ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ИМПУЛЬСНО-ДЕТОНАЦИОННЫМ СЖИГАНИЕМ ГОРЮЧЕГО
POWER PLANT WITH PULSE DETONATION COMBUSTION OF FUEL

Область техники
Изобретение относится к энергетическим установкам с импульсно-детонационным сжиганием ископаемых или синтетических горючих материалов, которые могут быть использованы, например, на электроэнергетических предприятиях или на промышленных предприятиях в составе различных технологических комплексов для получения электромеханической энергии, в том числе в арктических условиях.
Современные энергетические установки, в которых, как правило, используются рабочие циклы с подводом теплоты в результате дефлаграционного сжигания различных горючих смесей, достигли высокой степени совершенства. Дальнейшее повышение их энергоэффективности можно обеспечить изменением режима горения. По своей термодинамической эффективности наиболее привлекательный режим горения - это детонация. В детонационной волне достигается максимальная концентрация химической энергии, запасенной в горючем (энергия выделяется в режиме самовоспламенения при очень высоких локальных давлениях и температурах в тонком слое ударно-сжатой горючей смеси), а полное давление в детонационной камере сгорания можно повысить на ~15%-20% по сравнению с обычной камерой сгорания при прочих равных условиях (см., например, Фролов С.М., Дубровский А.В., Иванов B.C. Трехмерное численное моделирование непрерывно вращающейся детонации в кольцевой камере сгорания с широким зазором при раздельной подаче горючего и окислителя. Горение и взрыв, 2013, №6, с. 83-89). В отличие от продуктов медленного горения (дефлаграции) продукты сверхзвукового горения (детонации), кроме высокой тепловой энергии обладают еще и колоссальной кинетической энергией, которая может быть использована для совершения дополнительной полезной работы. Следовательно, замена обычного горения на детонационное обеспечит повышение термодинамического коэффициента полезного действия энергетической установки в целом (Фролов С.М., Барыкин А.Е., Борисов А.А. Термодинамический цикл с детонационным сжиганием топлива. Химическая физика, 2004, том 23, №3, с. 17-25).
Предшествующий уровень техники
Известны способ работы и устройство импульсно-детонационной газотурбинной установки, описанные в работах «Pressure Measurements and Attenuation in a Hybrid Multitube Pulse Detonation Turbine System» // Adam Rasheed, Anthony H. Furman, and Anthony J. Dean / JOURNAL OF PROPULSION AND POWER, Vol. 25, No. 1, January-February 2009 и «Experimental Investigations of the Performance of a Multitube Pulse Detonation Turbine System» // Adam Rasheed, Anthony H. Furman, and Anthony J. Dean / JOURNAL OF PROPULSION AND POWER, Vol. 27, No. 3, May-June 2011. Способ заключается в замене штатных жаровых труб газотурбинной установки на кольцевой набор импульсно-детонационных трубок, в которых происходит импульсно-детонационное сжигание топливно-воздушной смеси. Способом предусмотрено прямое воздействие ударных волн и высокоскоростных струй продуктов детонации, генерируемых с помощью импульсно-детонационных трубок, на профилированные лопатки центробежной газовой турбины газотурбинной установки, вызывающее вращение газовой турбины и передачу крутящего момента на компрессор и вентилятор газотурбинной установки через общий вал. Для ослабления ударно-волнового воздействия на лопатки газовой турбины между детонационными трубками и газовой турбиной предусмотрен промежуточный демпфирующий объем. Устройство включает общий воздушный ресивер, кольцевой набор из восьми импульсно-детонационных трубок, промежуточный демпфирующий объем и газовую турбину. Общий воздушный ресивер выполнен в виде цилиндрического объема, из которого воздух непрерывно поступает в импульсно-детонационные трубки. Каждая импульсно-детонационная трубка оснащена камерой смешения воздуха с горючим, которое подается с помощью двух форсунок, работающих синхронно, и свечой зажигания. Промежуточный демпфирующий объем выполнен в виде кольцевой камеры, в которую поступают ударные волны и высокоскоростные струи продуктов детонации из импульсно-детонационных трубок. Каждая импульсно-детонационная трубка снабжена воздушной рубашкой охлаждения, в которую нагнетается воздух из общего воздушного ресивера. После охлаждения импульсно-детонационных трубок охлаждающий воздух подмешивается к продуктам детонации в промежуточном демпфирующем объеме, что позволяет снизить температуру газов, поступающих на лопатки центробежной газовой турбины. Основной недостаток таких способа и устройства заключается в том, что термомеханические нагрузки на турбину и другие элементы конструкции, вызванные ударно-волновыми воздействиями, могут существенно превышать предельно допустимые значения и приводить к их быстрому разрушению и уменьшению ресурса.
Известны способ работы и устройство импульсно-детонационной газотурбинной установки, описанные в работах «Reduction of air flow rate for pulse-detonation-turbine-engine operation by water-droplet injection» // Takuma ENDO, Keiji MASUDA, Wataru WATANABE, Takuya MUKAI, Hiroki NAGAI, Tomoyuki JOHZAKI and Ken MATSUOKA / JOURNAL OF THERMAL SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol.11, No.2, 2016. Способ заключается в использовании комбинации импульсно-детонационной трубы, в которой происходит импульсно-детонационное сжигание топливно-воздушной смеси, с турбонагнетателем. Способом предусмотрено прямое воздействие ударных волн и высокоскоростной струи продуктов детонации, получаемых благодаря импульсно-детонационному сжиганию топливно-воздушной смеси, на профилированные лопатки центробежной газовой турбины турбонагнетателя, вызывающее вращение газовой турбины и передачу крутящего момента на компрессор через общий вал. Устройство включает воздушный ресивер, детонационную трубу, промежуточный демпфирующий объем, турбонагнетатель, а также системы подачи воздуха и горючего, систему зажигания и систему охлаждения. Применяется комбинированная система охлаждения: водяная система охлаждения для той части импульсно-детонационной трубы, в которой установлены регулярные препятствия, обеспечивающие переход горения в детонацию, воздушная система охлаждения для гладкой (без препятствий) части импульсно-детонационной трубы. Для снижения температуры продуктов детонации, поступающих на лопатки газовой турбины турбонагнетателя, предусмотрена подача дополнительного воздуха в промежуточный демпфирующий объем или подача водяных струй в этот объем. Основной недостаток таких способа и устройства заключается в том, что термомеханические нагрузки на газовую турбину и другие элементы конструкции турбонагнетателя, вызванные ударно-волновыми воздействиями, могут существенно превышать предельно допустимые значения и приводить к их быстрому разрушению и уменьшению ресурса.
Известны способ работы и устройство, описанные в работе «Experimental investigation of an air-breathing pulse detonation turbine prototype engine» // Hua Qiu, Cha Xiong, Longxi Zheng / Applied Thermal Engineering 104 (2016) 596-602. Способ заключается в использовании комбинации двух импульсно-детонационных труб, в которых происходит импульсно-детонационное сжигание топливно-воздушной смеси, с турбонагнетателем и реактивным соплом, причем компрессор турбонагнетателя используется для подачи воздуха в импульсно-детонационные трубы, а реактивное сопло используется для ускорения струи продуктов детонации, после выхода из газовой турбины. Способ предусматривает прямое воздействие ударных волн, генерируемых с помощью импульсно-детонационных труб, на профилированные лопатки центробежной газовой турбины автомобильного турбонагнетателя, вызывающее вращение газовой турбины и передачу крутящего момента компрессору. Устройство содержит общий канал подвода воздуха, две импульсно-детонационные трубы, турбонагнетатель и реактивное сопло. Входной канал газовой турбины турбонагнетателя соединен с выходными сечениями импульсно-детонационных труб с помощью V-образного переходника, а выходное сечение компрессора соединено с общим каналом подвода воздуха в импульсно-детонационные трубы с помощью суживающегося переходника. Суживающееся реактивное сопло установлено в выходном сечении газовой турбины турбонагнетателя. Каждая импульсно-детонационная труба содержит системы подачи воздуха и горючего, систему зажигания и участок со спиралью Щелкина, обеспечивающий переход горения в детонацию. Основной недостаток таких способа и устройства заключается в том, что термомеханические нагрузки на газовую турбину и другие элементы конструкции турбонагнетателя, вызванные ударно-волновыми воздействиями, могут существенно превышать предельно допустимые значения и приводить к их быстрому разрушению и уменьшению ресурса.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности являются способ и устройство, предложенные в патенте US 7367194 В2, F02C 7/22 (2006.1), F02C 7/26 (2006.1), 06.05.2008. Способ-прототип заключается в прямом воздействии ударных волн и высокоскоростных струй продуктов детонации, генерируемых с помощью импульсно-детонационной трубы, на газовую турбину, вызывающем вращение газовой турбины и передачу крутящего момента на электрогенератор и на компрессор через общий вал, причем компрессор обеспечивает подачу воздуха в импульсно-детонационную трубу, а горячие продукты детонации, расширенные в газовой турбине, используются для тепловой и химической подготовки горючего в специальном реформере. Для ослабления ударно-волнового воздействия на лопатки газовой турбины между импульсно-детонационной трубой и газовой турбиной предусмотрен промежуточный демпфирующий объем. Устройство-прототип содержит системы подачи горючего и воздуха, детонационную трубу с системой зажигания, промежуточный демпфирующий объем, газовую турбину и электрогенератор. Газовая турбина установлена в выходном сечении промежуточного демпфирующего объема. Механическая энергия с газовой турбины передается потребителю механической энергии - электрогенератору - и компрессору, направляющему сжатый воздух в систему подачи воздуха импульсно-детонационной трубы. Основной недостаток таких способа и устройства заключается в том, что термомеханические нагрузки на газовую турбину и другие элементы конструкции, вызванные ударно-волновыми воздействиями, могут существенно превышать предельно допустимые значения и приводить к их быстрому разрушению и уменьшению ресурса.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание способа, который обеспечит получение тепловой, механической и электрической энергии при помощи ударных волн и высокоскоростных струй продуктов детонации, генерируемых с помощью импульсно-детонационного сжигания ископаемого или синтетического горючего, в энергетической установке с традиционной (серийно выпускаемой) газовой турбиной без превышения предельно допустимых нагрузок, предписанных производителем газовой турбины.
Задача изобретения - создание устройства, которое обеспечит получение тепловой, механической и электрической энергии при помощи ударных волн и высокоскоростных струй продуктов детонации, генерируемых с помощью импульсно-детонационного сжигания ископаемого или синтетического горючего, в энергетической установке с традиционной (серийно выпускаемой) газовой турбиной без превышения предельно допустимых нагрузок, предписанных производителем газовой турбины.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми способом работы энергетической установки, включающим периодическое создание ударной волны и высокоскоростной струи продуктов детонации благодаря импульсно-детонационному сжиганию воздушной смеси ископаемого или синтетического горючего, в котором ударная волна и высокоскоростная струя продуктов детонации направляются на профилированные зубья вращающегося массивного зубчатого маховика с предварительным разделением ударной волны на ударную волну, бегущую по направлению вращения зубчатого маховика и ударную волну, бегущую против направления вращения зубчатого маховика, и вследствие многократных отражений этих ударных волн от профилированных зубьев зубчатого маховика, а также вследствие передачи импульса от высокоскоростной струи продуктов детонации зубчатому маховику, энергия направленного движения этих ударных волн и высокоскоростной струи продуктов детонации сначала частично превращается в энергию направленного вращательного движения массивного зубчатого маховика, а затем рассеивается в промежуточном демпфирующем объеме, приводя к такому ослаблению ударных волн и к такому снижению скорости струи продуктов детонации, что предписанные производителем предельно допустимые нагрузки на традиционную газовую турбину не превышаются, а продукты детонации, расширяясь в газовой турбине, приводят ее во вращение, причем механическая энергия вращения валов зубчатого маховика и газовой турбины передается потребителю механической энергии, а продукты детонации, расширенные в газовой турбине, далее передаются потребителю для получения дополнительной тепловой, механической, и/или электрической энергии.
Профиль зубьев венца зубчатого маховика выполнен таким, чтобы обеспечить опережающее распространение ударной волны, бегущей по направлению вращения зубчатого маховика, по сравнению с ударной волной, бегущей против направления вращения зубчатого маховика.
Воздух в импульсно-детонационную трубу энергетической установки подается принудительно с помощью внешнего источника сжатого воздуха, например, магистрального сжатого воздуха, или с помощью воздуходувки и/или воздушного компрессора, установленных на одном валу с газовой турбиной и/или с зубчатым маховиком.
Продукты детонации, расширенные в газовой турбине, могут передаваться потребителю для производства перегретого водяного пара, необходимого для работы паротурбинной энергетической установки, до их полного охлаждения, а водяной пар, отработавший в паротурбинной энергетической установке, охлаждается и конденсируется для использования в парогенераторе.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым устройством, включающим импульсно-детонационную трубу, промежуточный демпфирующий объем, газовую турбину, системы подачи воздуха и горючего, систему зажигания и систему охлаждения, в котором к выходному сечению импульсно-детонационной трубы присоединен входной канал герметичного корпуса с размещенным внутри него зубчатым маховиком на валу, причем вал зубчатого маховика снабжен приводом для передачи механической энергии потребителю, а к выходному каналу герметичного корпуса последовательно присоединены промежуточный демпфирующий объем и газовая турбина, причем вал газовой турбины снабжен приводом для передачи механической энергии потребителю, а выходной канал газовой турбины соединен с устройствами для получения дополнительной тепловой, механической, и/или электрической энергии и с системой выпуска отработавших газов.
Профиль зубьев венца зубчатого маховика выполнен таким, чтобы степень ослабления ударной волны, бегущей по направлению вращения зубчатого маховика была меньше, чем степень ослабления ударной волны, бегущей в обратном направлении.
Газовая турбина может быть дополнена воздушным компрессором, установленным с ней на одном валу, причем газовая турбина и компрессор могут быть выполнены в виде единого агрегата - турбонагнетателя.
Система подачи воздуха в импульсно-детонационную трубу энергетической установки может быть выполнена на основе воздушного компрессора или воздуходувки, или может быть подключена к внешнему источнику сжатого воздуха, например, магистрали сжатого воздуха.
Система подачи воздуха в импульсно-детонационную трубу энергетической установки может содержать воздушный ресивер, установленный перед входом в импульсно-детонационную трубу.
Устройством для получения дополнительной тепловой, механической, и/или электрической энергии, присоединенным к выходному каналу газовой турбины, может быть теплообменник парогенератора, питающего паротурбинную энергетическую установку.
Система охлаждения может быть выполнена в виде рубашки жидкостного охлаждения всех теплонагруженных элементов энергетической установки.
Система охлаждения может быть выполнена в виде охлаждающего резервуара, а теплонагруженные элементы энергетической установки могут быть погружены в него.
Потребителями механической энергии могут быть такие устройства как электрогенераторы, гребные винты, шнеки, воздушные компрессоры, воздуходувки и т.п.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства (В - поток воздуха из компрессора турбонагнетателя; УВ - ударная волна, Пр - поток продуктов детонации на выходе из газовой турбины турбонагнетателя; ОГ - отработавшие газы).
На фигуре 2а приведена фотография фрагмента установки: импульсно-детонационная труба.
На фигуре 2б приведена фотография фрагмента установки: зубчатый маховик в герметичном корпусе с потребителем механической энергии (электрогенератором), промежуточным демпфирующим объемом и турбонагнетателем.
На фигуре 3 приведена осциллограмма избыточного давления в промежуточном демпфирующем объеме при рабочей частоте импульсно-детонационной трубы 4-5 Гц.
На фигуре 4 приведена экспериментальная зависимость частоты вращения вала зубчатого маховика от времени.
На фигуре 5 приведен результат работы энергетической установки в части генерации электрического тока при помощи электрогенератора, приводимого во вращение зубчатым маховиком.
Вариант осуществления изобретения
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства. Основной узел устройства - зубчатый маховик (1), размещенный в герметичном корпусе (2) с входным (3) и выходным (4) каналами. К входному каналу (3) присоединена импульсно-детонационная труба (5), а к выходному каналу (4) последовательно присоединены промежуточный демпфирующий объем (6), газовая турбина (7) турбонагнетателя (8) и теплообменник (9) парогенератора паротурбинной энергетической установки (10). К компрессору (11) турбонагнетателя (8) присоединен воздушный ресивер (12) системы подачи воздуха. Устройство также включает охлаждающий резервуар (13), систему подачи горючего (14), привод (15) для передачи механической энергии потребителю (16) от вала зубчатого маховика (17), вал турбонагнетателя (18) с присоединенным к нему потребителем механической энергии (19), систему выпуска отработавших газов (20), а также системы зажигания и управления (на фиг. не показаны).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Импульсно-детонационная труба (5), работающая, например, на принципе, изложенном в патенте WO/2016/060582 А1, Способ детонационной штамповки и устройство для его реализации B21D 26/08 (2006.01), опубликованном 21.04.2016, периодически генерирует ударные волны и высокоскоростные струи продуктов детонации. Ударная волна и струя продуктов детонации из импульсно-детонационной трубы (5) через входной канал (3) направляются тангенциально на венец массивного зубчатого маховика (1), расположенного внутри герметичного корпуса (2). При входе ударной волны в герметичный корпус (2) происходит ее дифракция с образованием двух ударных волн: ударной волны, бегущей по направлению вращения зубчатого маховика (1), и ударной волны, бегущей в обратном направлении. Профиль зубьев венца зубчатого маховика (1) выполнен таким, чтобы степень ослабления ударной волны, бегущей по направлению вращения зубчатого маховика (1) была меньше, чем степень ослабления ударной волны, бегущей в обратном направлении. Вследствие многократных отражений ударных волн от профилированных зубьев зубчатого маховика (1) и вследствие передачи импульса от высокоскоростной струи продуктов детонации зубчатому маховику (1) энергия направленного движения ударной волны и высокоскоростной струи продуктов детонации частично превращается в энергию направленного вращательного движения массивного зубчатого маховика (1). Механическая энергия зубчатого маховика (1) через вал (17) и привод (15) передается потребителю механической энергии (16), а продукты детонации через выходной канал (4) поступают в промежуточный демпфирующий объем (6), где происходит такое ослабление пульсаций давления и такое снижение скорости течения, что не превышаются предписанные производителем предельно допустимые нагрузки на традиционный турбонагнетатель (8), присоединенный к промежуточному демпфирующему объему (6). Далее поток газов, имеющий характеристики, требуемые для долговечной работы турбонагнетателя (8) поступает из промежуточного демпфирующего объема (6) в газовую турбину (7) турбонагнетателя (8). В результате приводится в движение вал (18) турбонагнетателя. При этом воздух из компрессора (11) под давлением поступает в воздушный ресивер (12) системы подачи воздуха импульсно-детонационной трубы (5), механическая энергия с вала (18) передается потребителю (19), а высокотемпературные продукты детонации из выходного сечения газовой турбины (7) турбонагнетателя (8) поступают в теплообменник (9) парогенератора паротурбинной энергетической установки (10). Далее отработавшие газы направляются в систему выпуска отработавших газов (20), а отработавший пар охлаждается и конденсируется, чтобы использоваться в парогенераторе. Для охлаждения теплонагруженных элементов установки - импульсно-детонационной трубы (5), герметичного корпуса (2) с размещенным внутри него зубчатым маховиком (1) и промежуточного демпфирующего объема (6) - используется охлаждающий резервуар (13).
Приводим пример осуществления изобретения на опытном образце предлагаемого устройства, оснащенного регистрирующей аппаратурой и демонстрирующего работоспособность его основного узла - зубчатого маховика.
Опытный образец устройства включает импульсно-детонационную трубу, зубчатый маховик в герметичном корпусе с входным и выходным каналами, промежуточный демпфирующий объем, газовую турбину, систему подачи воздуха на основе слабонапорной воздуходувки Emmecom SC 61 MG и систему подачи горючего, привод для передачи механической энергии от вала зубчатого маховика к электрогенератору, а также систему управления.
Импульсно-детонационная труба состоит из камеры сгорания внутренним диаметром 80 мм и длиной 170 мм, к которой последовательно присоединены ускоритель пламени внутренним диаметром 50 мм и длиной 790 мм и рабочая часть в виде трубы внутренним диаметром 50 мм и длиной 660 мм. Камера сгорания содержит смесительное устройство с обратным клапаном, форсунку для подачи горючего и две автомобильные свечи зажигания и присоединяется к системе подачи воздуха на основе воздуходувки. К выходному сечению импульсно-детонационной трубы присоединен герметичный корпус с зубчатым маховиком на валу. Герметичный корпус зубчатого маховика выполнен из конструкционной стали. Зубчатый маховик изготовлен лазерной резкой и выполнен в виде диска с зубчатым венцом из 17 равномерно распределенных зубьев в виде прямоугольных треугольников с соотношением катетов 1:3 и высотой зуба 17 мм. Диаметр зубчатого маховика 280 мм. Зубчатый маховик установлен в герметичном корпусе с зазором не более 2 мм на валу с подшипниками качения. К выходному каналу герметичного корпуса зубчатого маховика присоединен промежуточный демпфирующий объем емкостью 50 л, который соединен с газовой турбиной. Вал зубчатого маховика передает механическую энергию на автомобильный электрогенератор 21214 КЗАТЭ 9412.3701 с помощью ременной передачи. В качестве электрической нагрузки используется лампа R2 12V 45/40W P45t мощностью 40 Вт, номинальное напряжение 12 В. Выходное сечение газовой турбины сообщается с атмосферой.
В качестве горючего в опытном образце устройства используется сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан), причем расходы воздуха и горючего выбираются такими, чтобы состав горючей смеси, заполняющей импульсно-детонационную трубу, был близок к стехиометрическому составу, а время подачи горючей смеси задается таким, чтобы обеспечить частичное (неполное) заполнение импульсно-детонационной трубы стехиометрической горючей смесью.
На фигуре 2а и 2б приведены фотографии фрагментов опытного образца устройства. На фигуре 3 приведена осциллограмма абсолютного давления в промежуточном демпфирующем объеме при рабочей частоте импульсно-детонационной трубы 4-5 Гц. На фигуре 4 приведена экспериментальная зависимость частоты вращения зубчатого маховика от времени, а на фигуре 5 - результат работы опытного образца устройства в части генерации электрического тока при помощи электрогенератора, приводимого в движение зубчатым маховиком. Из полученных результатов видно, что в выходном сечении промежуточного демпфирующего объема формируется поток продуктов детонации с амплитудой пульсаций давления менее 0,3-0,4 атм, т.е. амплитуда пульсаций давления не превышает максимальную амплитуду пульсаций давления (1,0-1,5 атм) в выпускных коллекторах самых мощных серийно выпускаемых поршневых двигателей с турбонагнетателем (см. Klaus Mollenhauer, Helmut Tschoeke. Handbuch Dieselmotoren. Springer, Berlin-Heidelberg, 2007, p. 64, ISBN 978-3-540-72164-2). Более значительные градиенты давления в выходном сечении промежуточного демпфирующего устройства могут быть существенно уменьшены изменением его конструкции, например, путем установки перфорированных перегородок в объеме промежуточного демпфирующего устройства. Крутящий момент, развиваемый зубчатым маховиком в опытном образце устройства, позволяет получать электрическую энергию.
Таким образом, предложены способ и устройство, обеспечивающие получение тепловой, механической и электрической энергии при помощи ударных волн и высокоскоростных струй продуктов детонации, генерируемых с помощью импульсно-детонационного сжигания ископаемого или синтетического горючего, в энергетической установке с традиционной газовой турбиной без превышения предельно допустимых нагрузок, предписанных производителем.