СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ГОРЕНИЯ В КАМЕРЕ Российский патент 2001 года по МПК F23N5/00 F23R7/00 F23C11/04 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано для управления процессами горения в камерах, которое широко используется в различных устройствах пульсирующего и детонационного горения.

Известны способы управления горением путем изменения параметров турбулентности, например, наложением внешних колебаний на область горения [1], применением дополнительных трубчатых и ленточных турбулизаторов, устанавливаемых в каналах [2]. Известен также способ управления неустойчивостью горения дуговым разрядом, создаваемым источником тока с выходным импедансом, изменяющимся в зависимости от задачи управления [3]. Однако способы управления процессами горения с помощью наложения внешних колебаний на область горения и способ управления горением дуговым разрядом неэффективны при управлении процессами происходящими в двигающейся самоускоряющейся волне фронта горения. Первый из них применяется только для изменения параметров турбулентности, если фронт горения локализован в ограниченной области, например на горелочном устройстве. Второй, так как дуговой разряд не может двигаться вместе с фронтом горения вследствие его контрагирования в плазменный шнур, неэффективен при управлении горением в камерах. Способы, связанные с применением дополнительных механических турбулизаторов, устанавливаемых в каналах, могут только повышать степень турбулизации процесса, следовательно, их возможности ограничены. Кроме того, вследствие статистических свойств турбулентности газовых потоков, создаваемых дополнительными механическими турбулизаторами, применение данного способа управления дает значительный статистический разброс регулируемых параметров.

Наиболее близким по механизму воздействия на зону горения к предлагаемому является способ управления горением воздействием на степень турбулентности [2] фронта горения применением дополнительных турбулизаторов. При этом воздействие осуществляют как на фронт горения, так и на всю среду в камере. Этот способ обладает вышеперечисленными недостатками.

Заявляемое изобретение решает задачу создания способа управления процессами горения в камере, позволяющего в зависимости от задачи управления замедлять или ускорять движение волны фронта горения.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является обеспечение воздействия на степень турбулентности фронта горения с возможностью как увеличения, так и уменьшения ее, но позволяет воздействовать на величину акустического давления в камере сгорания, ускоряя или замедляя тем самым движение волны фронтa горения. Кроме того, заявляемый способ расширяет ассортимент средств управления процессами горения в камере.

Этот технический результат достигается тем, что при управлении процессом горения в камере воздействием на степень турбулентности фронта горения воздействие осуществляют формированием в камере диффузного электрического разряда, согласованного со структурой фронта горения так, что при стабилизации разряда по току увеличивают степень турбулизации, а при стабилизации разряда по напряжению уменьшают степень турбулизации.

Особенностью предлагаемого способа является то, что в камере сгорания возбуждают диффузный электрический разряд, который благодаря согласованности с гидродинамической структурой фронта горения перемещается вместе с фронтом горения. Механизм воздействия на степень турбулизации фронта горения заключается в следующем: при возбуждении стабилизированного по току диффузионного разряда переменное тепловыделение, связанное с разрядом, отстает по фазе от фазы переменного тепловыделения связанного с горением, и фазы акустического давления, поддерживаемого химическими процессами, на угол больше π/2. Это приводит к уменьшению уровня акустического давления в канале и соответственно к уменьшению степени турбулизации зоны горения. Время распространения волны фронта горения затягивается. При возбуждении в канале стабилизированного по напряжению диффузного разряда сдвиг фаз становится меньше π/2, акустическое давление, наоборот, увеличивается, и увеличивается степень турбулизации фронта горения, распространение волны фронта горения ускоряется.

Описанный способ может быть реализован с помощью устройства, схема которого приведена на фиг. 1.

Устройство включает в себя закрытую с одного конца трубы камеру 1 в виде прямоугольного сечения. Две противоположные стенки грубы изготовлены из металла и одновременно служат электродами 2, между которыми возбуждают диффузный разряд 8 от источника питания 7 с изменяющимся импедансом. Две другие стенки прямоугольной трубы были выполнены из непроводящего материала, например, из органического стекла. Горючую смесь готовят динамическим способом. Пропан, воздух и дополнительный кислород подают в камеру через смеситель 3. Воспламенение горючей смеси осуществляют искрой у закрытого конца 4 трубы. Давление регистрируют пьезокерамическим датчиком давления 5 через усилитель у закрытого конца трубы. Скорость распространения пламени фиксировалась двумя фотоумножителями 6 через окна шириной 1 мм. Сигналы с выхода усилителя датчика давления, фотоумножителей и источника питания поступали через аналого-цифровой преобразователь в память компьютера, где в дальнейшем и обрабатывались.

Способ осуществляется следующим образом. Горючую смесь подают в камеру 1 через смеситель 3, воспламеняют смесь искрой у закрытого конца 4 трубы. Одновременно воздействуют на турбулентность фронта пламени стабилизированным по току (для уменьшения степени турбулентности) или по напряжению (для увеличения степени турбулентности) диффузным разрядом 8, который перемещается в камере вместе с фронтом горения. О влиянии диффузного разряда (стабилизированного по току или напряжению) судят по осциллограммам акустического давления, полученным с помощью датчика 5, а также осциллограммам скорости распространения пламени, полученным с помощью фотоумножителей.

Примеры конкретного выполнения способа демонстрируют фиг. 2-6.

Действие электрических разрядов, стабилизированных по току или напряжению на зону горения пропановоздушных и пропанокислородных смесей в трубах, происходит по-разному и существенно зависит от способа стабилизации электрического диффузного разряда и в некоторой степени от химического состава смеси. На фиг. 2 приведены осциллограммы давления, записанные при поджигании искрой пропановоздушных смесей различного состава у закрытого конца трубы при наложении стабилизированного по току разряда: а,б - содержание C₃H₈ - 3,2%: в, г - 4,0%; а,в - без разряда; б,г - с разрядом в соответствии с заявляемым изобретением. Как видно из приведенных осциллограмм, воздействие стабилизированного по току разряда наиболее сильно для стехиометрических смесей. Давление в этом случае уменьшается почти в два раза. Более наглядно воздействие электрических разрядов как результата воздействия на степень турбулентности фронта горения проявляется при регистрации скорости распространения фронта горения, которая регистрировалась как средняя скорость распространения по всей длине грубы по сигналам двух фотоумножителей. Результаты показывают, что скорость распространения пламени стехиометрических смесей уменьшается более чем в два раза. Наблюдается эффект затягивания времени ускорения фронта пламени.

Преддетонационная длина для пропановоздушных смесей значительно больше, чем для пропанокислородных. Поэтому для выяснения влияния разрядов на характерные преддетонационные процессы управление процессом горения в камере проводилось для смесей, обогащенных кислородом при поджигании у закрытого конца грубы. На фиг. 3 приведены осциллограммы колебаний давления для стехиометрической пропанокислородной смеси, разбавленной на 60% азотом: 3а - без разряда, 3б - с разрядом. Как видно из осциллограмм, интенсивность колебаний давления в случае наложения на зону горения стабилизированного по току разряда (фиг. 3б) уменьшается на 20%, но время нарастания амплитуды колебаний давления но сравнению с временем нарастания без разряда увеличивается почти в два раза, то есть в высокоэнергитичных смесях также происходит затягивание преддетонационного периода. Последнее демонстрируется зависимостями отношения скоростей распространения ускоряющегося фронта пламени в стехиометрических пропановоздушнокислородных смесях с разрядом и без разряда в зависимости от процентного содержания азота в кислороде, полученных с помощью обработки сигналов двух фотоумножителей (фиг. 4 - график зависимости отношения средней скорости распространения пламени с разрядом к скорости без разряда), расположенных на расстоянии 200 мм друг от друга и отстоящих от закрытого конца на расстоянии 700 мм.

Видно, что для низкоэнергетичных смесей средняя скорость распространения ускоряющегося фронта пламени в электрическом разряде больше, чем без разряда. С увеличением процентного содержания кислорода относительная скорость становится меньше единицы, то есть тоже проявляется эффект затягивания преддетонационных процессов.

Для подтверждения взаимодействия, стабилизированного по напряжению разряда, согласованного с движущимся фронтом горения, проводились измерения по определению скорости распространения пламени вдоль трубы. Скорости определялась с помощью двух фотоумножителей, расположенных на фиксированном расстоянии 0,1 м друг от друга и которые как целое передвигались вдоль оси трубы. График распределения скорости приведен на фиг. 5 (зависимость локальной скорости распространения пламени от положения фронта пламени в трубе для стехиометрической пропанокислородной смеси, разбавленной на 72% азотом: 1 - без разряда, 2 - стабилизированный по току разряд, 3 - стабилизированный по напряжению). Из фиг. 5 видно, что под действием стабилизированного по напряжению разряда происходит увеличение степени турбулентности фронта пламени, а значит, и увеличение скорости пламени на выходе грубы более чем на 30%. При приближении скорости распространения волны горения к скорости звука наложение разрядов на зону горения стабилизированных по току или напряжению в разных точках переходного участка может как увеличивать, так и уменьшать локальную скорость распространения. Причем общая тенденция по уменьшению турбулентной скорости горения (стабилизированный по току разряд) или увеличению (стабилизированный по напряжению разряд) сохраняется.

Влияние разрядов на степень турбулизации фронта горения подтверждается исследованиями по визуализации зоны горения на начальной стадии воздействия диффузного разряда. На фиг. 6 (фрагменты шлирен фильма распространения волны горения в канале прямоугольного сечения: а - без разряда, б - с разрядом I = 10 мА) показано, что при воздействии разряда (фиг. 6б), стабилизированного по току, степень турбулизации зоны горения в канале уменьшается по сравнению со случаем распространения пламени без разряда (фиг. 6а).

Приведенные примеры показывают, что с помощью диффузных разрядов можно управлять процессами горения при инициировании детонации в каналах, причем воздействие осуществляется посредством управления степенью турбулизации фронта горения.

Источники информации
1. Aвторское свидетельство SU 556281, кл. F 23 N 5/00, 1977.

2. Aвторское свидетельство SU 1244423, кл. F 23 C 11/04, F 23 R 7/00, 1986.

3. Aвторское свидетельство SU 270666, кл. B 061/20, 1987.

Изобретение может быть использовано для управления процессами горения в различных устройствах пульсирующего и детонационного горения. Способ управления процессом горения в камере воздействием на степень турбулентности фронта горения заключается в том, что воздействие осуществляют формированием в камере диффузного электрического разряда, согласованного с гидродинамической структурой фронта горения так, что при стабилизации разряда по току увеличивают степень турбулизации, а при стабилизации разряда по напряжению уменьшают степень турбулизации. Изобретение позволяет в зависимости от задачи управления процессами горения в камере замедлять или ускорять движение волны фронта горения. 6 ил.

Способ управления процессом горения в камере воздействием на степень турбулентности фронта горения, отличающийся тем, что воздействие осуществляют формированием в камере диффузного электрического разряда, согласованного с гидродинамической структурой фронта горения так, что при стабилизации разряда по току увеличивают степень турбулизации, а при стабилизации разряда по направлению уменьшают степень турбулизации.