КАМЕРА ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ГОРЕНИЯ

Предполагаемая полезная модель относится к области обработки материалов давлением. Она может быть использована и в энергетике для получения продуктов сгорания высокого давления.
Известны камеры сгорания, использующиеся в устройствах для обработки материалов давлением, в частности для листовой штамповки. В этих устройствах процесс штамповки осуществляется под действием давления газа, образующегося при сгорании топливной смеси в камере сгорания (Степанов В.Г., Шавров И.А. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. - Л.: Машиностроение, 1975. - с.59-69). В этих устройствах давление во всем объеме камеры сгорания одинаковое, и это существенно снижает импульс давления на штампуемую заготовку.
К заявляемому объекту наиболее близким аналогом является камера пульсирующего горения, содержащая корпус, разделенный по длине перегородками на несколько замкнутых полостей, сообщенных каналами, в которых установлены обратные клапаны (авт. свид. СССР №1570435 МКл. F23C 11/04).
Недостаток известной камеры сгорания заключается в следующем. При использовании этой камеры для листовой штамповки не обеспечивается максимально возможное повышение давления, действующего на поверхность деформируемой заготовки.
В процессе горения топливной смеси в полостях камеры сгорания часть топливной смеси перетекает в последнюю полость, примыкающую к штампуемой заготовке, и давление в ней непрерывно повышается. При этом повышается и температура топливной смеси. При достижении определенной температуры топливная смесь может самовоспламениться. Это ограничивает максимальную величину давления топливной смеси в последней полости камеры. Поэтому топливную смесь целесообразно охлаждать. Однако это в
известной камере сгорания не обеспечивается из-за нерационального соотношения размеров последней полости камеры.
Целью изобретения является повышение давления продуктов сгорания.
Указанная цель достигается тем, что последняя полость камеры сгорания выполнена такой, что ее диаметр в 40...100 раз превышает ее высоту, а выпускной клапан, служащий для удаления продуктов сгорания из этой полости, установлен в стенке предыдущей полости камеры. При этом отношение площади поверхности последней полости камеры к ее объему приближается к максимальной возможной величине. Благодаря увеличению поверхности этой полости происходит интенсивная теплоотдача от топливной смеси к стенкам полости. Это снижает температуру топливной смеси.
Предлагаемое устройство представлено на рисунке. Оно содержит корпус 1 и основание 2, стянутые между собой с помощью фланца 3 и болтов 4 с гайками 5. В корпусе 1 размещена камера сгорания, разделенная по длине перегородками на замкнутые полости 6, 7, 8 и 9, соединенные между собой каналами 10, 11, 12, в которых установлены обратные клапаны 13, 14, 15. Верхняя полость 6 снабжена впускным клапаном 16 и свечей зажигания 17. В нижней части корпуса 1 установлен выпускной клапан 18, соединенный каналом 19 с полостью 9. В основании 2 размещена матрица 20. Штампуемая заготовка 21 зажимается между корпусом 1 и матрицей 21.
Диаметр полости 9 примерно равен диаметру или максимальному поперечному размеру внутренней полости матрицы 20. Данное устройство предназначено для штамповки деталей диаметром 200...1000 мм. Поэтому в зависимости от типоразмера устройства диаметр полости 9 находится в пределах 200...1000 мм, а высота этой полости очень мала, она составляет всего 5...10 мм. Таким образом, диаметр этой полости в 40...100 раз больше ее высоты. Это сделано для достижения максимальной теплоотдачи от топливной смеси к штампуемой заготовке. При таком соотношении диаметра
и высоты полости 9 невозможно разместить в ее боковой стенке выпускной клапан, поэтому этот клапан установлен в стенке полости 8.
Работа устройства осуществляется следующим образом. В полость 6 через впускной клапан 16 подается топливная смесь. При этом через каналы 10, 11, 12 топливная смесь поступает и в полости 7, 8, 9. Затем топливная смесь в полости 6 с помощью свечи 17 поджигается. В процессе горения смеси давление в полости 6 повышается. Благодаря этому часть топливной смеси из полости 6 перетекает в полость 7, а затем в полости 8 и 9. К моменту достижения фронта пламени канала 10 давление в полостях 7, 8, 9 значительно повышается. При проникновении пламени через канал 10 начинается горение топливной смеси в полости 7. Давление в этой полости повышается. При этом обратный клапан 13 закрывается, предотвращая перетекание продуктов сгорания в полость 6. Часть топливной смеси из полости 7 перетекает в полость 8, затем в полость 9, и давление в этих полостях повышается. Аналогично происходит при проникновении пламени через канал 12 в полость 9.
Таким образом, благодаря перетеканию топливной смеси из одной полости в другую, давление топливной смеси в полости 9 непрерывно увеличивается, повышается также ее температура. При этом из-за малости высоты полости 9 происходит интенсивный теплообмен между топливной смесью и заготовкой 21. Благодаря этому температура топливной смеси существенно снижается. Под действием давления в топливной смеси заготовка 21 деформируется, объем полости 9 увеличивается. При проникновении пламени через канал 12 в эту полость происходит сгорание топливной смеси в ней. Давление в полости 9 резко повышается. При этом обратный клапан 15 закрывается. Под действием давления продуктов сгорания заготовка 21 интенсивно деформируется - осуществляется процесс штамповки.
При открытии выпускного клапана 18 продукты сгорания выпускаются из полостей 9, 8, 7, 6. Затем, отвинтив гайки 5, основание 2 отсоединяют от
корпуса 1. Отштампованную деталь извлекают из полости матрицы 20. Затем на матрицу устанавливают новую заготовку, после чего основание 2 с матрицей 20 снова присоединяют к корпусу. Далее цикл работы камеры повторяется в той же последовательности.
В предложенной камере сгорания, благодаря охлаждению топливной смеси в последней полости, достигается значительно большая степень повышения давления топливной смеси. Температура топливной смеси изменяется по политропическому закону, т.е.
Н
К
где Т, Т - начальное и конечное значения температуры;
Н
К
Р, Р - начальное и конечное значения давления;
n - показатель политропы.
В газовых двигателях внутреннего сгорания величина n в процессе сжатия топливной смеси составляет 1,37...1,39, а максимально возможная величина температуры топливной смеси составляет 750 К (Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н.Вырубов и др.; под ред. А.С.Орлина; М.Г.Круглова - М: Машиностроение, 1983, с.107). Эти величины приемлемы и для данного случая.
Начальная температура топливной смеси в данном случае составляет 300...320 К. Исходя из этих величин, определим возможную степень повышения давления топливной смеси при отсутствии охлаждения. Из зависимости (1) получим:
Н
К
Из этой зависимости следует, что при указанных значениях Т, Т, n максимальная степень повышения топливной смеси составляет 25...30. Таким образом, в известной камере сгорания давление топливной смеси в последней полости может увеличиться в 25...30 раз. В предлагаемой камере сгорания вся масса топливной смеси, поступающая в последнюю полость камеры сгорания, контактирует с обрабатываемой заготовкой. При этом разность их температур составляет 400...500 К. Благодаря этому, топливная смесь интенсивно охлаждается. Расчеты показывают, что при этом показатель политропы значительно снижается и составляет примерно 1,31...1,33. Тогда согласно зависимости (2) степень повышения давления составляет порядка 40...45, т.е. во столько раз может быть увеличено давление топливной смеси.