на вход в камеру сгорания 4 через эжектирующие элементы 2.
Протекающие через эжектирующие элементы 2 продукты сгорания 8, а также продукты сгорания, частично вытесняемые из объема камеры сгорания во впускную систему через фронтовое устройство в фазе выхлопа, разогревают эжектирующие элементы 2 до температуры 600-950°C, а воздух 7 обтекает эжектирующие элементы 2 с наружи и нагревается, таким образом образованная эжектирующими элементами развитая поверхность теплообмена обеспечивает подогрев воздуха 7 и его интенсивное смешение с продуктами сгорания 8 на выходе из фронтового устройства в объеме камеры сгорания 4. При этом в объеме камеры сгорания 4 формируется горючая смесь с высокой средней температурой, однородной концентрацией компонентов и развитой поверхностью воспламенения звездообразной формы, окружающей горючую смесь и расположенной в периферийной пристеночной области 9 камеры сгорания 4 (фиг.1).
3
3
3
На экспериментальной камере пульсирующего горения тепловой мощностью 200 кВт были проведены огневые испытания согласно заявляемому изобретению, при которых средняя температура фронтового устройства составила 870°C. При этом стала возможна устойчивая работа камеры пульсирующего горения с укороченной на 38% резонансной трубой и повышенной на 21% частотой пульсаций давления в камере сгорания, что свидетельствует о повышении скорости сгорания цикловой массы горючей смеси. На всех режимах в камере сгорания обеспечивалось прозрачное светло-голубое свечение, свидетельствующее о высокой скорости и качестве процесса сгорания. С помощью газоанализатора Монолит были проведены измерения содержания загрязняющих веществ в продуктах сгорания, которые показали, что камера пульсирующего горения работала устойчиво с коэффициентом избытка воздуха α=3-10, при этом содержание монооксида углерода в продуктах сгорания находилось в пределах 21-77 мг/м, оксида азота 1-3 мг/м, а диоксида азота 3-12 мг/м.
Реализация заявленного способа позволила повысить экономичность и экологичность камер пульсирующего горения в части повышения полноты сгорания, снижения выброса оксидов азота и снижении обратного выброса горючей смеси во впускную систему при работе на жидком и газообразном топливах при одновременном обеспечении высоких динамических характеристик камеры пульсирующего горения.
Конструкция заявленного устройства позволяет обеспечить эффективный подогрев воздуха и его интенсивное смешение с продуктами сгорания при повышении несимметричности аэродинамического сопротивления впускной системы и снижении обратного выброса горючей смеси во впускную систему, что в конечном итоге приводит к повышению экономических и экологических характеристик камер пульсирующего горения. При этом обеспечивается высокая технологичность предлагаемого устройства. Одновременно повышается несимметричность аэродинамического сопротивления впускной системы и тем самым повышается устойчивость работы камер пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном.
Использование предлагаемого способа рециркуляции продуктов сгорания в камере пульсирующего горения позволяет обеспечить высокие экологические показатели камер пульсирующего горения, работающих на жидком и газообразном топливе, по содержанию монооксида углерода и оксидов азота в продуктах сгорания.