СПОСОБ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ В ТРУБЕ С ГОРЮЧЕЙ СМЕСЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR INITIATING DETONATION IN PIPE WITH COMBUSTIBLE MIXTURE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к способам и устройствам сжигания газообразного или распыленного жидкого топлива в режиме газовой или капельной детонации и может быть использовано в различных технологических устройствах и энергетических установках, работающих на импульсно-детонационном или непрерывно-детонационном горении, например, для инициирования детонации в непрерывно-детонационной камере сгорания турбореактивного двигателя.
Одна из наиболее важных проблем при создании импульсно-детонационных и непрерывно-детонационных камер сгорания, технологических устройств и энергетических установок - обеспечение надежного инициирования детонации на кратчайшем расстоянии (до ~0.2 м) за кратчайшее время (до 5 мс) от слабого источника зажигания (с энергией не более 1 Дж).
Предшествующий уровень техники
В классических устройствах инициирования детонации либо используется прямое инициирование детонации - кратковременное выделение энергии, значительно большей указанного значения (Зельдович Я.Б., Когарко С.М., Симонов Н.Н. // ЖТФ, 1956, том 26, №8, с. 1744-1752), либо переход горения в детонацию: горючую смесь поджигают слабым источником зажигания в трубе с регулярными кольцевыми препятствиями и обеспечивают прогрессирующее ускорение пламени с переходом в детонацию на расстояниях (преддетонационное расстояние) и за время (преддетонационное время), значительно превышающих указанные значения, см., например, работу О. Peraldi, R. Knystautas and J.H. Lee "Criteria for transition to detonation in tubes". Twenty-First Symposium (International) on Combustion / The Combustion Institute, 1986, pp. 1629-1637, в которой переход горения в детонацию в топливно-воздушных смесях достигался в трубах диаметром 5, 15 и 30 см на расстояниях до 18 м. В последнем случае детонация в трубе возникает в результате положительной обратной связи между скоростью распространения пламени и степенью турбулентности в потоке горючей смеси, приводящей к образованию догоняющих друг друга ударных волн и самовоспламенению ударно сжатой горючей смеси перед фронтом пламени. Наличие регулярных кольцевых препятствий способствует турбулизации горючей смеси, а отражение ударных волн от препятствий способствует образованию очагов самовоспламенения.
th
lim
lim
Известны способ и устройство инициирования детонации в трубе с набором регулярных кольцевых препятствий, описанные в работах: Kuznetsov М., Alekseev V., Matsukov I., Kim Т.Н. Ignition, flame acceleration and detonations of methane-air mixture at different pressures and temperatures // Proc. 8 ISHP-MIE, Jokohama, Japan, 2010. - Paper No. ISH-118; Kuznetsov M. et al. DDT in methane-air mixtures // Shock Waves. - 2002, V. 12, P. 215-220. Применение такого устройства для организации перехода горения в детонацию в метановоздушной смеси при давлении 1 атм и начальной температуре 293 К с помощью слабого источника зажигания (автомобильной свечи) привело к следующим результатам: в трубе диаметром 520 мм ПГД достигался на расстоянии более 17 м, в трубе диаметром 174 мм - на расстоянии более 8 м. Обращает на себя внимание тот факт, что в цитируемой работе в трубе диаметром 121 мм ПГД при нормальных условиях никогда не достигался, хотя предельный диаметр гладкой (без препятствий-турбулизаторов) трубы D для распространения детонации в метановоздушной смеси при нормальных условиях составляет D≈80-100 мм (Фролов С.М., Аксенов B.C., Скрипник А.А. Инициирование детонации в смеси природного газа с воздухом в трубе с фокусирующим соплом // ДАН, 2011, Т. 436, №3, с. 346-350; Vasil'ev А.А. Optimization of acceleration of deflagration-to-detonation transition в книге: "Confined detonations and pulse detonation engines" G. Roy, S. Frolov, R. Santoro, S. Tsyganov (Eds) - Moscow: Torus Press, 2003, p. 41-48). Кроме того, в работе Фролова С.М. Ускорение перехода в детонацию в газах: от К.И. Щелкина до наших дней // ФГВ, 2012, Т. 48, №3, с. 1-12 сообщается о достижении быстрого перехода горения в детонацию в трубе диаметром 94 мм с препятствиями специальной формы. Следовательно, предложенный способ также не обеспечивает оптимальных условий для перехода горения в детонацию, в результате чего в трубе, в которой еще может распространяться детонационная волна, переход горения в детонацию не достигается - детонация не возникает.
В Институте химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) в течение длительного времени проводятся фундаментальные исследования условий перехода горения в детонацию, в ходе которых был разработан способ инициирования детонации в короткой гладкой трубе с помощью бегущего импульса принудительного зажигания (Фролов С.М. и др. ДАН, 2004, Т. 394, №2, с. 222-224; ДАН, 2004, Т. 394, №4, с. 503-505). Идея использования внешних источников зажигания для возбуждения детонации впервые была выдвинута Я.Б. Зельдовичем и А.С Компанейцем (Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. Теория детонации. М. Гостехтеориздат, 1955). Экспериментальные исследования в ИХФ РАН показали, что бегущий импульс принудительного зажигания должен двигаться от одного источника зажигания к другому с ускорением, синхронно с ударной волной, при этом допустимое рассогласование прихода ударной волны и момента зажигания должно составлять не более 50-100 мкс: при большем рассогласовании при прочих равных условиях детонация не возникает. На основе анализа данных экспериментов в дальнейшем (Frolov S.M. Initiation of Strong Reactive Shocks and Detonation by Traveling Ignition Pulses. J. Loss Prevention, 2005, V. 19, №2-3, p. 238-244) был сделан вывод, что классические опыты по переходу горения в детонацию в трубах с регулярными препятствиями также можно рассматривать как инициирование детонации бегущим импульсом зажигания, но не принудительного, а самопроизвольного при самовоспламенении смеси в результате отражения ударных волн от препятствий. При этом также необходимо согласование моментов прихода ударной волны и возникновения очагов самовоспламенения (Фролов С.М. Быстрый переход горения в детонацию // Химическая физика, 2008, т. 27, №6, С. 31-44).
По результатам дальнейших исследований в ИХФ РАН были созданы и запатентованы способы и устройства, обеспечивающие надежный переход горения в детонацию даже в топливно-воздушных смесях с очень низкой детонационной способностью (например, в смеси природный газ-воздух) в коротких трубах (длиной до 3.0 м) при помощи слабого источника зажигания (с энергией не более 0.1 Дж) за кратчайшее время (до 20 мс): RU 2427756, F23C 15/00, 27.08.2011, RU 2430303, F23C 15/00, 27.09.2011 и RU 2429409 С1, F23C 15/00, 20.09.2011.
В указанных патентах для обеспечения быстрого перехода горения в детонацию в трубе с горючей смесью использовали фокусирующие профилированные препятствия (как одиночные препятствия, так и каскад препятствий). Механизм инициирования детонации в этих запатентованных способах и устройствах заключается в разделении процесса перехода горения в детонацию на две стадии: сначала после поджигания горючей смеси турбулентный фронт пламени ускоряют при помощи турбулизатора до видимой скорости пламени 550-750 м/с с образованием ударной волны с числом Маха не выше 2.5-3.0, затем для повышения длительности фазы сжатия в области за фронтом ударной волны турбулентный фронт пламени и фронт ударной волны пространственно отдаляют друг от друга с помощью гладкой секции трубы, установленной между турбулизатором и фокусирующими препятствиями, и воздействуют на фронт бегущей ударной волны энергией от очагов самовоспламенения горючей смеси, возникающих в результате многократных отражений ударной волны от фокусирующих препятствий, что приводит к эффективному усилению ударной волны и, в конечном счете, к быстрому переходу ударной волны в детонацию.
Недостатком данных способов и устройств является их сложность и необходимость генерации достаточно сильной первичной ударной волны (число Маха до 2.5-3.0).
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности являются способ и устройство, предложенные в заявке на патент WO 2014/123440 Al, F23C 15/00 (2006.01), F23D 14/70 (2006.01), опубликованном 14.08.2014 (прототип).
Инициирование детонации в способе-прототипе включает ускорение турбулентного фронта пламени и усиление образовавшейся ударной волны путем установки в трубе набора препятствий-турбулизаторов, в котором для уменьшения преддетонационного расстояния и времени при ускорении турбулентного фронта пламени и усилении образовавшейся ударной волны осуществляют согласование темпа ускорения турбулентного фронта пламени и темпа усиления образовавшейся ударной волны, для чего в начале трубы устанавливают препятствия-турбулизаторы, форма и расстановка которых обеспечивают максимальный в процессе инициирования детонации темп ускорения турбулентного фронта пламени и образование ударной волны, а затем в трубе устанавливают препятствия-турбулизаторы, форма и расстановка которых обеспечивают снижение аэродинамического сопротивления и тем самым обеспечивают максимальный в процессе инициирования детонации темп усиления образовавшейся ударной волны при продолжающемся ускорении турбулентного фронта пламени.
Способ-прототип осуществляют на устройстве, включающем детонационную трубу с набором препятствий-турбулизаторов и источник зажигания, в котором набор препятствий-турбулизаторов выполнен в виде охлаждаемых и/или неохлаждаемых, прямых и/или изогнутых пальцев, при этом в поперечных сечениях трубы, проведенных через точки крепления пальцев, содержится один или несколько пальцев, причем наибольшее число пальцев в указанных поперечных сечениях трубы находится в начале детонационной трубы на отрезке, составляющем не менее 1 диаметра трубы, а шаг между указанными поперечными сечениями вдоль продольной оси трубы остается постоянным или увеличивается равномерно или неравномерно по мере удаления от источника зажигания, при этом пальцы в указанных поперечных сечениях расположены так, что воображаемая непрерывная поверхность, последовательно проведенная через продольные оси пальцев, лежащих в соседних указанных поперечных сечениях трубы под углом друг к другу, образует винтовую поверхность.
Основной недостаток данного способа и устройства заключается в том, что для обеспечения надежной работы в частотном режиме применяется сложная система препятствий-турбулизаторов со значительной блокировкой сечения детонационной трубы: коэффициент блокировки от 0.6-0.7 (в начале детонационной трубы) до 0.2-0.3 (по мере удаления от источника зажигания), что ограничивает возможность повышения давления в системах подачи топлива и окислителя и, как следствие, возможность повышения рабочей частоты.
Кроме требования надежной работы в частотном режиме к способам и устройствам для инициирования детонации предъявляют требования высокой живучести и компактности. Однако продукты детонации многих практически значимых топливных смесей, например, кислородных, имеют очень высокую температуру (выше 3000 К), и неохлаждаемые препятствия-турбулизаторы быстро разрушаются, тогда как отказ от использования препятствий-турбулизаторов приводит к значительному (в десятки раз, см. Щелкин К.И. // ЖЭТФ. 1940. Т. 10. В. 7. С. 823-827) увеличению габаритных размеров энергетических установок. Известные в литературе способы организации быстрого перехода горения в детонацию в гладких трубах (см., например, Фролов С.М., Басевич В.Я., Аксенов В.С, Шлихов С.А. // Доклады Академии наук. 2004. Т. 394. №4. С. 503-505, Фролов С.М., Басевич В.Я., Аксенов В.С., Полихов С.А. // Доклады Академии наук. 2004. Т. 394. №2. С. 222-224) требуют применения относительно сильных источников зажигания, что ограничивает возможности применения способа-прототипа и устройства-прототипа в импульсно-детонационных и непрерывно-детонационных камерах сгорания. Еще один недостаток способа и устройства-прототипа заключается в необходимости использования заранее подготовленных топливных смесей, что ограничивает возможность их применения в составе транспортных энергетических установок.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка способа инициирования детонации в трубе с горючей смесью, который не только позволит уменьшить преддетонационное расстояние и время достижения перехода горения в детонацию, но и обеспечит возможность достижения перехода горения в детонацию в гладкой трубе при раздельной подаче топливных компонентов без использования каких-либо препятствий-турбулизаторов.
Задачей изобретения является также создание устройства для осуществления способа инициирования детонации в гладкой трубе с горючей смесью, без каких-либо препятствий-турбулизаторов, что позволит использовать устройство для инициирования детонации в энергетический установках транспортных средств.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- способом инициирования детонации в трубе с горючей смесью, включающим формирование турбулентного фронта пламени, его ускорение и усиление образовавшейся ударной волны, в котором формирование турбулентного фронта пламени осуществляется в высокоскоростном турбулентном потоке горючей смеси, образованной за счет турбулентного смешения перекрестных сверхзвуковых струй горючего и окислителя, при помощи форкамерно-факельного зажигания, при этом форкамера заполняется горючей смесью, поступающей из детонационной трубы, а зажигание горючей смеси в форкамере осуществляется при помощи слабого источника зажигания;
- устройством для осуществления способа инициирования детонации в трубе с горючей смесью, включающим гладкую детонационную трубу, днище детонационной трубы, установленное в торцевой части детонационной трубы, форкамеру со слабым источником зажигания, распложенную в днище детонационной трубы, и форсунки для подачи горючего и окислителя, установленные в днище детонационной трубы.
Предлагаемые способ и устройство (варианты) были разработаны на основе детальных теоретических и экспериментальных исследований влияния интенсивности турбулентного течения на величину преддетонационного расстояния и времени в гладких трубах и в трубах с препятствиями-турбулизаторами.
Установлено, что для одновременного ускоренного распространения и фронта пламени, и ударной волны требуется наличие развитого турбулентного течения в детонационной трубе, причем чем выше уровень турбулентности горючей смеси (но не превышающий критическое значение, при котором турбулентность приводит к погасанию пламени), тем быстрее возрастает площадь поверхности пламени, и тем быстрее ускоряются пламя и ударная волна, то есть возникающий после поджигания горючей смеси фронт пламени необходимо максимально быстро и эффективно турбулизовать, но для дальнейшего прогрессирующего усиления ударной волны (и одновременного ускорения фронта пламени) с увеличением расстояния от источника зажигания необходимо обеспечить низкое аэродинамическое сопротивление движению ударной волны, то есть обеспечить минимально возможные потери количества движения ударно сжатой горючей смеси. Установленные закономерности были использованы для разработки предлагаемого способа и в конструкции предлагаемого устройства.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 приведена схема заявляемого устройства.
На фигуре 2 приведены результаты измерения скорости фронта реакции в одиночном импульсе.
На фигуре 3 приведены результаты измерений скорости фронта реакции в четырех последовательных импульсах при работе установки в частотном режиме.
Вариант осуществления изобретения
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства. Основной элемент устройства -гладкая детонационная труба (1) с поперечным сечением круговой, прямоугольной, овальной и др. геометрической формы, содержащая днище (2), форкамеру (3) со слабым источником зажигания (на фиг. не показан), форсунку (4) для подачи горючего и форсунку (5) для подачи окислителя.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Через форсунки (4) и (5) в гладкую детонационную трубу (1) подаются перекрестные сверхзвуковые струи горючего (форсунка (4)) и окислителя (форсунка (5)). В результате их взаимодействия за счет турбулентного смешения в гладкой трубе (1) формируется высокоскоростной турбулентных поток горючей смеси. При этом форкамера (3) также заполняется горючей смесью, которая поджигается слабым источником зажигания. В результате сгорания смеси в полузамкнутом объеме форкамеры (3) в ней повышаются давление и температура, что приводит к образованию высокотемпературного скоростного факела, поступающего из форкамеры (3) в гладкую детонационную трубу (1), который поджигает турбулентный поток горючей смеси в ней. В результате возникает турбулентный фронт пламени с большой площадью поверхности и с высоким удельным (на единицу объема) энерговыделением, что обеспечивает быстрое образование ударной волны, скорость которой в гладкой детонационной трубе (1) по мере удаления от источника зажигания (3) быстро увеличивается вследствие прогрессирующего ускорения пламени и низкого аэродинамического сопротивления в гладкой трубе, что, в свою очередь, ведет к росту уровня турбулентности в горючей смеси за фронтом ударной волны и ускорению турбулентного фронта пламени. В результате достигается согласование темпов ускорения турбулентного фронта пламени и усиления ударной волны, что приводит к быстрому возникновению детонации в области между ударной волной и фронтом пламени.
2
3
Приводим пример осуществления изобретения на опытном образце предлагаемого устройства, оснащенного регистрирующей аппаратурой, а также системами питания, зажигания и управления. В детонационной трубе диаметром d=74 мм и длиной 1 м с гладкими стенками толщиной 4,5 мм один конец закрыт: в нем выполнены отверстия для сменных форсунок подачи горючего и окислителя с проходным сечением от 0,5 до 10 мм и для двух запальных свечей (штатные автомобильные свечи с энергией зажигания ~0,2 Дж). Другой конец гладкой детонационной трубы присоединен к большой буферной емкости объемом около 2 м, сообщающейся с атмосферой через проницаемый огнепреградитель (для обеспечения безопасности работы установки). В качестве окислителя использовали технический газообразный кислород, а в качестве топлива - природный газ с содержанием метана не менее 98%. Газы подаются в форсунки по двум магистралям внутренним диаметром 8 мм из стандартных баллонов объемом 40 л под давлением от 25 до 150 атм. В магистралях на расстоянии 100 мм от форсунок установлены управляемые электромагнитные клапаны. Объемы участков магистралей подачи кислорода и природного газа от баллона до клапана: ~300 и ~280 мл соответственно. Объем участков магистралей подачи кислорода и природного газа от клапана до форсунки: ~5 мл.
Передвижение фронта реакции измеряли с помощью четырех ионизационных зондов, установленных на расстояниях 100, 300, 500 и 700 мм от закрытого конца детонационной трубы. Ионизационные зонды многократно использовались авторами ранее для регистрации перехода горения в детонацию и последующего распространения детонационной волны (Фролов С.М, Аксенов В.С, Дубровский А.В., Зангиев А.Э., Иванов В.С., Медведев С.Н., Шамшин И.О. Хемиионизационная и акустическая диагностика рабочего процесса в непрерывно-детонационных и импульсно-детонационных камерах сгорания. Доклады академии наук, 2015, том 465, №1, с. 62-67). Все зонды были соединены с персональным компьютером через аналогово-цифровой преобразователь. Характерное время срабатывания ионизационного зонда 3 мкс. Погрешность измерения скорости фронта реакции не превышала 5%.
Результаты измерений в одиночном импульсе представлены на фигуре 2, из которой видно, что скорость фронта реакции уже на расстоянии ~300 мм достигает 2300 м/с, а затем фронт реакции распространяется квазистационарно со скоростью 2200 м/с, то есть скорость распространения фронта реакции существенно сверхзвуковая и близка к скорости распространения детонационной волны в гомогенной смеси кислород - природный газ. Другими словами, в этом опыте с одиночным импульсом зарегистрирован быстрый переход горения в детонацию с преддетонационным расстоянием L≈4d за преддетонационное время около 0,4 мс после зажигания.
Результаты измерений в частотном режиме (в четырех последовательных импульсах) представлены на фигуре 3. Как и в одиночных импульсах, в частотном режиме скорость фронта реакции уже на расстоянии ~300 мм достигает 2300-2400 м/с, а затем фронт реакции распространяется квазистационарно со скоростью от 2200 до 2500 м/с в зависимости от среднего состава смеси. Другими словами, в этом опыте зарегистрирован быстрый циклический переход горения в детонацию с частотой 10 Гц с преддетонационным расстоянием L≈4d за преддетонационное время около 0,4 мс после зажигания.
Таким образом, предложенные способ и устройство инициирования детонации в трубе с горючей смесью, который не только позволяет уменьшить преддетонационное расстояние и время, но и обеспечивает переход горения в детонацию в гладкой трубе при раздельной подаче топливных компонентов без использования каких-либо препятствий-турбулизаторов.