ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F23Q13/00 

Газодинамический нагреватель предназначен для использования в области двигателестроения, в частности в устройствах для воспламенения двухкомпонентных, в том числе двухфазных систем.

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к средствам воспламенения двухкомпонентных, в том числе и двухфазных смесей, и может быть применено для воспламенения топлива в различных тепловых машинах.

Известен термоакустический резонатор газодинамического воспламенителя (RU 2062404 С1, кл. F 23 Q 13/00, 20.06.1996), предназначенный для розжига топливной смеси в промышленных котлоагрегатах. Термоакустический резонатор содержит кольцевой кожух с заглушенным с одной стороны торцом, с площадью поперечного сечения, уменьшающейся от входного торца к заглушенному, причем внутри кожуха, выполненного цилиндрическим, размещено коническое тело, прикрепленное основанием к заглушенному торцу и обращенное острием к входному концу.

Недостатком известного термоакустического резонатора является сложность и ограниченная область применения.

Известен газодинамический воспламенитель (RU 2057996 С1, кл. F 23 Q 13/00, 10.04.1996), содержащий размещенные в форкамере соосно и напротив друг друга ускоритель с соплом и полый акустический резонатор. Воспламенитель снабжен камерой дожигания, содержащей патрубок подвода компонента топлива и выпускное сопло и сообщенной посредством отверстия с форкамерой, причем минимальный диаметр выпускного сопла больше минимальных диаметров сопла ускорителя.

Недостатком известного газодинамического воспламенителя является сложность, обусловленная наличием камеры дожигания, и низкая эффективность, обусловленная дозвуковыми параметрами сопла.

Из известных газодинамических нагревателей наиболее близким является газодинамический нагреватель (RU 2062953 С1, кл. F 23 Q 13/00, 27.06.1996), содержащий сопло, снабженное расширяющейся сверхзвуковой частью, и соосно расположенный резонатор.

Недостатком известного газодинамического нагревателя является недостаточно высокий КПД.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение КПД газодинамического нагревателя за счет выбора габаритных оптимальных размеров расширяющейся части сверхзвукового сопла и конического резонатора.

Указанный технический результат достигается тем, что у газодинамического нагревателя, содержащего сопло, снабженное расширяющейся сверхзвуковой частью, и соосно расположенный конический резонатор, угол раскрытия расширяющейся части сопла α составляет 10-20^o на одну сторону.

Указанный технический результат достигается также тем, что диаметр выходного его сечения D_a выбирается из условия, когда система скачков уплотнения располагается на срезе сопла

где P_а - давление на срезе сопла, P_k - давление на входе в сопло, D_kp - минимальное сечение сопла (заранее задано), k - коэффициент адиабаты.

Указанный технический результат достигается также тем, что угол конусности конического резонатора β составляет 3-20^o на одну сторону.

На фиг.1 изображено продольное сечение газодинамического нагревателя со сверхзвуковым соплом с оптимальными геометрическими размерами.

На фиг.2 приведена зависимость температуры нагрева стенки глухого конца резонатора от угла раскрытия сверхзвуковой части сопла.

На фиг.3 приведена зависимость температуры нагрева стенки глухого конца резонатора от степени расширения газа в сверхзвуковом сопле.

На фиг.4 приведена зависимость температуры нагрева стенки глухого конца резонатора от угла конусности резонатора.

Газодинамический нагреватель содержит сопло 1 с расширяющейся частью, угол раскрытия расширяющейся части сопла α составляет 10-20^o на одну сторону. Диаметр выходного его сечения D_a выбирается из условия, когда система скачков уплотнения располагается на срезе сопла

На некотором удалении соосно с соплом 1 расположен конический резонатор 2, угол конусности конического резонатора β составляет 3-20^o на одну сторону.

Газодинамический нагреватель работает следующим образом. Сжатый газ (воздух) разгоняется в сверхзвуковом сопле 1. При определенном расстоянии между соплом и резонатором внутри резонатора возбуждаются высокочастотные ударные волны и на входе резонатора прямой скачок уплотнения (диск Маха) начинает колебаться с высокой частотой. Взаимодействие ударных волн и высокочастотные колебания газа внутри резонатора приводят к повышению температуры газа в глухом конце резонатора. От разогретого газа нагреваются стенки резонатора.

Максимальное повышение температуры глухого конца резонатора газодинамического нагревателя достигается за счет выбора оптимального угла раствора расширяющейся части сверхзвукового сопла и оптимального угла конусности конического резонатора, а также из условия выбора диаметра среза сопла, когда располагается на нем система скачков уплотнения.

При угле раствора расширяющейся части сверхзвукового сопла меньше 10^o на одну сторону температура нагрева глухого конца резонатора не достигает своего максимального значения из-за уменьшения силы ударной волны, которое происходит в результате снижения скорости истечения газа из сопла из-за увеличения трения газа в сопле. Трение газа в сопле увеличивается из-за удлинения длины расширяющейся части сопла, которое происходит, в свою очередь, из-за уменьшения угла раствора расширяющейся части сверхзвукового сопла.

При угле раствора расширяющейся части сверхзвукового сопла больше 20^o на одну сторону температура нагрева глухого конца резонатора не достигает своего максимального значения из-за уменьшения силы ударной волны, которое происходит в результате перерасширения газа в сопле из-за увеличения угла раскрытия. В этом случае по длине расширяющейся части сверхзвукового сопла происходит резкое снижение давления и плотности газа, в результате чего ударная волна, возникающая перед резонатором, слабеет.

Известно, что при истечении из сопла струи за срезом сопла образуется периодическая система скачков уплотнения, так называемые "бочки". Настройка газодинамического нагревателя ведется на первую "бочку", т.е. диск Маха (прямой скачок) должен находиться на входе в резонатор.

Ударная волна тем интенсивнее, чем выше скорость истечения струи газа из сопла нагревателя
где W_a - скорость истечения газа из сопла; R - газовая постоянная; T_k - температура газа на входе в сопло.

Из формулы видно, что, чем больше степень расширения газа P_a/P_k в сверхзвуковом сопле, тем выше скорость истечения газа из сопла. Однако степень расширения газа P_а/P_k в сверхзвуковом сопле нельзя без конца увеличивать, так как в этом случае может случиться так, что система скачков уплотнения зайдет во внутрь расширяющейся части сверхзвукового сопла и скорость истечения замедлится.

Таким образом, максимальную скорость истечения струи газа из сверхзвукового сопла можно достичь, когда система скачков уплотнения располагается на срезе сверхзвукового сопла.

При угле конусности конического резонатора меньше 3^o на одну сторону температура нагрева глухого конца резонатора не достигает своего максимального значения из-за уменьшения перепада давления внутри резонатора.

При угле конусности конического резонатора больше 20^o на одну сторону температура нагрева глухого конца резонатора не достигает своего максимального значения из-за увеличения выброса части нагретого газа из резонатора.

Из графика, приведенного на фиг.2, видно что максимальная температура нагрева глухого конца резонатора достигается при угле раскрытия расширяющейся части сопла α=12^o на одну сторону.

Из графика, приведенного на фиг.3, видно, что максимальная температура нагрева глухого конца резонатора достигается при отношении давления газа на срезе сопла P_а к атмосферному P_н, равному P_а/P_н=0.06 МПа. В этом случае система скачков уплотнения располагается на срезе сопла.

Из графика, приведенного на фиг.4, видно, что максимальная температура нагрева глухого конца резонатора достигается при угле конусности β=3-20^o на одну сторону.

По сравнению с прототипом в предлагаемом газодинамическом нагревателе максимальный КПД достигается за счет оптимизации геометрических размеров расширяющейся части сверхзвукового сопла и конического резонатора.

Экономический эффект обуславливается использованием новых технических характеристик нагревателя. Так как найдены оптимальные геометрические размеры расширяющейся части сопла и резонатора, то максимальную температуру нагрева глухого конца резонатора можно достичь при меньшем расходе потребляемого газа (широкое внедрение газодинамического нагревателя сдерживается в том числе из-за большого расхода потребляемого газа).

Изобретение может найти применение в стендовых установках, в камерах сгорания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и других устройствах.

Использованная литература
Иров Ю. Д. и др. Газодинамические функции. М.: Машиностроение, 1965, с. 22.

Газодинамический нагреватель предназначен для использования в области двигателестроения, в частности в устройствах для воспламенения двухкомпонентных, в том числе двухфазных, систем. В газодинамическом нагревателе, содержащем сопло, снабженное расширяющейся сверхзвуковой частью, и соосно расположенный конический резонатор, угол раскрытия расширяющейся части сопла составляет 10-20^o на одну сторону. Диаметр выходного сечения сопла D_a выбирается из условия, когда система скачков уплотнения располагается на срезе сопла

где Р_а - давление на срезе сопла, Р_k - давление на входе в сопло, D_kp - минимальное сечение сопла (заранее задано), k - коэффициент адиабаты. Угол конусности конического резонатора составляет 3-20^o на одну сторону. Изобретение позволяет повысить кпд газодинамического нагревателя за счет оптимизации геометрических размеров расширяющейся части сверхзвукового сопла и конического резонатора. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Газодинамический нагреватель, содержащий сопло, снабженное расширяющейся сверхзвуковой частью, и соосно расположенный конический резонатор, отличающийся тем, что угол раскрытия расширяющейся части сопла составляет 10-20⁰ на одну сторону.2. Газодинамический нагреватель по п.1, отличающийся тем, что диаметр выходного сечения сопла D_a выбирается из условия, когда система скачков уплотнения располагается на срезе сопла

где P_а - давление на срезе сопла;

P_k - давление на входе в сопло;

D_kр - минимальное сечение сопла (заранее задано);

k - коэффициент адиабаты.