ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F23Q13/00 

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано в стационарных и транспортных установках для розжига камер сгорания, работающих на углеводородном топливе.

Известны устройства для воспламенения топливных смесей в камерах сгорания энергетических установок, использующие электроискровые, химические, пиротехнические и др. способы воспламенения /1/.

Известны газодинамические воспламенители, в которых реакция горения инициируется нагревом топливной смеси на поверхности полого газодинамического резонатора, разогрев которого осуществляется энергией сжатого газа.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является газодинамический воспламенитель, содержащий корпус с газовым соплом, соединенным с источником подачи сжатого газа, и дренажными патрубками, при этом напротив сопла в корпусе осесимметрично размещен открытым торцом полый цилиндрический резонатор, глухой конец которого размещен в форкамере, снабженной топливными форсунками и выхлопным соплом /2/.

Известный воспламенитель работает следующим образом. Активный сжатый газ подают к газовому соплу, в котором он ускоряется до сверхзвуковой скорости и в виде недорасширенной струи попадает в тупиковую глухую полость резонатора. Отражаясь от резонатора, активный газ заполняет внутреннее пространство корпуса и отводится через дренажные патрубки. При этом в тупиковой полости резонатора развиваются колебания ударных волн, которые за 50-100 с нагревают газ внутри полости и стенки резонатора до температур 1200 1500 К. При достижении температуры, достаточной для начала воспламенения топлива (1200 - 1300^oC для углеводородных топлив), на внешнюю поверхность резонатора через форсунки в форкамере подают горячее и окислитель, которые, образуя топливную смесь, воспламеняются, и продукты сгорания истекают из выхлопного сопла. После воспламенения топливной смеси подача активного газа в воспламенитель прекращается.

Недостаток известного воспламенения заключается в значительных затратах активного сжатого газа на каждое включение. Так, при минимальном секундном расходе газа ≈10 г/с общий расход газа составит 0,5^oC1 кг. Такой значительный расход газа ограничивает число возможных включений воспламенителя, особенно в энергетических транспортных установках с многократным включением, к которым предъявляются высокие требования к массе компонентов топлив и установки в целом.

Причина медленного разогрева резонатора связана с тем, что как правило, они выполняются на материале с высоким коэффициентом теплопроводности, и поэтому при его разогреве происходит интенсивный отвод тепла от него с открытого конца холодными порциями дренируемого активного газа, а также отвод конца холодными порциями дренируемого активного газа, а также отвода тепла по тепловому мосту в месте соединения резонатора с форкамерой. Это и приводит к излишним затратам активного сжатого газа для разогрева резонатора.

Задача, решаемая изобретением, заключается в снижении расхода сжатого газа на воспламенение и сокращении времени достижения температуры воспламенения топлива путем снижения интенсивности отвода тепла от резонатора из зоны его нагрева.

Это достигается тем, что в известном газодинамическом воспламенителе, содержащем корпус с газовым соплом, соединенным с источником подачи сжатого газа, и дренажным патрубком, при этом напротив сопла в корпусе осесимметрично размещен открытым торцом полый цилиндрический резонатор, глухой конец которого размещен в форкамере, снабженной топливными форсунками и выхлопным соплом, согласно изобретению часть полого цилиндрического резонатора со стороны открытого торца выполнена из материала с коэффициентом теплопроводности меньшим коэффициента теплопроводности материала донной части его глухого конца.

Кроме того, донная часть глухого конца выполнена из пористого катализатора, понижающего температуру воспламенения топлива или на нее нанесен слой катализатора в виде втулки с перфорациями или из пористого материала.

На фиг. 1 изображен газодинамический воспламенитель, продольный разрез; на фиг.2 то же, с катализатором в виде втулки.

Газодинамический воспламенитель, изображенный на фиг.1, содержит корпус 1 с дренажным патрубком 2 и газовым соплом 3, подсоединенным к источнику сжатого газа (на чертеже условно не показан). Стенка 4 корпуса 1 является стенкой форкамеры 5, при этом в стенке 4 выполнено сквозное отверстие, в котором установлен полый цилиндрический резонатор 6 с глухим концом 7, размещенным в форкамере 5. Резонатор 6 установлен осесимметрично газовому соплу 3, к которому он направлен открытым торцом 8, со стороны которого часть резонатора 6 выполнена из материала с коэффициентом теплопроводности меньшим коэффициента теплопроводности материала, из которого выполнена донная часть глухого конца 7 резонатора 6. Для углеводородных топлив резонатор 6 со стороны открытого торца 8 изготавливается из материала с коэффициентом теплопроводности λ≅ 25 вт/мк. На наружную поверхность донной части глухого конца 7 резонатора 6 нанесен в виде втулки 9 слой катализатора, понижающего температуру воспламенения топлива. Втулка 9 может быть выполнена с перфорационными отверстиями или из пористого материала. Форкамера 5 снабжена топливными форсунками 10 и 11 и выхлопным соплом 12.

В газодинамическом воспламенителе, изображенном на фиг.2, донная часть глухого конца 7 резонатора 6 выполнена в виде слоя (включая и дно) пористого катализатора, понижающего температуру воспламенения топлив, при этом коэффициент теплопроводности его выше коэффициента теплопроводности материала части резонатора 6 со стороны открытого торца 8.

Газодинамический воспламенитель, изображенный на фиг.1, работает следующим образом. Сжатый газ от источника поступает в газовое сопло 3, где он ускоряется до сверхзвуковой скорости и в виде недорасширенной струи попадает в тупиковую полость глухого конца 7 резонатора 6. Отражаясь от резонатора 6, газ заполняет внутреннее пространство корпуса 1 и истекает через дренажный патрубок 2. При этом в тупиковой полости резонатора 6 развиваются колебания ударных волн, которые нагревают газ в этой полости, (наиболее интенсивно осуществляется нагрев газа в глухой полости на участке, равном 1/4 длины резонатора 6 от дна). Тепло горячего газа передается участку 7 резонатора 6, выполненного из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, что обеспечивает его быстрый разогрев до Т≈ 1200 1300 K (температур воспламенения до углеводородного топлива). Выполнение резонатора 6 со стороны открытого торца 8 из материала с низким коэффициентом теплопроводности (хромоникелевый сплав, керамика и др. ) значительно снижает интенсивность отвода тепла от горячего глухого конца 7 резонатора 6 и выполняющего функцию теплового сопротивления к холодному сжатому газу. Это значительно снижает затраты сжатого газа на достижение температуры 6 (глухого конца 7) температуры воспламенения топливной смеси. Наличие на глухом конце 7 катализатора в виде втулки 9, понижающего температуру воспламенения (например, катализатор из платины, никеля и др. снижает эту температуру до уровня ≈ 500^oC600 K) и дополнительно уменьшает расход сжатого газа в 8^oC10 раз по сравнению с прототипом. Например при испытаниях воспламенителя, работающего на топливах: бензине и воздухе на воспламенение топливной смеси израсходовано 50^oC60 г сжатого воздуха вместо 450^oC500 г по прототипу. При достижении глухим концом 7 резонатора 6 температуры, равной температуре воспламенения топливной смеси, через форсунки 10 и 11 в форкамеру 5 на нагретую часть резонатора 6 подают компоненты топлива. Они разогреваются, испаряются и воспламеняются с образованием продуктов сгорания, которые истекают через выхлопное сопло 12. После воспламенения топливной смеси подачу активного газа в корпус 1 прекращают. Вследствие снижения интенсивности отвода тепла от резонатора из зоны нагрева уменьшается и время на воспламенение рабочей смеси, т.е. повышается быстродействие. Перфорационные отверстия во втулке 9 катализатора интенсифицируют теплообменные процессы, что также способствует снижению расхода газа и повышает быстродействие воспламенителя.

Газодинамический воспламенитель, изображенный на фиг.2, работает следующим образом. Сжатый газ аналогично разогревает глухой конец 7 резонатора 6. При этом одновременно используются свойства материала, из которого он изготовлен, и свойства катализатора: т.е. и более высокий коэффициент теплопроводности, и возможность снизить температуру воспламенения топливной смеси. Но кроме этого, поскольку глухой конец 7 выполнен еще и из пористого материала, это приводит к разогреву газа, находящегося в его порах, который поступает к разогреву газа, находящегося в его порах, который поступает в форкамеру 5, нагревая находящуюся в ней смесь компонентов. При разогреве глухого конца 7 резонатора в форкамере 5 до температуры воспламенения топливной смеси в форкамеру 5 подают топливо на этот конец. Происходит воспламенение смеси с образованием продуктов сгорания и их истечение из выхлопного сопла 12.

Таким образом, использование изобретения позволит сократить расходы сжатого газа и сокращение времени на воспламенение топливной смеси в форкамере газодинамического воспламенения.

Использование: в стационарных и транспортных установках для розжига камер сгорания, работающих на углеводородном топливе. Сущность изобретения: газодинамический воспламенитель содержит корпус 1 с газовым соплом 3, соединенным с источником сжатого газа. В стенке 4 корпуса 1, являющейся и стеной форкамеры 5, установлен полый цилиндрический резонатор 6 с глухим концом 7, выполненным из материала, коэффициент теплопроводности которого больше коэффициента теплопроводности материала, из которого выполнен открытый конец 8 резонатора 6. Глухой конец 7 покрыт пористым катализатором 9, понижающим температуру воспламенения топлива. Форкамера 5 снабжена топливными форсунками 10 и 11 и выхлопным соплом 12. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газодинамический воспламенитель, содержащий корпус с газовым соплом, соединенным с источником подачи сжатого газа, и дренажным патрубком, при этом напротив сопла в корпусе осесимметрично размещен открытым торцом навстречу полый акустический резонатор, глухой конец которого размещен в форкамере, снабженной топливными форсунками и выхлопным соплом, отличающийся тем, что полый акустический резонатор с разных концов выполнен из материалов с разными коэффициентами теплопроводности, при этом коэффициент теплопроводности материала резонатора со стороны глухого конца больше коэффициента теплопроводности материала резонатора со стороны открытого торца. 2. Воспламенитель по п. 1, отличающийся тем, что участок резонатора со стороны глухого конца, выполненный из материала с большим коэффициентом теплопроводности, выполнен из пористого катализатора, понижающего температуру воспламенения топлива. 3. Воспламенитель по п. 1, отличающийся тем, что на наружную поверхность участка резонатора со стороны глухого конца, выполненного из материала с большим коэффициентом теплопроводности, нанесен слой катализатора в виде втулки с перфорацией или из пористого материала, понижающего температуру воспламенения топлива.