Аппарат пульсирующего горения с повышенным КПД и с пониженным уровнем шума
PULSATING COMBUSTION APPARATUS WITH INCREASED EFFICIENCY AND REDUCED NOISE LEVEL

Область техники
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах отопления, в частности в водонагревателях или бойлерах; в системах утилизации, работающих на сжигании попутного газа; в системах выработки электрической энергии.
Предыдущий уровень техники
Широко известны аппараты пульсирующего горения, содержащие камеру сгорания, запальное устройство, устройства подвода топлива, подвода воздуха и выхлопные каналы отвода продуктов сгорания. Такие аппараты имеют высокий КПД, но создают значительный шум и вибрации. Предпринимаются попытки по дополнительному повышению КПД, кроме того, предпринимаются попытки по снижению шума и вибрации. Повышение КПД и проблема снижения шума и вибрации в аппаратах пульсирующего горения решалась по-разному.
Известны глушители для компрессоров с пульсирующим расходом газа и им подобных устройств. В патенте US2943641 описан глушитель на основе резонаторов Гельмгольца, коэффициент глушения зависит от отношения частоты шума к собственной частоте резонатора.
В аппарате пульсирующего горения по патенту US 4639208 для снижения уровня шума установлены звукопоглощающие материалы на пути от камеры сгорания до обратного клапана.
В аппарате пульсирующего горения по патенту US 4259928 в канале подачи воздуха применён глушитель, сопряженный с воздушным обратным клапаном, и кроме того, этот глушитель сам находится внутри ограждающей полости, которая расположена в сосуде с водой. В канале дымовых газов также установлен глушитель.
В аппарате пульсирующего горения по патенту US 4,477,246 содержится глушитель на подаче воздуха и глушитель отходящих дымовых газов, выполненный в одном корпусе и состоящий из внешнего и внутреннего цилиндров, которые разделены на низкочастотные и высокочастотные звукозадерживающие камеры
В аппарате пульсирующего горения по патенту US 4475621 ограждение воздушного клапана покрыто звукопоглощающим материалом, в канале отвода дымовых газов содержится теплообменник типа газ-газ.
В аппарате пульсирующего горения по патенту US 5020987 для снижения уровня шума применён усовершенствованный обратный механический клапан газовой среды, позволяющий понизить амплитуду колебаний давления в камере сгорания.
Наиболее близким к предложенному является аппарат пульсирующего горения по патенту US4919085, в котором в канале отвода дымовых газов установлен глушитель, состоящий из двух камер, соединенных трубой. Для повышения КПД аппарата пульсирующего горения и для снижения уровня шума, указанные полости размещают в сосуде с теплоносителем. В канале подачи воздуха установлен глушитель, с одной стороны связанный с вентилятором, с другой стороны с воздушной камерой, ограждающей воздушный клапан и имеющей внутреннюю и наружную стенки, пространство между которыми заполнено песком.
Указанные решения дают незначительное повышение КПД и применение иных решений позволяет получить дополнительно значительно больший КПД. Также указанные решения не позволяют получить необходимый уровень глушения шума и снижения вибраций.
Сущность изобретения
Технической проблемой, решаемой изобретением, заключается в повышении КПД аппарата пульсирующего горения с одновременным снижением уровня шума.
Техническая проблема решается аппаратом пульсирующего горения по первому варианту, содержащим камеру сгорания, соединенное с камерой сгорания устройство подачи воздуха и горючего газа и соединенный с камерой сгорания по меньшей мере один резонансный канал, аппарат снабжен резонатором Гельмгольца выхлопа, состоящим из камеры выхлопа и соединенного с ней по меньшей мере одного выхлопного канала, обладающего акустической индуктивностью, камера выхлопа соединена с по меньшей мере одним резонансным каналом, а собственная частота резонатора Гельмгольца выхлопа ниже частоты пульсации горения не менее чем в 1,7 раза.
Техническая проблема решается также аппаратом пульсирующего горения по второму варианту, содержащим камеру сгорания, соединенное с камерой сгорания устройство подачи воздуха и горючего газа и соединенный с камерой сгорания по меньшей мере один резонансный каналы, снабженным резонаторами Гельмгольца выхлопа, каждый из которых состоит из камеры выхлопа и соединенного с ней по меньшей мере одного выхлопного канала, обладающего акустической индуктивностью, каждая камера выхлопа связана с по меньшей мере одним из резонансных каналов, а собственная частота каждого резонатора Гельмгольца ниже частоты пульсации горения не менее чем в 1,7 раза.
Техническая проблема решается также аппаратом пульсирующего горения по третьему варианту, содержащим камеру сгорания, соединенное с камерой сгорания устройство подачи воздуха и горючего газа и соединенный с камерой сгорания по меньшей мере один резонансный канал, снабженным первым резонатором Гельмгольца выхлопа, состоящим из первой камеры выхлопа и соединенными с ней первыми выхлопными каналами, обладающими акустической индуктивностью, при этом первая камера выхлопа связана с по меньшей мере одним резонансным каналом, а также снабжен вторым резонатором Гельмгольца выхлопа, состоящим из второй камеры выхлопа и соединенного с ней по меньшей мере одного второго выхлопного канала, обладающего акустической индуктивностью, при этом вторая камера выхлопа связана по меньшей мере с одним первым выхлопным каналом, а собственная частота каждого резонатора Гельмгольца ниже частоты пульсации горения не менее чем в 1,5 раза.
Техническая проблема решается также аппаратом пульсирующего горения по четвертому варианту, содержащим камеру сгорания, соединенное с камерой сгорания устройство подачи воздуха и горючего газа и соединенный с камерой сгорания по меньшей мере один резонансный канал, снабженным первым резонатором Гельмгольца выхлопа, состоящим из первой камеры выхлопа и соединенными с ней первыми выхлопными каналами, обладающими акустической индуктивностью, при этом первая камера выхлопа связана с по меньшей мере одним резонансным каналом, а также снабжен вторыми резонаторами Гельмгольца выхлопа, каждый из которых состоит из второй камеры выхлопа и соединенного с ней по меньшей мере одного второго выхлопного канала, обладающего акустической индуктивностью, при этом каждая вторая камера выхлопа соединена не менее чем с одним из первых выхлопных каналов, а собственная частота каждого резонатора Гельмгольца выхлопа ниже частоты пульсации горения не менее чем в 1,5 раза.
Во всех четырех вариантах аппарата возможны следующие частные случаи его исполнения.
Возможно исполнение аппарата, при котором устройство подачи воздуха и горючего газа включает первую камеру воздуха, в которой размещен по меньшей мере один обратный клапан воздуха, соединенный с камерой сгорания, по меньшей мере одну трубу подачи воздуха, соединенную с указанной камерой воздуха, причем указанная камера воздуха и указанная по меньшей мере одна труба подачи воздуха образуют первый резонатор Гельмгольца воздуха с собственной резонансной частотой ниже частоты пульсаций горения, а также устройство подачи воздуха и горючего газа включает по меньшей мере одну первую камеру горючего газа с размещенным в ней обратным клапаном горючего газа, соединенным с камерой сгорания.
При этом также возможно исполнение аппарата, при котором первая камера горючего газа или каждая первая камера горючего газа соединена с соответствующей первой трубой подачи горючего газа, которая с первой камерой горючего газа образует резонатор Гельмгольца горючего газа с собственной частотой ниже частоты пульсаций горения.
И кроме того, еще возможно выполнение аппарата, в котором по меньшей мере один резонатор Гельмгольца горючего газа размещен во второй камере горючего газа, с которой соединена вторая труба подачи горючего газа, которая со второй камерой горючего газа образует второй резонатор Гельмгольца горючего газа с собственной частотой ниже пульсаций горения.
Также возможно исполнение, когда устройство подачи воздуха и горючего газа включает вторую камеру горючего газа, в которой размещена по меньшей мере одна первая камера горючего газа, а со второй камерой горючего газа соединена вторая труба подачи горючего газа, которая со второй камерой горючего газа образуют резонатор Гельмгольца горючего газа с собственной частотой ниже частоты пульсаций горения.
И также возможно исполнение, при котором первая камера воздуха размещена во второй камере воздуха, с которой соединена по меньшей мере одна вторая труба подачи воздуха, которая со второй камерой воздуха образуют второй резонатор Гельмгольца воздуха с собственной частотой ниже частоты пульсаций горения.
Возможно исполнение аппарата, при котором устройство подачи воздуха и горючего газа включает камеру горючей смеси, в которой размещен по меньшей мере один обратный клапан горючей смеси, соединенный с камерой сгорания, а с камерой горючей смеси соединена по меньшей мере одна первая труба подачи воздуха и по меньшей мере одна труба подачи горючего газа, причем камера горючей смеси с соединенными с ней трубами подачи воздуха и горючего газа образует резонатор Гельмгольца горючей смеси с собственной частотой ниже частоты пульсаций горения.
Во всех случаях резонансный канал предпочтительно представляет собой резонансную трубу.
Кроме того, выхлопной канал, обладающий акустической индуктивностью, предпочтительно представляет собой выхлопную трубу.
Возможно исполнение, в котором последовательно по потоку воздуха с указанным первым резонатором Гельмгольца воздуха расположен по меньшей мере один второй резонатор Гельмгольца воздуха, имеющий собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения.
Также во всех случаях возможно исполнение, при котором стенки каждой камеры выхлопа покрыты звукопоглощающим материалом.
Кроме того, стенки первой камеры воздуха могут быть покрыты звукопоглощающим материалом.
Также возможно исполнение, в котором по меньшей мере один обратный клапан воздуха связан с камерой сгорания посредством виброизолятора.
И кроме того, по меньшей мере один обратный клапан воздуха на своем входе и/или выходе может иметь гаситель ударной волны, представляющий собой экран на пути распространения ударной волны.
Техническая проблема решается также аппаратом пульсирующего горения по пятому варианту, содержащим камеру сгорания, соединенное с камерой сгорания устройство подачи воздуха и горючего газа и соединенные с камерой сгорания резонансные каналы, снабженным первыми резонаторами Гельмгольца выхлопа, каждый из которых состоит из первой камеры выхлопа и соединенного с ней по меньшей мере одного первого выхлопного канала, обладающего акустической индуктивностью, при этом каждая первая камера выхлопа связана с по меньшей мере одним из указанных резонансных каналов, а также снабжен вторым резонатором Гельмгольца выхлопа, состоящим из второй камеры выхлопа и соединенного с ней по меньшей мере одного второго выхлопного канала, обладающего акустической индуктивностью, при этом вторая камера выхлопа связана по меньшей мере с одним из первых выхлопных каналов, а собственная частота каждого резонатора Гельмгольца ниже частоты пульсации горения не менее чем в 1,5 раза.
Техническая проблема решается также и аппаратом пульсирующего горения по шестому варианту, содержащим камеру сгорания, соединенное с камерой сгорания устройство подачи воздуха и горючего газа и соединенные с камерой сгорания резонансные каналы, снабженным первыми резонаторами Гельмгольца выхлопа, каждый из которых состоит из первой камеры выхлопа и соединенного с ней по меньшей мере одного первого выхлопного канала, обладающего акустической индуктивностью, при этом каждая первая камера выхлопа связана с по меньшей мере одним из указанных резонансных каналов, а также снабжен вторыми резонаторами Гельмгольца выхлопа, каждый из которых состоит из второй камеры выхлопа и соединенного с ней по меньшей мере одного второго выхлопного канала, обладающего акустической индуктивностью, при этом каждая вторая камера выхлопа связана по меньшей мере с одним из первых выхлопных каналов, а собственная частота каждого резонатора Гельмгольца ниже частоты пульсации горения не менее чем в 1,5 раза.
Перечень чертежей
На Фиг. 1 показан аппарат пульсирующего горения по первому варианту изобретения с раздельной подачей воздуха и горючего газа.
На Фиг. 2 - схема электрического параллельного колебательного контура - аналога резонатора Гельмгольца.
На Фиг. 3 - график зависимости отношения амплитуды колебаний расхода газа в трубах резонатора Гельмгольца к амплитуде колебаний расхода газа на входе в резонатор Гельмгольца от добротности резонатора Гельмгольца и отношения частоты колебаний расхода газа к собственной частоте резонатора Гельмгольца.
На Фиг. 4 - график зависимости выраженного в децибелах отношения амплитуды колебаний расхода газа на входе в резонатор Гельмгольца к амплитуде колебаний расхода газа в трубах от добротности резонатора Гельмгольца и отношения частоты колебаний расхода газа к собственной частоте резонатора Гельмгольца.
На Фиг. 5 - аппарат пульсирующего горения по третьему варианту изобретения с применением последовательного расположения резонаторов Гельмгольца в каналах выхлопа, воздуха и горючего газа.
На Фиг. 6 - график изменения во времени давления Р в камере сгорания от времени t с увеличением энергии колебаний давления в интервале времени T.
На Фиг. 7 - график изменения во времени давления Р в камере сгорания от времени t с уменьшением энергии колебаний давления в интервале времени T.
На Фиг. 8 - график изменения во времени давления Р в камере сгорания от времени t с началом горения в момент времени t1 (сплошная линия) и без горения (пунктирная линия).
На Фиг. 9 - график изменения во времени давления Р в камере сгорания от времени t при различных значениях среднего давления в камере сгорания.
На Фиг. 10 - размещение обратного клапана горючего газа в камере горючего газа.
На Фиг. 11 - распределение по длине сопротивления на входе в камеру горючего газа.
На Фиг. 12 - аппарат пульсирующего горения с резонансным каналом в виде зазора между камерой сгорания и цилиндрической поверхностью.
На Фиг. 13 и Фиг. 14 - аппарат пульсирующего горения с резонансным каналом в виде зазора между стенками.
На Фиг. 15 - аппарат пульсирующего горения с резонансным каналом в виде турбины.
На Фиг. 16 - аппарат пульсирующего горения с резонансным каналом в виде последовательно расположенных трубы и турбины.
На Фиг. 17 - аппарат пульсирующего горения с применением скользящей посадки между резонансной трубой и камерой с теплоносителем.
На Фиг. 18 - резонатор Гельмгольца выхлопа с индуктивным выхлопным каналом в виде последовательно соединенных турбины и трубы.
На Фиг. 19 - резонатор Гельмгольца выхлопа с индуктивным выхлопным каналом в виде турбины, размещенный внутри камеры другого резонатора Гельмгольца выхлопа.
На Фиг. 20 - аппарат по четвертому варианту изобретения, в котором первый резонатор Гельмгольца выхлопа имеет два индуктивных выхлопных канала, каждый из которых соединен с соответствующей камерой вторых резонаторов Гельмгольца выхлопа.
На Фиг. 21 - резонатор Гельмгольца с собственной резонансной частотой равной частоте пульсаций горения для снижения амплитуды пульсаций давления в камере резонатора Гельмгольца выхлопа.
На Фиг. 22 - динамическая акустическая головка для выработки электрической энергии.
На Фиг. 23 - расположение турбины на входе внутри камеры выхлопа резонатора Гельмгольца выхлопа.
На Фиг. 24 - расположение турбины на выходе внутри камеры выхлопа резонатора Гельмгольца выхлопа.
На фиг. 25 - расположение выхлопных труб внутри труб подачи воздуха и расположение труб подачи воздуха внутри выхлопных труб.
На Фиг. 26 - теплообменник типа газ-газ в канале выхлопа.
На Фиг. 27 - исполнение камеры резонатора Гельмгольца с перегородкой.
На Фиг. 28 - устройство смешивания воздуха и горючего газа с использованием гасителей ударной волны и виброизоляторов.
На Фиг. 29 - винтовой гаситель ударной волны.
На Фиг. 30 - устройство предварительного приготовления горючей смеси.
На Фиг. 31 - аппарат пульсирующего горения с аэродинамическим обратным клапаном воздуха.
На Фиг. 32 - аппарат пульсирующего горения с газообразным теплоносителем.
На Фиг. 33-41 варианты исполнения устройства смешивания воздуха и горючего газа.
На Фиг. 42-43 - вариант исполнения устройства смешивания воздуха и горючего газа с несколькими, параллельно расположенными, обратными клапанами газовых сред.
На Фиг. 44 - пластина обратного газового клапана.
На Фиг. 45 - аппарат по второму варианту изобретения, в котором с камерой сгорания соединены три первых резонатора Гельмгольца выхлопа.
На Фиг.46 - аппарат по пятому варианту изобретения, в котором с камерой сгорания соединены два первых резонатора Гельмгольца выхлопа, соединенные своими выходами с камерой второго резонатора Гельмгольца выхлопа.
На Фиг.47 - аппарат по шестому варианту изобретения, в котором с камерой сгорания соединены два первых резонатора Гельмгольца выхлопа, соединенные своими выходами с камерами вторых резонаторов Гельмгольца выхлопа.
Примеры предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На Фиг. 1 аппарат пульсирующего горения по первому варианту изобретения содержит камеру 1 сгорания, соединенные с камерой 1 сгорания резонансные каналы, выполненные в виде резонансных труб 2, расположенный после резонансных каналов резонатор Гельмгольца 3 выхлопа, который состоит из камеры 4 выхлопа и выхлопного канала, обладающего акустической индуктивностью и выполненного в виде выхлопной трубы 5. Резонатор 3 Гельмгольца выхлопа имеет собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения. К камере 1 сгорания присоединено устройство подачи воздуха и горючего газа, включающее обратный клапан 6 воздуха, обратный клапан 7 горючего газа, камеру 8 воздуха для ограждения обратного клапана 6 воздуха, камеру 9 горючего газа для ограждения обратного клапана 9 горючего газа, присоединенную к камере 8 воздуха трубу 10 подачи воздуха, присоединенную к камере 9 горючего газа трубу 11 подачи горючего газа и вентилятор 12 продувки. Камера 8 воздуха и труба 10 подачи воздуха образуют резонатор Гельмгольца 13 воздуха с собственной резонансной частотой ниже частоты пульсаций горения. Камера 9 горючего газа и труба 11 подачи горючего газа образуют резонатор Гельмгольца 14 горючего газа с собственной резонансной частотой ниже частоты пульсаций горения. Камера 1 сгорания и резонансные каналы, выполненный в виде резонансных труб 2, размещены в камере 15 с теплоносителем 16.
Показанный на Фиг. 1 аппарат работает следующим образом. Вентилятор 12 нагнетает воздух через трубу 10 подачи воздуха в камеру 8 воздуха и обеспечивает продувку камеры 1 сгорания, при этом поток воздуха для запуска камеры 1 сгорания через обратный клапан 6 воздуха поступает в камеру 1 сгорания и через резонансные трубы 2 поступает в канал выхлопа. При открытии электромагнитного клапана 17 через обратный клапан 7 горючего газа в камеру 1 сгорания поступает горючий газ. При перемешивании горючего газа с воздухом образуется горючая смесь, которая воспламеняется свечой 18 зажигания. При горении в камере 1 сгорания повышается давление. Давление в камере 1 сгорания вынуждает продукты горения двигаться через резонансные трубы 2 из камеры 1 сгорания с ускорением, пропорциональным давлению в камере 1 сгорания. При этом скорость потока выхлопных газов в резонансных трубах 2 растет, а давление в камере 1 сгорания падает. Когда давление в камере 1 сгорания выравнивается с давлением канала выхлопа, в резонансных трубах 2 поток продуктов горения разгонится до некоторой скорости, завершив преобразование потенциальной энергии давления в камере 1 сгорания в кинетическую энергию потока в резонансных трубах 2. Обладая инерцией, продукты горения в резонансных трубах 2 продолжат двигаться, создавая разрежение в камере 1 сгорания. Разрежение в камере 1 сгорания открывает обратные клапаны 6 и 7 воздуха и горючего газа, и в камеру 1 сгорания поступают воздух и горючий газ, которые, перемешиваясь, образуют горючую смесь, которая воспламеняется горячими газами продуктов горения. Давление в камере 1 сгорания повышается, и цикл работы камеры 1 сгорания повторяется. Поскольку воздух в камеру 1 сгорания подается разрежением, а воспламенение горючей смеси производится горячими продуктами горения, то от источника питания отключаются вентилятор 12 и свеча 18 зажигания, но вентилятор 12 может продолжить вращение под воздействием потока воздуха, поступающего на горение. Камера 1 сгорания и резонансные трубы 2 нагревают теплоноситель 16.
Высокий коэффициент полезного действия аппаратов пульсирующего горения является следствием пульсаций расхода горячих выхлопных газов в резонансном канале. При пульсациях расхода турбулентность потока газа выше, чем при равномерном движении. Турбулентность выхлопных газов перемешивает поток и увеличивает взаимодействие потока выхлопных газов со стенками резонансного канала, который является частью теплообменного аппарата пульсирующего горения. Поскольку в резонансном канале происходит передача большей части тепловой энергии, то наиболее перспективно повышение эффективности теплообмена в резонансном канале.
Согласно настоящему изобретению, повышение коэффициента полезного действия аппарата пульсирующего горения является результатом увеличения амплитуды колебанийрасхода выхлопных газов в резонансном канале при заданном отношении площади теплообмена к площади проходного сечения резонансного канала. Для этого на выходе резонансного канала непосредственно или опосредованно через устройство согласования подключен резонатор 3 Гельмгольца выхлопа (Фиг. 1), имеющий собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения. Резонатор 13 Гельмгольца воздуха и резонатор 14 Гельмгольца горючего газа, имеющие собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения, позволяют увеличить эффект применения резонатора 3 Гельмгольца выхлопа. Повышение КПД и снижение шума аппарата пульсирующего горения при применении резонаторов Гельмгольца основано на свойствах резонатора Гельмгольца.
Обычно резонатор Гельмгольца состоит из камеры и присоединенной к ней трубы. Камера обладает свойством акустической ёмкости, а труба обладает свойством акустической индуктивности. Акустическая ёмкость и акустическая индуктивность образуют резонатор, который имеет собственную резонансную частоту. Если к камере вместо трубы присоединить выполненный иначе индуктивный канал, который обладает акустической индуктивностью равной акустической индуктивности замененной трубы, то камера и указанный канал образуют резонатор с акустическими свойствами, равными акустическим свойствам исходного резонатора Гельмгольца. Резонатор, образованный камерой и индуктивным каналом, в данном тексте именуется резонатором Гельмгольца. Для возможности явного указания на индуктивный канал пульсатора горения, в данном тексте индуктивный канал пульсатора горения именуется резонансным каналом. Свойством акустической индуктивности обладают труба, турбина, вентилятор, проход между элементами, если длина прохода не менее трех диаметров эквивалентной трубы, имеющей площадь поперечного сечения равную площади проходного сечения прохода и длину равную длине прохода.
Как известно, собственная частота резонатора Гельмгольца, образованного камерой и трубой, равна:
(1)
где  - собственная резонансная частота, ,
- скорость звука, ,
- площадь поперечного сечения трубы, ,
- объем камеры, ,
- длина трубы, .
Формула (1) получена из формулы:
(2)
где  - собственная резонансная частота, ,
- акустическая индуктивность, ,
- акустическая емкость, .
При параллельном соединении элементов или устройств, обладающих акустической индуктивностью, их суммарная акустическая индуктивность вычисляется по формуле:
(3)
где  - суммарная акустическая индуктивность, ,
и  - параллельно соединенные акустические индуктивности, ,
При последовательном соединении элементов или устройств, обладающих акустической индуктивностью, их суммарная акустическая индуктивность вычисляется по формуле:
(4)
где  - суммарная акустическая индуктивность, ,
и  - последовательно соединенные акустические индуктивности, ,
Камера имеет свойство акустической емкости, равной:
(5)
где  - акустическая емкость, ,
- коэффициент адиабаты,
- среднее давление в камере, ,
- объем камеры, .
Труба и проход имеют свойство акустической индуктивности, равной:
(6)
где  - акустическая индуктивность, ,
- плотность газа, ,
- длина трубы или иного канала, ,
- площадь поперечного сечения трубы или иного канала, .
Формула (6) не учитывает сжимаемость газа и скорость звука. Сжимаемость газа в канале приводит к тому, что ускорение расхода газа на входе в трубу увеличивается, что эквивалентно понижению фактической акустической индуктивности. При большой длине канала скорости газа на входе и выходе отличаются, в начале канала не вся масса газа в канале влияет на ускорение расхода в начале канала, поэтому фактическая акустическая индуктивность канала ниже. При длине канала, соизмеримой с четвертью длины волны колебаний расхода газа в канале, фаза колебаний расхода газа по длине трубы или прохода значительно отличается, поэтому эффективная акустическая индуктивность значительно отличается от расчетной.
Поток газа в турбине обладает акустической индуктивностью, равной:
(7)
где  - акустическая индуктивность, ,
- момент инерции турбины, ,
- площадь поперечного сечения потока газа в турбине, ,
- средний радиус потока газа в турбине, .
Резонаторы Гельмгольца влияют на проходящие через него акустические колебания. Амплитуда колебаний на выходе резонатора Гельмгольца изменяется относительно амплитуды колебаний на входе резонатора Гельмгольца в зависимости от соотношения частоты указанных акустических колебаний к собственной резонансной частоте резонатора Гельмгольца.
В электротехнике свойства колебательного контура хорошо изучены, а свойства акустического резонатора Гельмгольца подобны свойствам электрического колебательного контура. Аналогом акустического резонатора Гельмгольца является электрический параллельный колебательный контур, показанный на Фиг. 2, где G - идеальный генератор переменного тока, выходной ток которого не зависит от сопротивления на выходе генератора G.
Сопротивление акустической емкости  колебаниям с частотой  равно:
(8)
где  - сопротивление акустической емкости  колебаниям с частотой , ,
- частота колебаний, Гц,
- акустическая емкость, .
Сопротивление акустической индуктивности  колебаниям с частотой  равно:
(9)
- сопротивление акустической индуктивности  колебаниям с частотой , ,
- частота колебаний, Гц,
- акустическая индуктивность, .
Активное сопротивление R резонатора Гельмгольца, в отличие от электрического активного сопротивления, не постоянно. Известно, что при турбулентном движении потока газа в индуктивном канале создается перепад давления равный:
(10)
где  - перепад давления между входом и выходом индуктивного канала, Па,
- сумма аэродинамических коэффициентов сопротивления индуктивного канала,
- плотность газа, ,
- площадь поперечного сечения индуктивного канала, ,
- скорость потока газа, ,
- расход газа, .
Активное сопротивление индуктивного канала равно:
(11)
где  - активное сопротивление индуктивного канала, ,
- перепад давления между концами индуктивного канала при расходе газа , Па,
- расход газа, ,
- сумма аэродинамических коэффициентов сопротивления индуктивного канала,
- плотность газа, ,
- площадь поперечного сечения индуктивного канала, .
Добротность резонатора Гельмгольца равна:
(12)
где  - добротность резонатора Гельмгольца,
- сопротивление акустической индуктивности  колебаниям с резонансной частотой , ,
- активное сопротивление, .
На резонансной частоте входное сопротивление резонатора Гельмгольца равно:
(13)
где  - входное сопротивление резонатора Гельмгольца на резонансной частоте, ,
- добротность резонатора Гельмгольца,
- сопротивление акустической индуктивности  колебаниям с резонансной частотой , .
Амплитуда колебаний давления в камере на резонансной частоте равна:
(14)
где  - амплитуда колебаний давления, Па,
- амплитуда колебаний расхода на входе в резонатор Гельмгольца, ,
- входное сопротивление резонатора Гельмгольца на резонансной частоте, .
Амплитуда колебаний расхода газа в индуктивном канале на резонансной частоте равна:
(15)
где  - амплитуда колебаний расхода в индуктивном канале, ,
- амплитуда колебаний расхода на входе в резонатор Гельмгольца, ,
- добротность резонатора Гельмгольца.
Амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца на произвольной частоте равна:
(16)
где  - амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца на произвольной частоте, Па,
- амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца на резонансной частоте, Па,
- добротность резонатора Гельмгольца,
- резонансная частота, Гц,
- частота колебаний, Гц.
Амплитуда колебаний расхода газа в индуктивном канале на произвольной частоте равна:
(17)
где  - амплитуда колебаний расхода газа в индуктивном канале на частоте , ,
- амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца на произвольной частоте, Па,
- активное сопротивление индуктивного канала, ,
- сопротивление акустической индуктивности  колебаниям с частотой , ,
- частота колебаний, Гц,
- акустическая индуктивность, .
Коэффициент прохождения колебаний с частотой  через резонатор Гельмгольца равен:
(18)
где  - коэффициент прохождения колебаний с частотой ,
- амплитуда колебаний расхода газа на входе в резонатор Гельмгольца, ,
- амплитуда колебаний расхода газа в индуктивном канале, ,
С учетом формулы (17) коэффициент прохождения колебаний с частотой  через резонатор Гельмгольца равен:
(19)
где  - коэффициент прохождения колебаний с частотой ,
- амплитуда колебаний расхода газа с частотой  на входе в резонатор Гельмгольца, ,
- амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца на частоте , Па,
- активное сопротивление индуктивного канала, ,
- частота колебаний, Гц,
- акустическая индуктивность, .
С учетом формулы (16) формула (19) приобретает вид:
(20)
где  - коэффициент прохождения колебаний с частотой ,
- амплитуда колебаний расхода газа с частотой  на входе в резонатор Гельмгольца, ,
- активное сопротивление индуктивного канала, ,
- частота колебаний, Гц,
- акустическая индуктивность, ,
- добротность резонатора Гельмгольца
- амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца на резонансной частоте при амплитуде расхода газа на входе равной , Па,
- добротность резонатора Гельмгольца,
- резонансная частота, Гц.
С учетом формулы (14) формула (20) приобретает вид:
(21)
где  - коэффициент прохождения колебаний с частотой ,
- амплитуда колебаний расхода газа с частотой  на входе в резонатор Гельмгольца, ,
- активное сопротивление индуктивного канала, ,
- частота колебаний, Гц,
- акустическая индуктивность, ,
- амплитуда колебаний давления в камере резонатора Гельмгольца на резонансной частоте при амплитуде расхода газа на входе равной , Па,
- добротность резонатора Гельмгольца,
- резонансная частота, Гц.
С учетом формулы (9), формулы (12) и формулы (13) формула (21) приобретает вид:
(22)
где  - коэффициент прохождения колебаний с частотой ,
- частота колебаний, Гц,
- акустическая индуктивность, ,
- добротность резонатора Гельмгольца,
- резонансная частота, Гц.
Формула (22) упрощается до формулы:
(23)
где  - коэффициент прохождения колебаний с частотой ,
- резонансная частота, Гц,
- частота колебаний, Гц,
- добротность резонатора Гельмгольца.
2
1
На Фиг. 3 показано отношение амплитуды qколебаний расхода газа в индуктивном канале на выходе резонатора Гельмгольца к амплитуде qколебаний расхода газа на входе резонатора Гельмгольца в зависимости от добротности  резонатора Гельмгольца и отношения частоты колебаний расхода газа к собственной частоте резонатора Гельмгольца.
Принято оценивать отношение амплитуды колебаний расхода газа на входе к амплитуде расхода газа на выходе устройств в децибелах. Для этого используется формула:
(24)
где  - отношение амплитуды колебаний расхода газа на входе к амплитуде колебанийрасхода газа на выходе устройства в децибелах, дБ,
- амплитуда колебаний расхода газа на входе устройства, ,
- амплитуда колебаний расхода газа на выходе устройства, .
Для резонатора Гельмгольца с учетом формулы (23) формула (24) приобретает вид:
(25)
где  - отношение амплитуды колебаний расхода газа на входе к амплитуде колебанийрасхода газа на выходе устройства в децибелах, дБ,
- частота колебаний, Гц,
- резонансная частота, Гц,
- добротность резонатора Гельмгольца.
На Фиг. 4 показано выраженное в децибелах отношение амплитуды колебаний расхода газа на входе в резонатор Гельмгольца к амплитуде колебаний расхода газа в индуктивном канале в зависимости от добротности резонатора Гельмгольца и отношения частоты колебаний расхода газа к собственной частоте резонатора Гельмгольца.
Из графиков видно, что если частота пульсаций расхода равна или не значительно отличается от собственной резонансной частоты резонатора Гельмгольца, то амплитуда колебаний расхода в индуктивном канале резонатора больше амплитуды колебаний расхода на входе в резонатор. При превышении частоты колебаний расхода газа в 1,3 - 1,4 раза собственной частоты резонатора Гельмгольца амплитуда колебаний расхода газа в индуктивном канале резонатора Гельмгольца становится ниже амплитуды колебаний расхода газа на входе в резонатор. При последовательном подключении резонаторов Гельмгольца, их суммарное влияние на амплитуду выходных пульсаций оценивается суммой коэффициентов выраженных в децибелах. Например, два последовательно соединенных резонатора Гельмгольца с соотношением частоты пульсаций к собственной частоте равным 1,5 имеют суммарный коэффициент равный коэффициенту одного резонатора Гельмгольца с соотношением частоты пульсаций к собственной частоте равным 1,7.
Для увеличения КПД аппарата пульсирующего горения повышается амплитуда колебаний расхода выхлопных газов в резонансном канале. Для этого повышается амплитуда колебаний давления в камере сгорания и повышается амплитуда колебаний давления на выходе резонансного канала в противофазе колебаниям давления в камере сгорания, то есть повышается амплитуда колебаний перепада давления между входом и выходом резонансного канала аппарата пульсирующего горения.
Если выход резонансного канала производится в атмосферу, то сопротивление пульсациям расхода газа является минимальным. Но обычно продукты горения требуется выводить в атмосферу на удалении от аппарата пульсирующего горения. Для этого используются каналы выхлопа. Каналы выхлопа могут содержать различные элементы и устройства, например, турбина или вентилятор, теплообменник типа газ-газ, повороты, изменения площади поперечного сечения, изменение формы поперечного сечения, сетку-фильтр, запорную заслонку, виброизолирующие элементы. Канал выхлопа создает сопротивление пульсациям расхода газа в резонансном канале, что приводит к уменьшению амплитуды колебаний расхода газа в резонансном канале и, как следствие, к снижению КПД аппарата пульсирующего горения.
Для снижения сопротивления пульсациям расхода газа в резонансном канале, устанавливается камера на выходе резонансного канала непосредственно или опосредованно через элементы с малым сопротивлением пульсациям расхода газа. Например, на Фиг. 1 между резонансной трубой 2 и камерой 4 установлено согласующее устройство, состоящее из камеры 29 и трубы 30.
На Фиг.1 при пульсирующем горении происходят колебания в резонаторе, образованном камерой 1 сгорания и резонансными трубами 2. Кинетическая энергия скорости потока в резонансных трубах 2 переходит в потенциальную энергию давления в камере 1 сгорания и в выхлопной камере 2 и обратно. Амплитуда пульсаций расхода газа в резонансных каналах тем выше, чем выше энергия колебаний.
Энергия колебаний не будет изменяться, если при горении колебания получат прибавку энергии равную потерям энергии колебаний за период. Добротность резонатора пульсатора горения определяет во сколько раз энергия колебаний выше прибавки энергии колебаний горением. Повышение добротности резонатора, образованного камерой сгорания и резонансными каналами, приводит к повышению амплитуды колебаний давления в камере сгорания и амплитуды колебаний расхода выхлопных газов в резонансных каналах и, следовательно, к повышению эффективности теплообмена аппарата пульсирующего горения. Увеличение добротности резонатора, образованного камерой сгорания и резонансными каналами, обеспечивается уменьшением потерь энергии колебаний.
Потеря энергии колебаний состоит из потери кинетической энергии на активном сопротивлении резонансных каналов и из потери потенциальной энергии давления в камере сгорания и в выхлопной камере. Потеря потенциальной энергии давления происходит при понижении повышенного относительно среднего давления из-за утечек выхлопного газа и при повышении пониженного относительно среднего давления из-за притока выхлопного газа или воздуха.
На выходе камеры 4 выхлопа устанавливается индуктивный канал - выхлопная труба 5 с образованием резонатора 3 Гельмгольца, собственная резонансная частота которого ниже частоты пульсаций расхода. В этом случае значительно снижаются утечки пульсаций давления из камеры 4, повышается добротность резонатора, образованного камерой 1 сгорания и резонансными трубами 2, повышается энергия колебаний расхода газа в резонансных трубах 2, следовательно, повышается КПД аппарата пульсирующего горения. Утечка пульсаций горения из камеры 4 выхлопа являются акустическим шумом в канале выхлопа. Снижение утечек давления из камеры 4 выхлопа приводит к снижению уровня шума, создаваемого работой аппарата пульсирующего горения. Обычно, понижение шума в газовых каналах приводит к понижению коэффициента полезного действия аппарата из-за создания противодавления потоку газа, но в предложенном решении происходит повышение эффективности теплообмена аппарата пульсирующего горения и, следовательно, повышение коэффициента полезного действия с одновременным понижением шума в канале отвода выхлопных газов. Если после резонансных каналов последовательно расположено несколько резонаторов Гельмгольца, имеющих частоту ниже частоты пульсаций горения, то утечек давления будет еще меньше и, следовательно, выше КПД аппарата пульсирующего горении и ниже уровень создаваемого шума. На Фиг. 5 последовательно расположены резонатор 31 Гельмгольца выхлопа, образованный камерой 32 выхлопа и трубой 33 выхлопа, резонатор 34 Гельмгольца выхлопа, образованный камерой 35 выхлопа и трубой 36 выхлопа, и резонатор Гельмгольца выхлопа 37, образованный камерой 38 выхлопа и трубой 39 выхлопа.
Для достижения максимального эффекта в канале выхлопа последовательно устанавливают несколько, предпочтительно от трех до пяти, резонаторов Гельмгольца выхлопа, имеющих собственную резонансную частоту в 1,3-5 раз меньше частоты пульсаций горения. При отношении частоты пульсаций горения к собственной резонансной частоте резонатора Гельмгольца выхлопа менее чем 1,3 раза, резонаторы Гельмгольца выхлопа мало эффективны. С другой стороны, при отношении частот более 5 раз резонаторы Гельмгольца имеют значительные габариты и замена одного такого резонатора двумя эффективнее уменьшает утечки энергии рабочих колебаний при меньших габаритах и материалоемкости.
Если камера 4 выхлопа имела бы активное выходное сопротивление, например, в виде отверстия или щели, то камера с активным выходным сопротивлением являлась бы акустическим фильтром нижних частот. Акустический фильтр нижних частот имеет частоту среза:
(26)
где  - частота среза фильтра нижних частот, Гц,
- активное сопротивление на выходе камеры фильтра нижних частот, ,
- акустическая емкость камеры фильтра нижних частот, .
Акустический фильтр нижних частот не оказывает влияние на пульсации расхода газа с частотой ниже частоты среза и уменьшает амплитуду пульсаций расхода газа с частотой выше частоты среза на выходе относительно амплитуды пульсаций расхода газа на входе.
Резонатор Гельмгольца и фильтр нижних частот, при одинаковой камере и одинаковом активном сопротивлении, создают одинаковый перепад давления при одинаковом расходе выхлопа. Но сопротивление пульсациям расхода газа у резонатора Гельмгольца выше, чем у фильтра нижних частот, поскольку фильтр нижних частот создает только активное сопротивление пульсациям расхода газа, а резонатор Гельмгольца еще и индуктивное, которое больше активного пропорционально добротности. Утечки давления через резонатор Гельмгольца значительно ниже, чем через фильтр нижних частот, поэтому применение резонатора Гельмгольца, собственная резонансная частота которого ниже частоты пульсаций горения, для повышения КПД и снижения шума аппарата пульсирующего горения значительно эффективнее, чем применение фильтра нижних частот.
Дополнительное повышение КПД, кроме снижения утечек энергии колебаний в канал выхлопа, дает оптимизация фазы горения относительно фазы колебаний давления в камере 1 сгорания. Если горение происходит во время повышенного давления в камере 1 сгорания, то горение увеличивает энергию колебаний, а если горение происходит при пониженном давлении в камере 1 сгорания, то горение уменьшает энергию колебаний. На Фиг. 6 показано увеличение, а на Фиг. 7 показано уменьшение энергии колебаний в зависимости от фазы горения, где линии 40 и 41 показывают изменение давления в камере 1 сгорания при горении в интервале времени T.
Поскольку подача предварительно приготовленной горючей смеси или раздельно воздуха и горючего газа в камеру 1 сгорания происходит за счет пониженного давления в камере 1 сгорания, то горение всегда начинается при пониженном давлении в камере 1 сгорания. При горении при пониженном давлении в камере 1 сгорания происходит повышение давления в камере 1 сгорания, что ограничивает возможную добротность резонатора, образованного камерой 1 сгорания и резонансными каналами 2, что ограничивает минимальное возможное давление в камере 1 сгорания и, следовательно, ограничивает амплитуду колебаний давления в камере 1 сгорания. На Фиг. 8 в момент времени  начинается горение, линия 42 показывает возможную амплитуду без ограничения горением, а линия 43 показывает ограничение амплитуды колебаний давления в камере сгорания 1 горением.
Начало горения при пониженном давлении в камере 1 сгорания уменьшает энергию колебаний, поэтому время горения должно быть таким, чтобы горение заканчивалось при повышенном давлении в камере 1 сгорания и увеличение энергии колебаний при горении при повышенном давлении в камере 1 сгорания должно быть больше, чем уменьшение энергии колебаний при горении при пониженном давлении в камере 1 сгорания. Небольшое изменение фазы горения или времени горения приводит к значительному изменению энергии колебаний горением.
Если добротность резонатора Гельмгольца, образованного камерой сгорания 1 и резонансными каналами 2, не ограниченная началом горения, значительно выше, чем добротность этого резонатора, ограниченная началом горения, то возникает запас добротности. Этот запас добротности можно использовать для повышения эффективности теплообмена. При уменьшении объема полости камеры 4 выхлопа увеличивается амплитуда колебаний давления в камере 4 выхлопа и увеличиваются потери давления, но только до тех пор, пока остается запас добротности, это не приводит к уменьшению амплитуды колебаний давления в камере 1 сгорания. Повышение амплитуды колебаний давления в камере 4 выхлопа при сохранении амплитуды колебаний давления в камере 1 сгорания приводит к повышению амплитуды скорости выхлопных газов в резонансных трубах 2, что повышает эффективность теплообмена. Предпочтительно объем полости камеры 4 выхлопа составляет от 1 до 5 объемов камеры 1 сгорания, длина выхлопного канала в виде трубы 5 на выходе камеры 4 выхлопа равняется от 20 до 80 внутренних диаметров этой трубы 5, а поперечное сечение выхлопной трубы 5 составляет от 1/4 до 3/4 суммы поперечных сечений резонансных труб 2.
Поскольку начало горения зависит от времени начала подачи горючего газа в камеру 1 сгорания, то для повышения амплитуды колебаний производится задержка подачи газа. Для задержки подачи горючего газа в камеру 1 сгорания повышается среднее давление в камере 1 сгорания относительно давления горючего газа в камере 9 горючего газа увеличением сопротивления выхлопного канала. Влияние среднего давления в камере 1 сгорания на амплитуду колебаний давления в камере 1 сгорания показано на Фиг. 9, где линия 44 показывает более высокое среднее давление в камере 1 сгорания по сравнению со средним давлением 45 в камере 1 сгорания, линия 46 показывает давление в камере 1 сгорания, при котором начинается подача горючего газа в камеру 1 сгорания, линия 47 показывает давление в камере 1 сгорания при начале горения, которое ограничивает амплитуду колебаний давления в камере 1 сгорания. На Фиг. 9 видно, что при более низком среднем давлении в камере 1 сгорания горение начинается раньше, поэтому 48 амплитуда колебаний давления при среднем давлении 45 ниже, чем амплитуда 49 колебаний давления при среднем давлении 44. Кроме того, увеличить разницу среднего давления в камере сгорания 1 и давления в камере 9 горючего газа можно, установив выше по потоку горючего газа относительно камеры 9 горючего газа регулятор давления или аэродинамическое сопротивление.
При большой разнице среднего давления горючего газа в камере 9 горючего газа относительно среднего давления в камере 1 сгорания подача горючего газа в камеру 1 сгорания происходит на малом участке пониженного давления в камере 1 сгорания близко к минимуму давления в камере 1 сгорания, и небольшое отклонение амплитуды колебаний давления в камере 1 сгорания может привести к большому изменению порции горючего газа, поступившего в камеру 1 сгорания, что делает амплитуду колебания давления в камере 1 сгорания склонными к нестабильности. Для повышения стабильности амплитуды колебаний давления в камере 1 сгорания, а, следовательно, повышения возможной амплитуды стабильных колебаний давления в камере 1 сгорания между каналом подачи горючего газа и камерой 9 горючего газа установлена труба 11 подачи горючего газа на Фиг. 1 с высокой акустической индуктивностью, например, труба длиной от 10 до 30 внутренних диаметров, и объем полости камеры 9 горючего газа выбирается, например, от 0,05 до 0,5 объемов камеры 1 сгорания, чтобы изменение порции горючего газа, поступившего в камеру 1 сгорания, приводило к заметному изменению давления в камере 9 горючего газа. Это делает приток горючего газа в камеру 9 горючего газа близким к постоянному. Стабилизация притока горючего газа в камеру 9 горючего газа уменьшает шум, который создают пульсации расхода в канале горючего газа. Для создания значительного понижения давления горючего газа в камере 9 горючего газа требуется значительное сопротивление трубы 11 подачи горючего газа, что понижает влияние акустической индуктивности на поток горючего газа. Камера 9 горючего газа и труба 11 подачи горючего газа образуют резонатор Гельмгольца горючего газа с собственной резонансной частотой ниже частоты пульсаций горения. Повышает эффект стабилизации порции газа, поступающего в камеру 1 сгорания за период, установка последовательно нескольких резонаторов Гельмгольца горючего газа, которые имеют собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения.
На Фиг. 5 показан аппарат по третьему варианту изобретения, в котором в канале горючего газа расположены последовательно по потоку резонатор 50 Гельмгольца горючего газа, состоящий из камеры 51 горючего газа и трубы 52 подачи горючего газа, и резонатор 53 Гельмгольца горючего газа, состоящий из камеры 54 горючего газа и трубы 55 подачи горючего газа. Труба 55 подачи горючего газа подключена к клапану 56 управления подачей горючего газа. Клапан 56 может иметь функцию регулировки расхода горючего газа. Резонатор 50 Гельмгольца горючего газа расположен внутри камеры 54 горючего газа резонатора 53 Гельмгольца горючего газа. Резонаторы 50 и 53 Гельмгольца горючего газа имеют собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения. Стабилизация порции горючего газа, поступающего в камеру 1 сгорания за период, позволяет повысить амплитуду стабильных колебаний давления в камере 1 сгорания. Если требуется большое сопротивление для требуемого снижения давления горючего газа в камере ограждения 51 горючего газа, то резонатор 50 Гельмгольца горючего газа работает как фильтр нижних частот и может быть заменен эквивалентным фильтром нижних частот. На Фиг. 10 обратный клапан 67 горючего газа помещен в камеру 68 горючего газа, имеющую входное отверстие 69. Камера 68 горючего газа с входным отверстием 69 является фильтром нижних частот. Сопротивление в виде отверстия может быть нестабильным, что приведет к генерации пульсаций в камере 68 горючего газа, а это приведет к нестабильности фазы поступления горючего газа в камеру 1 сгорания. В результате угол горения будет нестабилен и нестабильна амплитуда пульсаций давления в камере 1 сгорания. Для стабилизации сопротивления оно распределяется по длине потока, например, путем использования трубки Вентури или трубки с расположенными в ней стержнями, как показано на Фиг. 11. Вход в камеру 70 горючего газа выполнен в виде трубки 72 с расположенными в ней стержнями 73.
Повышение амплитуды колебаний давленияпроисходит при неизбежном повышении среднего давления в камере 1 сгорания. При повышении среднего давления в камере 1 сгорания затрудняется подача воздуха в камеру 1 сгорания, поскольку подача воздуха производится уменьшенным перепадом давления.
В воздушном канале на Фиг.1 для подачи воздуха в камеру 1 сгорания присутствуют сопротивления, такие как вентилятор 12 продувки, труба 10 подачи воздуха, обратный клапан 6 воздуха. При турбулентном потоке перепад давления на сопротивлении пропорционален квадрату расхода. Подача воздуха в камеру 1 сгорания производится по времени менее половины периода пульсаций горения, поэтому расход подачи воздуха в камеру 1 сгорания более чем в два раза превышает средний расход воздуха, и требуется перепад давления более чем в четыре раза больше, чем при равномерном среднем расходе. Для обеспечения эффективной подачи требуемого количества воздуха обратный клапан 6 воздуха помещен в полость камеры 8 воздуха, к которой последовательно подключена труба 10 подачи воздуха с высокими инертными свойствами (высокой акустической индуктивностью). Камера 8 воздуха и труба 10 подачи воздуха образуют резонатор 13 Гельмгольца воздуха, который имеет собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения.
Расход воздуха в трубе 10 подачи воздуха имеет меньше пульсаций, чем расхода воздуха клапана 6 воздуха, что облегчает поставку воздуха в камеру 1 сгорания. Кроме того, движение воздуха по трубе 10 подачи воздуха происходит и при закрытом клапане 6 воздуха, поэтому в камере 8 воздуха создается повышенное давление ко времени очередного открытия обратного клапана 6 воздуха и начала поставки воздуха в камеру 1 сгорания, что значительно улучшает поставку воздуха в камеру 1 сгорания.
Отношение частоты пульсаций горения к собственной частоте резонатора 13 Гельмгольца определяет степень стабилизации притока воздуха. Чем больше отношение частот, тем больше степень стабилизации притока воздуха. Для получения стабилизации притока воздуха до близкого к постоянному требуется очень низкая частота резонатора, что требует большого объема камеры 8 воздуха и большой длины трубы 10 воздуха. При большой длине трубы 10 воздуха на индуктивные свойства трубы оказывают влияние сжимаемость газа и скорость звука, что приводит к снижению фактической индуктивности газа в трубе 10 воздуха относительно расчетной и к повышению фактической частоты резонатора 13 Гельмгольца воздуха относительно расчетной.
Поскольку невозможно получить требуемую стабилизацию притока воздуха одним резонатором, то в воздушном канале последовательно устанавливают несколько, предпочтительно от трех до пяти, резонаторов Гельмгольца. На Фиг. 5 в канале воздуха последовательно по потоку установлены резонатор 57 Гельмгольца воздуха, состоящий из камеры 58 воздуха и трубы 59 подачи воздуха, резонатор 60 Гельмгольца воздуха, состоящий из камеры 61 воздуха и трубы 62 подачи воздуха, и резонатор 63 Гельмгольца воздуха, состоящий из камеры 64 воздуха и трубы 65 подачи воздуха. В камере 64 воздуха резонатора 63 Гельмгольца воздуха расположены вентилятор 66 продувки и камера 58 воздуха резонатора 57 Гельмгольца воздуха. Вентилятор 66 повышает стабилизацию расхода воздуха. Резонаторы 57, 60 и 63 Гельмгольца воздуха имеют собственную резонансную частоту ниже пульсаций расхода горения.
По результатам проведенных экспериментов, предпочтительно, объем камер резонаторов Гельмгольца в воздушном канале составляет от 0,5 до 5 объемов камеры сгорания, площадь поперечного сечения труб в воздушном канале составляет от 0,25 до 1,0 суммарного поперечного сечения резонансных труб 2, длина каждой трубы в воздушном канале составляет от 20 до 50 внутренних диаметров одной трубы, что соответствует коэффициенту отношения частоты рабочих колебаний расхода воздуха к собственной частоте резонатора от 1,3 до 5.
На Фиг. 12 аппарат пульсирующего горения содержит резонансный канал, выполненный в виде зазора 74 между цилиндром 75 и помещенной в него камерой 76 сгорания. Стенки камеры 76 сгорания образованы завитой в спираль трубой 77, в которой находится теплоноситель 78. Камера 79 выхлопа и выхлопная труба 80 образуют резонатор Гельмгольца выхлопа с собственной резонансной частотой ниже частоты пульсаций горения.
На Фиг. 13 и Фиг. 14 аппарат пульсирующего горения содержит резонансный канал 81, выполненный в виде зазора между стенками 82 и 83. Стенки 82 и 83 установлены между труб 84 с жидким теплоносителем 85. Стенки 82 со стенками 86 образуют камеру 87 сгорания. Зазор между станками 82 и 86 соединяет резонансный канал 81 с камерой 87 сгорания. Зазор между стенкой 86 и стенкой 88 соединяет резонансный канал 81 с камерой 89 выхлопа. Камера 89 выхлопа и выхлопная труба 90 образуют резонатор Гельмгольца выхлопа с собственной резонансной частотой ниже частоты пульсаций горения.
На Фиг. 15 аппарат пульсирующего горения содержит резонансный канал в виде турбины 91, которая соединена с камерой 92 сгорания и расположена в камере 93 выхлопа, образующей с выхлопной трубой 94 резонатор 95 Гельмгольца выхлопа с собственной резонансной частотой ниже частоты пульсаций горения. Камера 92 сгорания и камера 93 выхлопа расположены в камере 96 с теплоносителем 97.
На Фиг. 16 аппарат пульсирующего горения содержит резонансный канал в виде соединенных с камерой 98 сгорания последовательно расположенных трубы 99 и турбины 100. Труба 99 и турбина 100 расположены в камере 101 выхлопа которая с выхлопной трубой 102 образует резонатор 103 Гельмгольца выхлопа с собственной резонансной частотой ниже частоты пульсаций горения. Камера 98 сгорания и камера 101 выхлопа расположены в камере 104 с теплоносителем 105.
Камера сгорания с резонансным каналом могут иметь температурное расширение отличное от температурного расширения устройства отбора тепла. Для предотвращения возникающих при этом напряжений резонансный канал может соединяться с устройством отбора тепла с применением скользящей посадки. На Фиг. 17 жестко соединены камера 106 сгорания, резонансные каналы 107 в виде нескольких параллельных труб, камера 108 сопряжения и труба 109 сопряжения. Труба 109 сопряжения посредством уплотнителя 110 соединяется скользящей посадкой с камерой 111 с теплоносителем 112. Уплотнитель 110 позволяет трубе 109 сопряжения перемещаться вдоль своей оси относительно камеры 111 и не позволяет теплоносителю 112 проникать в камеру 113.
На Фиг. 18 аппарат пульсирующего горения содержит резонатор 114 Гельмгольца выхлопа, образованный камерой 115 выхлопа и индуктивным выхлопным каналом в виде последовательно соединенных турбины 116 и трубы 117. Резонатор 114 Гельмгольца выхлопа имеет собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения.
На Фиг. 19 аппарат пульсирующего горения по второму варианту изобретения содержит первый резонатор 118 Гельмгольца выхлопа, образованный камерой 119 выхлопа и индуктивным выхлопным каналом в виде турбины 120, и второй резонатор Гельмгольца 121 выхлопа, образованный второй камерой 122 выхлопа и второй выхлопной трубой 123, при этом выхлопной канал в виде турбины 120 сообщен с второй камерой 122 выхлопа. Резонаторы Гельмгольца 118 и 121 выхлопа имеют собственную резонансную частоту ниже частоты пульсаций горения.
Резонаторы Гельмгольца могут иметь более одного индуктивного канала. Выходы этих индуктивных каналов могут быть подключены к одному или разным элементам. На вход резонатора Гельмгольца могут подключаться несколько потоков газа. Такие подключения могут быть выполнены в каналах выхлопа, воздуха, горючего газа и горючей смеси.
На фиг. 20 показан аппарат по четвертому варианту изобретения.На примере канала выхлопа Фиг. 20 показывает использование резонаторов Гельмгольца выхлопа с несколькими индуктивными выхлопными каналами. Резонатор 124 Гельмгольца выхлопа состоит из камеры 125 выхлопа и индуктивных выхлопных каналов в виде двух труб 126 и 127. Выход выхлопной трубы 126 подключен к резонатору 128 Гельмгольца выхлопа, состоящему из камеры 129 выхлопа и выхлопной трубы 130, а выход выхлопной трубы 127 подключен к резонатору 131, состоящему из камеры 132 выхлопа и выхлопной трубы 133. В камерах 125 и 129 выхлопа давление пульсаций находится в противофазе. Пульсации расходов, поступающие в камеру 132 выхлопа по выхлопным трубам 127 и 130, тоже находятся в противофазе. Если амплитуды пульсаций расходов в выхлопных трубах 127 и 130 будут одинаковы, то пульсации давления в камере 132 выхлопа будут значительно ниже, чем при отсутствии выхлопной трубы 127. Амплитуда давления в камере 129 выхлопа значительно ниже, чем амплитуда давления в камере 125 выхлопа. Для равенства амплитуды пульсаций расхода в выхлопных трубах 127 и 130 акустическая индуктивность выхлопной трубы 127 должна быть больше акустической индуктивности выхлопной трубы 130 во столько раз, во сколько раз амплитуда пульсаций в камере 125 выхлопа больше амплитуды пульсаций в камере 129 выхлопа.
На Фиг. 21 показано, как можно понизить потери, вызванные утечками из камеры резонатора 134 Гельмгольца выхлопа, образованного камерой 135 выхлопа и выхлопной трубой 136, если понизить амплитуду колебаний давления при сохранении объема камеры 135 выхлопа. Для этого можно подключить к камере 134 выхлопа резонатор 137 Гельмгольца выхлопа, состоящий из камеры 138 выхлопа и выхлопной трубы 139, или четвертьволновый резонатор (на рисунке не указан), собственная частота которого равна частоте пульсаций горения. Предпочтительно устанавливать резонатор 137 Гельмгольца выхлопа соосно со входом в резонатор 134 Гельмгольца выхлопа, например, соосно с трубой 140 сопряжения. Резонатор 137 Гельмгольца выхлопа должен иметь высокую добротность. При высокой добротности резонатора 137 Гельмгольца выхлопа небольшое различие собственной частоты резонатора 137 Гельмгольца выхлопа и частоты пульсаций горения, фаза колебаний резонатора 137 Гельмгольца выхлопа значительно отличается от фазы колебаний горения, что значительно понижает эффективность применения резонатора 137 Гельмгольца выхлопа. Обычно аппарат пульсирующего горения работает в широком диапазоне температур теплоносителя, что приводит к значительному диапазону температур выхлопных газов и скорости звука в выхлопных газах. В этих условиях собственная частота резонатора 137 Гельмгольца выхлопа изменяется. Применение резонатора 137 Гельмгольца выхлопа для понижения амплитуды колебания давления в камере 135 выхлопа ограничено узкими применениями аппарата пульсирующего горения, если в этих применениях температурный режим работы аппарата пульсирующего горения одинаков большую часть времени эксплуатации. Показанное на Фиг. 21 подключение резонатора 137 Гельмгольца выхлопа к камере 135 выхлопа служит для уменьшения амплитуды колебаний давления в камере 135 выхлопа для уменьшения утечек колебаний давления в индуктивный выхлопной канал в виде выхлопной трубы 136.
Пульсации давления в камере резонатора Гельмгольца можно использовать для выработки электрической энергии. На Фиг. 22 показан резонатор 141 Гельмгольца выхлопа, состоящий из камеры 142 выхлопа и выхлопной трубы 143. К камере 142 выхлопа подключена динамическая головка 144, которая расположена в ограждении 145. Динамическая головка 144 преобразует колебания давления в камере 142 выхлопа в переменный ток, а ограждение 145 предотвращает распространение акустического шума в окружающую среду. Кроме выработки энергии снижается амплитуда пульсаций в камере 142 выхлопа.
Внутри камеры резонатора Гельмгольца могут располагаться различные элементы. На Фиг. 5 вентилятор 66 расположен в камере 64 воздуха резонатора 63 Гельмгольца воздуха. На Фиг. 5 резонатор 50 Гельмгольца горючего газа расположен в камере 54 горючего газа резонатора 53 Гельмгольца горючего газа. На Фиг. 15 резонансный канал в виде турбины 91 расположен в камере 93 выхлопа резонатора 95 Гельмгольца выхлопа. На Фиг. 23 турбина 146, являющейся частью любого индуктивного канала (выхлопного, воздушного, горючего газа, горючей смеси), состоящего из турбины 146 и трубы 147, расположенной на входе внутри камеры 148 резонатора 149 Гельмгольца. На Фиг. 24 в камере 150 на выходе расположено обратимое устройство 151, которое может работать как турбина и как вентилятор, являющееся частью индуктивного канала, продолжением которого служит труба 152.
Камеры резонаторов Гельмгольца выхлопа, воздуха, горючего газа и горючей смеси могут быть выполнены из металла, бетона или железобетона.
Дополнительно можно повысить КПД аппарата пульсирующего горения, если располагать трубы выхлопного канала в трубах канала воздуха и/или трубы канала воздуха в трубах выхлопного канала. На Фиг. 25 в трубе 153 выхлопа резонатора Гельмгольца выхлопа расположена труба 154 подачи воздуха резонатора Гельмгольца воздуха и в трубе 155 подачи воздуха резонатора Гельмгольца воздуха расположена выхлопная труба 156 резонатора Гельмгольца выхлопа.
Для уменьшения сопротивления входа и выхода индуктивного канала в камеру резонатора Гельмгольца, при соединении индуктивного канала к камере можно использовать насадки, например, насадок Борда и насадок Вентури. Например, на Фиг. 5 выхлопная труба 36 на входе утоплена в камеру 35 выхлопа, образуя насадок Борда, а на выходе утоплена в камеру 38 выхлопа, образуя насадок Вентури.
В некоторых случаях в выхлопном канале или в канале подачи воздуха можно устанавливать элементы с активным сопротивлением, например, дополнительный теплообменник 157 типа газ-газ, (Фиг. 26), или, например, для исключения попадания мусора и нежелательных предметов можно установить фильтр 158 (Фиг. 1) в виде сетки в любом месте выхлопного канала или в любом месте воздушного канала. На Фиг. 26 показан теплообменник 157, обдуваемый вентилятором 158, установленный в разрыв выхлопной трубы 159, которая с камерой 160 выхлопа образует резонатор 161 Гельмгольца выхлопа с собственной частотой ниже частоты пульсаций горения. При установке элемента с активным сопротивлением в индуктивном выхлопном канале или в камере выхлопа резонатора Гельмгольца выхлопа, собственная резонансная частота резонатора Гельмгольца выхлопа не изменится, но увеличится общий перепад давления на отвод выхлопных газов.
В камере любого резонатора Гельмгольца может устанавливаться одна или несколько перегородок. Перегородки могут быть выполнены в виде перфорированного листа, сплошного листа с одним или несколькими отверстиями и/или одной или несколькими щелями. На Фиг. 27 резонатор 162 Гельмгольца образован камерой 163 и трубой 164. Перегородка 165 с отверстием 166 делит полость камеры 163 на полости 167 и 168. Если площадь отверстия 166 не более площади поперечного сечения трубы 164, то полость 167 с отверстием 166 образуют акустический фильтр нижних частот, а полость 168 с трубой 164 образуют резонатор Гельмгольца. Если площадь отверстия 166 не менее двух площадей поперечного сечения трубы 164, то полости 167 и 168 работают как единая полость, которая образует с трубой 164 резонатор Гельмгольца. Если площадь отверстия 166 в диапазоне от 1 до 2 площадей поперечного сечения трубы 164, то это переходное состояние, в котором часть полости 167 образует фильтр нижних частот, а часть полости 167 совместно с полостью 168 и трубой 164 образует резонатор Гельмгольца.
Работа аппарата пульсирующего горения сопровождается колебаниями расхода газа. Колебания расхода газа являются источником шума. Кроме того, в результате проведенных авторами изобретения исследований, было обнаружено, что при работе аппаратов пульсирующего горения обратными клапанами газовых сред образуется крутой фронт изменения скорости и давления газового потока, который по своим свойствам похож на ударную волну. Далее для этого явления используется формулировка ударная волна. Ударная волна является источником шума и вибрации высокой интенсивности. Таким образом, кроме шума от колебаний расхода газа при работе аппарата пульсирующего горения создается дополнительный шум и вибрация от ударной волны.
Ударная волна создается обратным клапаном. При закрытии механического обратного клапана производится перемещение мембран из положения открытого состояния клапана в положение закрытого состояния клапана обратным потоком газа. В момент достижения мембранами положения закрытого состояния клапана поток газа быстро, практически мгновенно, останавливается, что создает ударную волну в газе, подобно образованию гидроудара при закрытии обратного гидравлического клапана. При этом на одной стороне обратного механического клапана происходит скачок повышения давления, а на другой стороне клапана происходит скачок понижения давления. Клапан испытывает воздействие, подобное удару твердым предметом, а в газовой среде в обе стороны от обратного клапана распространяется ударная волна, которая является источником шума и вибрации высокой интенсивности.
Ударная волна обладает большой энергией, длится короткое время и имеет короткий фронт. На каждом рабочем периоде колебаний расхода газа образуется ударная волна. Время формирования ударной волны и ее переходных процессов многократно меньше рабочего периода колебаний расхода газа. Поэтому каждая отдельная ударная волна ведет себя как одиночное воздействие.
Для снижения влияния ударной волны на входе и/или выходе обратного клапана 169 воздуха может быть установлен гаситель ударной волны (Фиг. 28). Гасители ударной волны могут представлять собой акустические фильтры 170 нижних частот, включающие малые камеры 171, имеющие не соосные входы и выходы и соединенные последовательно отверстиями 172, и/или щелями или гасители ударной волны представляют собой резонаторы 173 Гельмгольца, включающий малые камеры 174, имеющие не соосные входы и выходы и соединенные последовательно трубами 175, имеющими диаметр соизмеримый с длиной. При этом акустический фильтр 170 нижних частот подбирается с частотой среза выше частоты пульсаций горения, а также собственная частота указанного резонатора 173 Гельмгольца подбирается выше частоты пульсаций горения. Кроме того, гаситель ударной волны может быть выполнен в виде изогнутого участка трубы 176, образующего поворот канала, или в виде сплошного листа 177, установленного с зазором относительно стенок канала, или перфорированного листа 178, или листа 179 металловойлока, установленного на пути распространения ударной волны.
Обратный клапан 169 воздуха с гасителями ударной волны в виде акустических фильтров 170 нижних частот или с гасителями ударной волны в виде резонаторов 173 Гельмгольца устанавливается на камеру 180 сгорания с применением виброизолятора 181.
На входе и/или выходе обратного клапана 182 горючего газа также может быть установлены гасители ударной волны в виде акустических фильтров 183 нижних частот, представляющего собой малые камеры 184, имеющие несоосные входы и выходы и соединенные отверстиями 185, и/или щелями, или гасителями ударной волны в виде резонаторов Гельмгольца 186, включающий малые камеры 187, имеющие не соосные входы и выходы и соединенные последовательно трубами 188, имеющими диаметр соизмеримый с длиной. Обратный клапан 182 горючего газа с акустическими фильтрами 183 нижних частот или резонаторами Гельмгольца 186 устанавливается на камеру 180 сгорания с применением виброизолятора 189. При высоком коэффициенте виброизоляции конструкция обратного клапана 169, 182 воздуха или горючего газа с установленными акустическим фильтрами 170, 183 нижних частот или резонаторов 173, 186 Гельмгольца может потребовать дополнительных мер для фиксации в необходимом положении в пространстве, таких как, например, установка дополнительных упругих элементов 190, 191.
Гаситель ударной волны может быть выполнен в виде винтового канала для потока газа. На Фиг. 29 показан гаситель 192 в виде винтового канала на входе обратного клапана 193. На выходе обратного клапана 193 установлены гасители 194 в виде фильтра нижних частот, стенки которого покрыты звукопоглощающим материалом 195.
Ударная волна создает вибрации элементов аппарата пульсирующего горения. Вибрации стенок камер создают акустический шум внутри камер. Этот шум многократно отражается от стенок камеры и значительно усиливается излучение акустического шума с внешней стороны камер. Значительное снижение акустического шума с внешней стороны камер достигается покрытием звукопоглощающими материалами стенок камер с внутренней стороны. Покрытие внутренней стороны стенок применяется для камер ограждения обратных клапанов - камер воздуха, горючего газа и горючей смеси. Также покрытие звукопоглощающими материалами применяется для камер резонаторов Гельмгольца выхлопа, воздуха, горючего газа и горючей смеси, при этом звукопоглощающие материалы, как правило, обладают теплоизолирующими свойствами и снижают потери тепловой энергии. На Фиг. 28 звукопоглощающим материалом 196 покрыты стенки камеры 197 воздуха. На Фиг. 5 показан звукопоглощающий материал 198 на стенках камеры 58 воздуха, звукопоглощающий материал 200 на стенках камеры 64 воздуха резонатора 63 Гельмгольца воздуха, звукопоглощающий материал 201 на стенках камеры 32 выхлопа резонатора 31 Гельмгольца выхлопа и звукопоглощающий материал 202 на стенках камеры 38 выхлопа резонатора 37 Гельмгольца выхлопа.
Аппараты пульсирующего горения могут иметь различные варианты конструкции, отличающиеся способом формирования горючей смеси, типом используемых обратных клапанов, способом съема тепловой энергии.
На Фиг. 1 аппарат пульсирующего горения с раздельной подачей воздуха и горючего газа.
На Фиг. 30 показан вариант с предварительным приготовлением горючей смеси. Горючий газ по каналу 203 поступает в поток воздуха, движущийся в канале 204. По каналу 205 горючая смесь поступает в камеру 206 горючей смеси. В камеру 207 сгорания горючая смесь поступает через обратный клапан 208 горючей смеси и пламегаситель 209, который имеет проходные каналы, диаметр каждого из которых меньше длины канала. Стенки камеры 206 горючей смеси покрыты звукопоглощающим материалом 210.
На Фиг. 31 показан динамический обратный клапан 211 воздуха. По трубе 212 подачи воздуха воздух поступает в камеру 213 воздуха и через динамический обратный клапан 211 воздуха поступает в камеру 214 сгорания. По трубе 215 отводятся обратные выхлопные газы. Горючий газ поступает по каналу 216 подачи горючего газа в камеру 217 горючего газа с установленными на входе и выходе гасителями 219 ударной волны. Обратный клапан 218 горючего газа установлен с применением виброизолятора 220.
На Фиг. 1 показан вариант передачи тепловой энергии камерой 1 сгорания и резонансными каналами 2 в виде труб жидкому теплоносителю 16, например, воде.
На Фиг. 32 показан вариант передачи тепловой энергии камерой 221 сгорания и резонансными каналами 222 в виде труб потоку воздуха. Поток воздуха создается вентилятором 223. Камера 221 сгорания имеет оребрение 224, а резонансные каналы 222 имеют оребрение 225.
Кроме того, на повышение амплитуды давления в камере 1 сгорания в процессе горения влияет качество перемешивания топливно-воздушной смеси. Возможны различные варианты устройств формирования горючей смеси. Предпочтительными являются варианты, описанные ниже.
На Фиг. 33-35 показано устройство формирования горючей смеси с перегородкой для создания турбулентности при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру 226 сгорания через торцевую стенку 227 камеры 226 сгорания. Обратный клапан 228 воздуха и обратный клапан 229 горючего газа соединены с камерой 226 сгорания посредством соответственно первого и второго патрубков 230 и 231. Ось первого патрубка 230 расположена под углом к торцевой стенке 227 камеры 226 сгорания с наклоном в сторону второго патрубка 231. Второй патрубок 231 соединен с камерой 226 сгорания посредством отверстий 232 и/или щелей. На выходе первого патрубка 230 расположена перегородка 233, отделяющая выход первого патрубка 230 от выхода второго патрубка 231.
Воздух от обратного воздушного клапана 228 по каналу первого патрубка 230 поступает в камеру 226 сгорания близко к торцевой стенке 227 камеры 226 сгорания. Находящаяся на пути потока воздуха плохо обтекаемая перегородка 233 создает турбулентность воздушного потока. Горючий газ от обратного клапана 229 по каналу второго патрубка 231 поступает в камеру 226 сгорания через отверстия 232, где смешивается с воздухом. Расстояние между входом воздуха и входом газа в камеру 226 сгорания и близость торцевой стенки 227 камеры 226 сгорания создает задержку образования горючей смеси, чем задерживается начало горения. Турбулентность потока воздуха делает перемешивание газа и воздуха таким, что обеспечивается достаточное время горения для поддержания высокой амплитуды колебаний и полное сгорание горючего газа с низким содержанием вредных выбросов.
На Фиг. 36-38 показано устройство формирования горючей смеси с направляющим элементом при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру 234 сгорания через торцевую стенку 235 камеры 234 сгорания. Обратный воздушный клапан 236 соединен с камерой 234 сгорания посредством третьего патрубка 237, на выходе которого в камере 234 сгорания расположен направляющий элемент 238, выполненный с возможностью направления потока воздуха вдоль стенки 235 камеры 234 сгорания. Обратный клапан 239 горючего газа соединен с камерой 234 сгорания посредством четвертого патрубка 240, который соединен с камерой 234 сгорания посредством отверстий 241 и/или щелей, расположенных по ходу воздуха, поступающего от направляющего элемента 238.
Воздух от обратного воздушного клапана 236 по каналу третьего патрубка 237 поступает в камеру 234 сгорания. Направляющий элемент 238 создает турбулентность воздушного потока и поворачивает воздушный поток в направлении вдоль торцевой стенки 235 камеры 234 сгорания. Горючий газ от обратного клапана 239 по каналу четвертого патрубка 240 поступает в камеру 234 сгорания через отверстия 241, где смешивается с воздухом. Расстояние между входом воздуха и входом газа в камеру 234 сгорания и близость торцевой стенки 235 камеры 234 сгорания создает задержку образования горючей смеси, чем задерживается начало горения. Турбулентность потока воздуха делает перемешивание газа и воздуха таким, что обеспечивается достаточное время горения для поддержания высокой амплитуды колебаний и полное сгорание горючего газа с низким содержанием вредных выбросов.
На Фиг. 39-41 показано устройство формирования горючей смеси с лопастями при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру 242 сгорания через торцевую стенку 243 камеры 242 сгорания. Обратный воздушный клапан 244 соединен с камерой 242 сгорания посредством пятого патрубка 245, в котором на выходе в камеру 242 сгорания установлена, по меньшей мере одна, лопасть 246, частично перекрывающая канал пятого патрубка 245. Пятый патрубок 245 охвачен кольцевой камерой 247 горючего газа, сообщенной с камерой 242 сгорания посредством кольцевой щели 248 и соединенной с обратным клапаном 249 горючего газа шестым патрубком 250.
Воздух от обратного воздушного клапана 244 по каналу пятого патрубка 245 поступает в камеру 242 сгорания. Лопасти 246 создают турбулентность воздушного потока и придают большей части воздушного потока вращательное движение близко к торцевой стенке 243 камеры 242 сгорания. Горючий газ от обратного клапана 249 по каналу патрубка 250 поступает в камеру 242 сгорания через кольцевую щель 248, где смешивается с воздухом. Расстояние между входом воздуха и входом газа в камеру 242 сгорания и близость торцевой стенки 243 камеры 242 сгорания создает задержку образования горючей смеси, чем задерживается начало горения. Турбулентность потока воздуха делает перемешивание газа и воздуха таким, что обеспечивается достаточное время горения для поддержания высокой амплитуды колебаний и полное сгорание горючего газа с низким содержанием вредных выбросов.
На Фиг. 42 и 43 показано устройство формирования горючей смеси с лопастями при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру 251 сгорания через торцевую стенку 252 камеры 251 сгорания. Горючий газ и воздух могут подаваться в камеру сгорания через один или несколько обратных клапанов. Например, на Фиг. 42 и 43 показано устройство формирования горючей смеси при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру сгорания, при котором горючий газ в камеру сгорания поступает через четыре обратных клапана, воздух также поступает через четыре обратных клапана. Обратные воздушные клапаны 253 соединены с камерой 251 сгорания посредством седьмого патрубка 254, в котором на выходе в камеру 251 сгорания установлены четыре лопасти 255, 256, 257, 258 частично перекрывающие канал седьмого патрубка 254. К седьмому патрубку 254 примыкают четыре переходных камеры 259, 260, 261, 262 малого объема, сообщенные с камерой 251 сгорания посредством щелей 263, 264, 265, 266 и соединенные с обратными клапанами 267, 268, 269, 270 горючего газа, установленными в камере ограждения 271.
Воздух от обратных воздушных клапанов 253 по каналу шестого патрубка 254 поступает в камеру 251 сгорания. Лопасти 255, 256, 257, 258 создают турбулентность воздушного потока и придают большей части воздушного потока вращательное движение близко к торцевой стенке 252 камеры 251 сгорания. Горючий газ из камеры ограждения 271 через обратные клапаны 267, 268, 269, 270 по переходным камерам 259, 260, 261, 262 поступает в камеру 251 сгорания через щели 263, 264, 265, 266, где смешивается с воздухом. Расстояние между входом воздуха и входом газа в камеру 251 сгорания и близость торцевой стенки 252 камеры 251 сгорания создает задержку образования горючей смеси, чем задерживается начало горения. Турбулентность потока воздуха делает перемешивание газа и воздуха таким, что обеспечивается достаточное время горения для поддержания высокой амплитуды колебаний и полное сгорание горючего газа с низким содержанием вредных выбросов.
Узлы формирования горючей смеси, представленные на Фиг. 33-43, позволяют реализовать предложенное повышение КПД аппарата пульсирующего горения. Для этого в узлах формирования горючей смеси обратные клапаны газовых сред должны обеспечивать высокую герметичность в закрытом состоянии. Предпочтительно применять механические обратные клапаны газовых сред. Высокую герметичность механических обратных клапанов в закрытом состоянии обеспечивают мембраны малого диаметра до 100 мм с шириной от 5 мм до 15 мм и диаметром проходных отверстий в пластине обратного клапана не более половины ширины мембраны. На Фиг. 44 показана пластина 272 обратного клапана газовой среды с проходными отверстиями 273 и место 274 прилегания мембран.
В результате проведенных экспериментов были исследованы различные виды глушителей, например, камера с трубой, углубленной в полость этой камеры. Углубленная часть трубы имела отверстия на цилиндрической части, суммарным сечением не менее поперечного сечения трубы, причем испытывались варианты с открытым и заглушенным концом трубы. Такие глушители меньше запирают утечки, создают большее противодавление отводу выхлопных газов. Испытывался другой тип глушителей в виде нескольких последовательных камер разного объема с единой проходной сплошной трубой, имеющей отверстия на цилиндрической поверхности, причем отверстия сгруппированы отдельно в каждой камере.
Для повышения КПД теплообмена и снижения уровня шума, уровня вибраций камера сгорания, резонансные трубы, резонаторы Гельмгольца воздушного, выхлопного каналов могут располагаться в сосуде с теплоносителем. При этом резонаторы воздушного и выхлопного каналов могут быть выполнены в виде отдельных элементов или могут быть выполнены в едином корпусе, как один элемент с множеством резонаторов.
Для аппарата пульсирующего горения мощностью 32 кВт в результате эксперимента были установлены следующие оптимальные величины. К камере 1 сгорания подключены резонансные каналы в виде резонансных труб 2 в количестве 16 штук (Фиг. 1). Резонансные трубы 2 подключены к малой переходной камере 29 в виде усеченного конуса с диаметром основания 115 мм, диаметром вершины 32 мм, высотой 30 мм. Переходная камера 29 соединена с первой камерой 4 выхлопа трубой 30 внутренним диаметром 32 мм, длиной 30 мм. Фактическая частота пульсаций горения аппарата пульсирующего горения составляет 60 Гц. Первая камера 4 выхлопа с первой выхлопной трубой 5 образуют первый резонатор 3 Гельмгольца выхлопа с собственной резонансной частотой 13 Гц. К первому резонатору 3 Гельмгольца выхлопа последовательно подключены четыре резонатора Гельмгольца с собственными резонансными частотами от 20 Гц до 27 Гц.
2
2
На входе и выходе обратного клапана 169 воздуха установлено по пять акустических фильтров 170 нижних частот (Фиг. 28), выполненные в виде последовательно соединенных малых камер 171, каждая из которых имеет внутренний диаметр 125мм, высоту 15 мм, каждая из которых имеет торцовые стенки с несоосными отверстиями 172 входов и выходов. При этом площадь сечений отверстий в каждой отдельной из указанных торцевых стенок равна 1962,5 мм. Обратный клапан 169 воздуха с установленными акустическими фильтрами нижних частот 170 прикреплен к входу в камеру 180 сгорания с применением виброизолятора 181, и в свою очередь камера 197 воздуха первого резонатора 275 Гельмгольца воздуха является камерой ограждения обратного клапана 169 воздуха с установленными на нем акустическими фильтрами нижних частот 170. Внутренние стенки камеры 197 воздуха покрыты звукопоглощающим материалом 196. К первой камере 197 воздуха присоединена первая труба 276 подачи воздуха, вместе они образуют резонатор 275 Гельмгольца воздуха с собственной частотой 40 Гц. К первому резонатору 275 Гельмгольца воздуха последовательно подключены четыре резонатора Гельмгольца воздуха с собственными частотами от 25 Гц до 27 Гц. Внутри камеры воздуха пятого резонатора Гельмгольца воздуха размещен вентилятор. Обратный клапан 182 горючего газа установлен с акустическими фильтрами 183 нижних частот, по аналогии с обратным клапаном 169 воздуха. Каждый акустический фильтр 183 нижних частот состоит из камеры 184 внутренним диаметром 26 мм, высотой 7 мм, каждая камера 184 имеет торцовые стенки с несоосными отверстиями 185 входов и выходов. При этом площадь сечений отверстий 185 в каждой отдельной из указанных торцевых стенок равна 8 мм. Обратный клапан 182 горючего газа с установленными акустическими фильтрами 183 нижних частот прикреплен к входу в камеру 180 сгорания с применением виброизолятора 189. Обратный клапан 182 горючего газа с установленными на нем акустическими фильтрами 183 нижних частот помещен в камеру 277 горючего газа. К указанной камере 277 горючего газа подсоединена труба 278 подачи горючего газа внутренним диаметром 8 мм, длиной 500 мм. Камера 277 горючего газа и труба 278 подачи горючего газа образуют резонатор 279 Гельмгольца горючего газа с собственной резонансной частотой 7 Гц. Трубы подачи воздуха размещены внутри выхлопных труб, как показано на фиг.25.
Данная конструкция при мощности 32 кВт, обеспечивает следующие уровни выбросов вредных веществ: угарный газ СО не более 60 ppm, окислы азота NOx не более 18 ppm. Уровень шума, измеренный в условиях отсутствия реверберации, на расстоянии 1 м составил 44,3 дБ(А).
В таблице представлены данные испытаний для аппарата пульсирующего горения мощностью 32 кВт, при температуре теплоносителя на входе 40 °С и температуре воздуха на входе 18 °С. В аппарате установлено два резонатора Гельмгольца воздуха и два резонатора Гельмгольца выхлопа с одинаковой собственной резонансной частотой. Трубы резонаторов Гельмгольца воздуха помещены внутрь выхлопных труб. Снятие показаний производилось после стабилизации температурного режима.
Таблица
Собственная резонансная частота резонаторов Гельмгольца выхлопа
Отношение частоты рабочих колебаний расхода выхлопных газов к собственной резонансной частоте резонатора Гельмгольца выхлопа
Температура выхлопных газов
Без резонаторов
48,9 °С
45 Гц
1,33
48,7 °С
35 Гц
1,71
48,0 °С
30 Гц
2,0
47,5 °С
28 Гц
2,15
47,1 °С
27 Гц
2,22
46,8 °С
20 Гц
3,0
45,5 °С
12 Гц
5, 0
45,7 °С
10 Гц
6, 0
45,2 °С
Из представленных в таблице данных видно, что при понижении собственной частоты резонаторов Гельмгольца выхлопа снижается температура выхлопных газов, то есть происходит повышение КПД аппарата пульсирующего горения.
В результате проведенных испытаний определено значительное влияние жесткости камер резонаторов Гельмгольца на уровень излучаемого акустического шума поверхностями стенок камер резонаторов Гельмгольца. Для этого стенки резонатор Гельмгольца выполняются цилиндрической и полусферической формы. Кроме того повышение жесткости достигается увеличением количества параллельно расположенных резонаторов Гельмгольца с уменьшением размеров и диаметров камер резонаторов Гельмгольца при сохранении собственной частоты резонаторов Гельмгольца.
На фиг. 45 в аппарате по второму варианту изобретения с камерой сгорания 280 соединены три резонансных канала 281 в виде труб, которые создают три потока выхлопа. Выходы труб 281 соединены с камерами 282, 283, 284, которые с трубами 285, 286, 287 образуют резонаторы Гельмгольца 288, 289, 290. Каждый из резонаторов Гельмгольца 288, 289, 290 имеет собственную частоту ниже частоты пульсаций горения.
Эффект от применения резонаторов Гельмгольца выше, если по потоку газовой среды последовательно расположено несколько резонаторов Гельмгольца. На Фиг. 46 по пятому варианту реализации изобретения с камерой сгорания 291 соединены два резонансных канала 292 в виде труб, которые создают два потока выхлопа. Выходы труб 281 соединены с камерами 293 и 294, которые с трубами 295 и 296 образуют первые резонаторы Гельмгольца 297 и 298. Выходы труб 295 и 296 подключены к камере 299, которая с трубой 300 образует второй резонатор Гельмгольца 301. Резонаторы Гельмгольца 297, 298, 301 имеет собственную частоту ниже частоты пульсаций горения.
При высоком уровне пульсаций давления в камере второго резонатора Гельмгольца можно установить несколько вторых резонаторов Гельмгольца с меньшими камерами при сохранении собственной резонансной частоты. По шестому варианту реализации изобретения на Фиг. 47 с камерой сгорания 302 соединены два резонансных канала 303 в виде труб, которые создают два потока выхлопа. Выходы труб 303 соединены с камерами 304 и 305, которые с трубами 306 и 307 образуют первые резонаторы Гельмгольца 308 и 309. Выход трубы 306 подключен к камере 310, которая с трубой 311 образует второй резонатор Гельмгольца 312. Выход трубы 307 подключен к камере 313, которая с трубой 314 образует второй резонатор Гельмгольца 315. Резонаторы Гельмгольца 308, 309, 312, 315 имеет собственную частоту ниже частоты пульсаций горения.