способ газодинамического воспламенения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ воспламенения двухкомпонентного топлива, включающий ускорение струи газообразного компонента топлива до сверхзвуковой скорости, торможение струи с возбуждением в ней ударных волн, разделение струи первого компонента на нагретую и холодную составляющие, разделение второго компонента и смешение одной его части с нагретой частью первого компонента при достижении заданной температуры в нагретой части первого компонента, смешивание оставшейся части второго компонента с холодной частью первого компонента вне зоны воспламенения, отличающийся тем, что газообразный компонент разделяют на два потока и второй поток также ускоряют, тормозят с возбуждением в струе ударных волн, разделяют на нагретую и холодную составляющие, причем ударные волны, образованные первым и вторым потоками газообразного компонента, концентрируют в заданных зонах нагрева компонента, а в нагретую составляющую второго потока подают смесь части второго компонента с нагретой частью первого компонента первого потока.

2. Газодинамический воспламенитель, содержащий корпус в форме эллиптического концентратора с закрепленным в одном из его фокусов стержневым газоструйным излучателем, систему подвода первого и второго компонентов топлива, первый из которых является рабочим телом стержневого газоструйного излучателя, проходную резонансную трубку с отверстиями подвода второго компонента топлива, установленную в днище во втором фокусе концентратора, отличающийся тем, что выход из проходной резонансной трубки сообщен с полостью второй проходной резонансной трубки, размещенной соосно второму концентратору акустических колебаний с собственным газоструйным излучателем, установленному на днище по другую сторону от первого концентратора, причем магистраль подачи первого компонента, являющегося рабочим телом второго излучателя, сообщена с магистралью подачи рабочего тела первого стержневого газоструйного излучателя.

3. Газодинамический воспламенитель по п.2, отличающийся тем, что второй концентратор акустических колебаний выполнен в виде осесимметричной камеры и соосного с ней дискового газоструйного излучателя со сходящейся струей.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к энергетике и машиностроению и предназначены для организации воспламенения несамовоспламеняющихся газообразных или газожидкостных топлив в различных устройствах для сжигания, включая тепловые двигатели.

Известен способ газодинамического воспламенения газообразных компонентов топлива, включающий процесс генерации акустических колебаний одновременно активными потоками первого и второго компонентов топлива, нагрев части активного потока вследствие поглощения энергии акустических колебаний, разделение активных потоков на холодную и нагретую составляющие, смешивание нагретых потоков компонентов топлива в ограниченной зоне и воспламенение (п. РФ №2175743, з. №99102886/06 от 10.02.99, МПК F23Q 13/00).

Способ осуществляется в устройстве, защищенном тем же патентом. Газодинамический воспламенитель содержит форкамеру с выхлопным соплом, каналы подвода компонентов в нее, причем каналы подачи компонентов выполнены в виде сопел установленных соосно и направленных навстречу друг другу, а напротив них размещены резонансные трубки, днища которых образуют ограниченную зону, а в этих днищах выполнены отверстия для отвода нагретых составляющих газа.

Для известных способа и устройства характерны инерционность процесса разогрева газа из-за отвода тепла в холодную часть стенок резонансной трубки и ограничение по используемым компонентам топлива: применяются только газообразные компоненты топлива.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ воспламенения двухкомпонентного топлива по а.с. СССР №1605098 (з. №4625697/24-06 от 26.12.88), МПК F23Q 13/00, включающий ускорение струи газообразного компонента до сверхзвуковой скорости, торможение струи с возбуждением в ней ударных волн, разделение струи первого компонента на нагретую и холодную составляющие, разделение второго компонента и смешение одной его части с нагретой частью первого компонента при достижении заданной температуры в нагретой части первого компонента, смешивание оставшейся части второго компонента с холодной частью первого компонента вне зоны воспламенения.

Как и для вышеупомянутых способа и устройства, для прототипа характерна инерционность и невысокая надежность воспламенения жидких горючих компонентов, связанные с необходимостью достижения конструкцией в зоне смешения температуры воспламенения жидкого компонента и отсутствием этапа подготовки горючей смеси.

Наиболее близким к заявляемому устройством для осуществления способа является газодинамический воспламенитель по патенту РФ №2053445 (з. №2252908/06 от 05.03.79), МПК F23D 11/34. Устройство состоит из корпуса в форме эллиптического концентратора с закрепленным в одном из его фокусов стержневым газоструйным излучателем, системы подвода компонентов топлива, один из которых является рабочим телом газоструйного излучателя, проходной резонансной трубки с отверстиями подвода второго компонента топлива, установленной в огневом днище во втором фокусе концентратора. В огневом днище предусмотрены каналы для отвода рабочего тела.

Для данного устройства характерны те же недостатки, что и для вышеприведенного способа, но возникает положительное свойство: объемный нагрев газа в заданной точке (зоне).

Предлагаемыми изобретениями решается задача снижения инерционности процесса воспламенения и повышения его надежности путем поглощения акустической энергии газом и горючей смесью, заполняющей проходную резонансную трубку, и взаимодействием этой смеси с дополнительно и отдельно нагретым газом.

Для достижения требуемого технического результата способ воспламенения двухкомпонентного топлива, как и прототип, включает ускорение струи газообразного компонента до сверхзвуковой скорости, торможение струи с возбуждением в ней ударных волн, разделение струи первого компонента на нагретую и холодную составляющие, разделение второго компонента и смешение одной его части с нагретой частью первого компонента при достижении заданной температуры в нагретой части первого компонента, смешивание оставшейся части второго компонента с холодной частью первого компонента вне зоны воспламенения. Дополнительно газообразный компонент разделяют на два потока и второй поток также ускоряют, тормозят с возбуждением в струе ударных волн, разделяют на нагретую и холодную составляющие, причем ударные волны, образованные первым и вторым потоками газообразного компонента, концентрируют в заданных зонах нагрева компонента, а в нагретую составляющую подают смесь части второго компонента с нагретой частью первого компонента первого потока.

Особенность способа заключается в объемном процессе воспламенения подготовленной и нагретой смеси окислительного газа и горючего. Из процесса воспламенения исключается испарение горючего в зоне воспламенения - процесс, потребляющий большое количество тепловой энергии, возникающей при поглощении компонентами энергии ударных волн. Заданная температура, являющаяся ориентиром для подачи второго компонента (горючего), может быть снижена, а время, затрачиваемое на воспламенение подготовленной смеси, уменьшится.

Устройство, позволяющее получить вышеприведенный технический результат, представляет собой газодинамический воспламенитель, состоящий из корпуса в виде эллиптического концентратора акустических колебаний с закрепленным в одном из его фокусов стержневым газоструйным излучателем, систем подвода первого и второго компонентов топлива, первый из которых является рабочим телом стержневого газоструйного излучателя, проходную резонансную трубку с отверстиями подвода второго компонента топлива (горючего), установленную в днище во втором фокусе концентратора. Согласно изобретению выход из проходной резонансной трубки сообщен с полостью второй проходной резонансной трубки, размещенной соосно второму концентратору акустических колебаний с собственным газоструйным излучателем, установленным на днище по другую сторону от первого концентратора, причем магистраль подачи первого компонента, являющегося рабочим телом второго излучателя, сообщена с магистралью подачи рабочего тела стержневого излучателя.

Второй концентратор акустических колебаний целесообразно выполнять в виде осесимметричной камеры, соосно которой установлен дисковый газоструйный излучатель со сходящейся струей.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами.

На фиг.1 приведена схема осуществления способа.

На фиг.2 приведено устройство для осуществления способа, продольный разрез.

На схеме осуществления способа (фиг.1) показаны ускорители 1 и 2, выполненные в виде сопел, резонансные полости 3 и 4, в которых генерируются периодические ударные волны (акустические колебания), 5 и 6 - концентраторы акустических колебаний, а 7 и 8 - полости нагрева и воспламенения соответственно, выполненные в виде проходных резонансных трубок.

В концентраторах акустических колебаний каждый поток разделяют на нагретую и холодную составляющие. Горячая составляющая ограничивается полостью 7, в которую подается часть горючего (жидкого или газообразного). В полость 8 поступает нагретая часть второго потока окислительного газа, и в нее подается подготовленная и нагретая смесь окислительного газа и горючего для воспламенения. Образовавшийся факел розжига поджигает смесь из остатков горючего и холодной составляющей окислительного газа.

Устройство, предназначенное для осуществления способа, представляет собой газодинамический воспламенитель с соплами 1 и 2 для подачи окислительного газа, резонаторами 3 и 4, расположенными напротив соответствующих сопел, концентраторами акустических колебаний 5 и 6. В заданных зонах нагрева концентраторов установлены проходные резонансные трубки 7 и 8, представляющие собой полости нагрева.

Резонатор 3 закреплен на стержне 9, установленном соосно внутри сопла 1. Окислительный газ к соплу 1 подводится по трубопроводу 10. Боковая часть внутренней поверхности концентратора 5 выполнена в виде эллипсоида вращения, в одном из фокусов которого установлен резонатор 3, а во втором фокусе - проходная резонансная трубка 7 (полость нагрева и смешивания) с отверстиями 11 для подачи горючего из коллектора 12 и осевым отверстием 13 для выхода готовой смеси окислительного газа и горючего в проходную резонансную трубку 8, являющуюся полостью нагрева и воспламенения. Холодный газ из полости концентратора 5 через дренажные каналы 14 поступает внутрь концентратора 6. Концентратор 6 выполнен в виде конической камеры сгорания с соплом 15. Коллектор 12 находится в днище 16, в котором имеется радиальный канал 17 для подачи горючего, соединенный с трубопроводом 18, имеющим соединяющий трубопровод 19 для подачи части горючего в коллектор 20, из которого через форсунки 21 горючее поступает в концентратор 6 (коническую камеру сгорания). Окислительный газ к соплу 2 подводится через коллектор 22, сообщенный с трубопроводом 23.

Предлагаемый способ воспламенения двухкомпонентного топлива осуществляется следующим образом (фиг.1). Газообразный компонент топлива (окислительный газ) разделяют на два потока, каждый из которых пропускают через собственный ускоритель, выполненный в виде сопла, до сверхзвуковой скорости. Первый поток пропускают через первый ускоритель 1, а второй поток - через второй ускоритель 2. После чего в виде недорасширенной струи поток из ускорителя 1 направляют в цилиндрическую полость резонатора 3, а из ускорителя 2 - в полость резонатора 4. В указанных полостях возбуждаются колебания ударных волн давления ультразвуковой частоты. Ударные волны с помощью концентраторов акустических колебаний 5 и 6 концентрируются в полостях нагрева 7 и 8, обеспечивая объемный процесс нагрева газа. Если полости нагрева выполнены в виде резонансных трубок, то эффективность нагрева газа существенно возрастает.

Нагретый газ собирается в полостях нагрева 7 и 8, и газ из полости 7 протекает в полость 8. В полостях концентраторов 5 и 6 происходит разделение нагретой и холодной составляющих. В полости нагрева 7 в разогретую составляющую газа, при достижении им заданной температуры, добавляют часть горючего. Подготовленная смесь газифицированного или газообразного горючего с окислительным газом поступает в полость нагрева 8, где уже находится нагретый до температуры воспламенения горючей смеси окислительный газ для создания горючей смеси с соотношением компонентов топлива, близким к стехиометрическому. Смесь воспламеняется и образовавшийся факел розжига поджигает смешанные холодные составляющие окислительного газа и оставшегося горючего. Процесс воспламенения завершен.

Устройство, предназначенное для осуществления способа, работает следующим образом (фиг.2).

Одна часть окислительного газа по трубопроводу 10 подается в сопло 1 и через кольцевой канал, образованный стержнем 9 и выходным участком сопла 1, со сверхзвуковой скоростью поступает в полость резонатора 3.

Вторая часть окислительного газа через трубопровод 23, коллектор 22 и щелевое сопло 2 попадает в кольцевую полость резонатора 4. Ударные волны, образующиеся в полостях резонаторов 3 и 4, вызывают высокочастотные акустические колебания ультразвукового диапазона, которые, распространяясь в полостях концентраторов акустических колебаний 5 и 6, концентрируются в заданных зонах. В эллиптическом концентраторе 5 волны концентрируются во втором фокусе эллипсоида вращения, во входном участке проходной резонансной трубки 7, где происходит поглощение акустической энергии газом. В проходной резонансной трубке газ нагревается и поступает в сторону осевого отверстия 13, через которое отводится в полость резонансной трубки 8. Холодная часть окислительного газа отводится через дренажные каналы 14 в полость концентратора 6.

В коническом концентраторе акустические волны концентрируются на оси в районе выхода из проходной резонансной трубки 8. Здесь происходит поглощение акустической энергии газом и его разогрев. Разогрев газа происходит и в самой резонансной трубке 8, также за счет поглощения газом энергии акустических волн. По достижении газом в полости резонатора 8 заданной температуры, необходимой для воспламенения горючего (устанавливается опытным путем или измеряется в процессе работы), по трубопроводу 18 горючее (газ или жидкость) поступает в коллектор 12, где нагревается от стенок резонансной трубки 7, и через отверстия 11 поступает в полость резонансной трубки 7, где смешивается с нагретым окислительным газом. Если горючее жидкое, то в полости резонансной трубки 7 происходит его испарение и нагрев. Подготовленная смесь через осевое отверстие 13 поступает в проходную резонансную трубку 8, где находится дополнительно нагретый окислительный газ, достигший температуры, достаточной для воспламенения применяемого горючего. Образовавшийся в резонансной трубке 8 факел поджигает холодную смесь горючего и окислительного газа, поступающих через соединительный трубопровод 19, коллектор 20, форсунки 21 и дренажные каналы 14 соответственно. Продукты сгорания, отводимые через сопло 15, могут использоваться для розжига топливной смеси в топках котельных, запуска жидкостных ракетных двигателей и т.д.