PL201501B1 - Korpus aerodynamiczny i jego zastosowanie oraz urządzenie do spalania mieszanki paliwowej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest korpus aerodyna- miczny do zastosowania w procesie spalania, w którym spala si e mieszank e paliwow a, p lyn ac a w komorze mieszania i reakcji (4), przy czym korpus aerodynamiczny (1) jest ustawiony swoj a osi a g lów- n a wewn atrz komory w kierunku przep lywu. Zewn etrzna powierzchnia korpusu aerodynamiczne- go (1) jest przy tym wytwarzana poprzez obrót górnej powierzchni (11) no snego profilu skrzyd la (15) wokó l jego ci eciwy (13). Tego rodzaju korpus aerodyna- miczny (1) ma wiele ró znych zastosowa n, na przy- klad jako element odbojowy, jako regulator przep ly- wu lub jako wymiennik ciep la. Powoduje on ponadto wyrównanie i przyspieszenie przep lywów. Szczegól- nie korzystne jest zastosowanie w komorze miesza- nia i reakcji do spalania paliw. Przedmiotem wyna- lazku jest ponadto urz adzenie do spalania mieszanki paliwowej, z komor a mieszania i reakcji (4) oraz ustawionym swoj a osi a g lówn a wewn atrz komory w kierunku przep lywu korpusem aerodynamicznym (1) wed lug wynalazku. PL PL PL PL

Description

RZECZPOSPOLITA POLSKA	(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (21) Numer zgłoszenia: 368680	(11) 201501 (13) B1
	(22) Data zgłoszenia: 25.11.2002	(51) Int.Cl. F23M 9/06 (2006.01)
WS	(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: 25.11.2002, PCT/EP02/13243	F23D 14/62 (2006.01)
Urząd Patentowy	(87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:
Rzeczypospolitej Polskiej	30.05.2003, WO03/044431 PCT Gazette nr 22/03

Korpus aerodynamiczny i jego zastosowanie oraz urządzenie do spalania mieszanki paliwowej (30) Pierwszeństwo:

23.11.2001,DE,10158295.1 (43) Zgłoszenie ogłoszono:

04.04.2005 BUP 07/05 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

30.04.2009 WUP 04/09 (73) Uprawniony z patentu:

BRAMBLE-TRADING INTERNACIONAL LDA,Funchal,PT (72) Twórca(y) wynalazku:

Franz Josef Staffler,Bozen,IT Vincenzo Branzi,Terzolas,IT (74) Pełnomocnik:

Rogozińska Alicja, POLSERVICE,

Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o.

(57) Przedmiotem wynalazku jest korpus aerodynamiczny do zastosowania w procesie spalania, w którym spala się mieszankę paliwową, płynącą w komorze mieszania i reakcji (4), przy czym korpus aerodynamiczny (1) jest ustawiony swoją osią główną wewnątrz komory w kierunku przepływu. Zewnętrzna powierzchnia korpusu aerodynamicznego (1) jest przy tym wytwarzana poprzez obrót górnej powierzchni (11) nośnego profilu skrzydła (15) wokół jego cięciwy (13). Tego rodzaju korpus aerodynamiczny (1) ma wiele różnych zastosowań, na przykład jako element odbojowy, jako regulator przepływu lub jako wymiennik ciepła. Powoduje on ponadto wyrównanie i przyspieszenie przepływów. Szczególnie korzystne jest zastosowanie w komorze mieszania i reakcji do spalania paliw. Przedmiotem wynalazku jest ponadto urządzenie do spalania mieszanki paliwowej, z komorą mieszania i reakcji (4) oraz ustawionym swoją osią główną wewnątrz komory w kierunku przepływu korpusem aerodynamicznym (1) według wynalazku.

PL 201 501 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest korpus aerodynamiczny i jego zastosowanie oraz urządzenie do spalania mieszanki paliwowej.

Korpusy aerodynamiczne lub odchylające stosuje się w różnych dziedzinach techniki, aby odchylać przepływy lub wpływać na ich dynamikę. W technice spalania znane jest przykładowo rozwiązanie, w którym celem lepszego rozkładu spalanej mieszanki paliwowej wewnątrz komory reakcyjnej umieszcza się powierzchnię odchylającą w kierunku przepływu mieszanki. Tego rodzaju powierzchnię odchylającą stosuje się w WO 99/24756 do tego, by spalaną mieszankę odchylić od pierwotnego kierunku napływu i możliwie symetrycznie rozprowadzić ją wewnątrz komory reakcyjnej, co wspomaga mieszanie poszczególnych składników mieszanki paliwowej, a co za tym idzie, szybkie i całkowite jej spalanie. Jako powierzchnię odchylającą zaproponowano w tej publikacji powierzchnię stożka lub ostrosłupa, którego wierzchołek jest ustawiony w kierunku napływającej mieszanki.

Wadę tego typu powierzchni odchylającej stanowi to, że wskutek związanego z odchylaniem wyhamowywania składników mieszanki paliwowej oraz częściowego odbijania tych składników z powrotem w kierunku otworów wlotowych nie można w zadowalającym stopniu osiągnąć jednorodnego, przyspieszającego w kierunku wylotowego otworu komory reakcyjnej przepływu spalanej mieszanki.

Ponadto z DE 21 53 817 OS znany jest palnik do spalania odpadów, w którym odpady wraz z doprowadzanym stopniowo powietrzem dochodzą do komory spalania, w której umieszczona jest tak zwana głowica żarowa. Głowica ta ma stożkowy kształt i jest ustawiona swoim wierzchołkiem w kierunku napływającej, przeznaczonej do spalania mieszanki i współosiowo względem osi komory spalania. Głowica żarowa ma temperaturę od 1200 do 1400°C i powoduje spalanie jeszcze niespalonych cząstek odpadów, jak na przykład cząstek trudnopalnych. Głowica żarowa może mieć również kształt pierścienia.

Z wyż ej wymienionych przyczyn tego rodzaju gł owica ż arowa wedł ug DE 21 53 817 OS nie ma negatywnego wpływu na dynamikę przepływu w komorze spalania.

Polski opis patentowy PL 193419 dotyczy urządzenia do spalania paliw. W reaktorze do spalania spalana mieszanka paliwowa pada na usytuowany wewnątrz reaktora korpus odbojowy o stożkowym kształcie.

Międzynarodowy opis patentowy WO 98/42968 dotyczy struktury, którą można umieścić na zespole napędowym po stronie doprowadzania powietrza i które poprawia wstępne mieszanie płynnego paliwa i powietrza przed etapem spalania. W odniesieniu do tej struktury chodzi o pusty cylindryczny bęben o faliście wyprofilowanej powierzchni, przy czym przewidziane są środki do doprowadzania płynnego paliwa do strumienia powietrza.

Wreszcie US 1,980,266 dotyczy napędu rakietowego. Opisane tam urządzenie składa się ze zbiornika powietrza, który za pomocą nastawnych zaworów lub suwaków obrotowych jest oddzielony od komory spalania. Z komorą spalania łączy się dysza wylotowa. Pomiędzy komorą spalania i dyszą wylotową znajduje się ruchomy korpus, który pełni funkcję korpusu zaworu. Korpus ten steruje przepływem pomiędzy komorą spalania i dyszą wylotową, przy czym korpus ten ma korzystnie postać pustego czopu metalowego.

Zadaniem wynalazku jest zaproponowanie korpusu aerodynamicznego, który ma ogólnie pozytywny wpływ na dynamikę przepływu dla różnych zastosowań, zwłaszcza zaś umożliwia wyrównanie przepływu i sterowanie prędkością przepływu. Korpus aerodynamiczny powinien się w szczególności nadawać do zastosowania przy spalaniu mieszanki paliwowej.

Korpus aerodynamiczny do zastosowania w procesie spalania, w którym spala się mieszankę paliwową, płynącą w komorze mieszania i reakcji, przy czym korpus aerodynamiczny jest ustawiony swoją osią główną wewnątrz komory w kierunku przepływu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zewnętrzna powierzchnia korpusu aerodynamicznego jest utworzona poprzez obrót górnej powierzchni nośnego profilu skrzydła wokół jego cięciwy.

Korzystnie korpus aerodynamiczny ma zmienną geometrię.

Korpus aerodynamiczny według wynalazku stosuje się do wytwarzania przepływu laminarnego.

Korzystnie korpus aerodynamiczny stosuje się, poprzez ustawianie korpusu aerodynamicznego jego osią główną w kierunku przepływu w wolnym poza tym przekroju przepływowym, do wytwarzania efektu ssania w kierunku przepływu.

Korzystnie korpus aerodynamiczny stosuje się jako wymiennik ciepła poprzez wprowadzanie przewodzącego ciepło korpusu aerodynamicznego w przepływ z gradientem temperatury.

PL 201 501 B1

Korzystnie tylny punkt spiętrzania korpusu aerodynamicznego jest ustawiony w kierunku przepływu.

Korzystnie korpus aerodynamiczny stosuje się jako powierzchnię odbojową dla napływającej mieszanki paliwowej.

Korzystnie korpus aerodynamiczny stosuje się do separacji i/lub do rozprowadzania, rozpylania względnie rozdrabniania znajdujących się w mieszance paliwowej składników gazowych, ciekłych i/lub stałych.

Korzystnie korpus aerodynamiczny stosuje się do spowalniania składników mieszanki paliwowej, do wydłużania czasu przebywania tych składników oraz do silniejszego ich mieszania.

Korzystnie korpus aerodynamiczny stosuje się do przyspieszania przepływu mieszanki paliwowej i produktów spalania w komorze mieszania i reakcji w kierunku otworu wylotowego tej komory.

Korzystnie korpus aerodynamiczny stosuje się jako wymiennik ciepła do wstępnego podgrzewania mieszanki paliwowej.

Urządzenie do spalania mieszanki paliwowej, z komorą mieszania i reakcji oraz ustawionym swoją osią główną wewnątrz komory w kierunku przepływu korpusem aerodynamicznym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zewnętrzna powierzchnia korpusu aerodynamicznego jest utworzona poprzez obrót górnej powierzchni nośnego profilu skrzydła wokół jego cięciwy.

Korzystnie komora mieszania i reakcji ma dolną część w kształcie cylindra, połączoną ze zwężającą się stożkowo częścią, z którą z kolei połączona jest głowica w kształcie hiperboloidy o rozszerzającym się przekroju, zakończona otworem wylotowym.

Korzystnie korpus aerodynamiczny jest ustawiony swoją osią główną w osi głównej komory mieszania i reakcji, zwłaszcza zmiennie.

Według wynalazku zatem zewnętrzna powierzchnia korpusu aerodynamicznego co najmniej w części odpowiada koł owo-symetrycznemu pł atowi aerodynamicznemu. Na potrzeby niniejszego opisu pojęcie płata aerodynamicznego oznacza profil, który w zasadzie odpowiada górnej powierzchni nośnego przekroju skrzydła. Kołowo-symetryczny płat aerodynamiczny można zatem uzyskać w wyniku obrotu nośnego profilu skrzydła wokół jego cięciwy. Korpus aerodynamiczny według wynalazku może w całości lub co najmniej w części odpowiadać takiemu kołowo-symetrycznemu płatowi aerodynamicznemu. Korzystne może być przy tym nadanie korpusowi aerodynamicznemu zmiennej geometrii. W tym celu korpus aerodynamiczny może składać się z kilku części, które są wymienne i umożliwiając tym samym dopasowanie parametrów geometrycznych, jak średnica i długość, do zmiennej sytuacji. Można również wykonać dynamiczny korpus aerodynamiczny, mający zmienną geometrię.

W przypadku całkowicie kołowo-symetrycznego korpusu aerodynamicznego wed ług wynalazku czasy przepływu płynu, napływającego równolegle do osi obrotu, są wzdłuż powierzchni korpusu jednakowe. W płacie aerodynamicznym istnieją dwa punkty spiętrzania, przy czym przedni punkt spiętrzania znajduje się na tępym końcu, zaś tylny punkt spiętrzania na ostrej tylnej krawędzi profilu. Korzystne jest takie ustawienie korpusu aerodynamicznego w przepływie, aby tylny punkt spiętrzania leżał w kierunku przepływu.

W takim rozwią zaniu przy przepł ywie od przedniego do tylnego punktu spię trzania prę dkość przepływu zwiększa się w porównaniu do prędkości przepływu bez korpusu aerodynamicznego. Występujące siły wyporu, jakie są znane w przypadku nośnych profili skrzydeł, znoszą się wzajemnie dzięki symetrii układu.

Ponadto wspomniany kołowo-symetryczny korpus aerodynamiczny według wynalazku można zastosować do wytwarzania przepływu laminarnego. Dzięki symetrii kołowej wychodzące z przedniego punktu spiętrzania cząstki płynu dochodzą do tylnego punktu spiętrzania na ostrej tylnej krawędzi profilu w tym samym czasie, w związku z czym przepływ ma charakter laminarny. Równocześnie prędkość przepływu jest zwiększona w stosunku do prędkości przepływu bez korpusu aerodynamicznego, ponieważ na górnej powierzchni (powierzchnia ssania) płata aerodynamicznego następuje spadek ciśnienia.

Zwiększenie prędkości przepływu w wyniku wprowadzenia korpusu aerodynamicznego według wynalazku można wykorzystać do wytwarzania efektu ssania, aby przyspieszyć płyn i/lub zabierane przezeń cząstki w kierunku przepływu i/lub wprowadzić je (zassać) do przepływu. Przykładowo w górze przepływu mogą być umieszczone otwory doprowadzające dla cząstek stałych, które dzięki wspomnianemu efektowi ssania są samoczynnie zasysane do przepływu.

PL 201 501 B1

Kolejne zastosowanie kołowo-symetrycznego korpusu aerodynamicznego według wynalazku stanowi powierzchnia odbojowa, zwłaszcza w przepływającym płynie, zabierającym ze sobą stałe i/lub ciekłe cząstki.

Pod pojęciem płynu należy rozumieć gazowe lub ciekłe medium, względnie mieszaninę medium gazowego i ciekłego. Tego typu płyny mogą prowadzić ze sobą cząstki w postaci stałych lub ciekłych agregatów. Mieszanki paliwowe składają się często z palnej cieczy, która zawiera trudnopalne (płynne) lub stałe składniki o dużej lepkości. Jako mieszankę paliwową stosuje się również gazy palne, które prowadzą ze sobą rozpyloną ciecz i/lub cząstki stałe.

Jeżeli prowadzący ze sobą stałe i/lub ciekłe cząstki płyn dojdzie do kołowo-symetrycznego korpusu aerodynamicznego według wynalazku, wówczas cząstki ulegają odchyleniu zależnie od prędkości przepływu i padania na powierzchnię korpusu. Można to wykorzystać do rozpylania i rozdrabniania zabieranych kropelek cieczy lub cząstek o dużej lepkości względnie do rozdrabniania stałych cząstek. Można jednak również zastosować ten efekt do separacji. Przykładowo cząstki odchylane w kierunku promieniowym mogą przywierać do ściany (lub temu podobnego elementu) i w ten sposób być oddzielane od pozostałego strumienia płynu.

Korpus aerodynamiczny według wynalazku można także zastosować jako wymiennik ciepła. Jeżeli w przepływie występuje gradient temperatury, wówczas wprowadzenie korpusu aerodynamicznego według wynalazku, wykonanego z materiału przewodzącego ciepło, powoduje wytworzenie w nim (lub na jego powierzchni) strumienia ciepła, przy czym ciepło płynie od ciepłej do zimnej części korpusu aerodynamicznego.

Jeżeli przykładowo podczas procesu spalania w części z tylnym punktem spiętrzania korpusu aerodynamicznego według wynalazku utworzy się płomień, wówczas w trakcie procesu spalania korpus aerodynamiczny nagrzewa się od tylnego do przedniego punktu spiętrzania. W następstwie tego padająca na przedni punkt spiętrzania mieszanka paliwowa ulega wstępnemu podgrzaniu. Dalsze zalety wynikają z opisanego poniżej zastosowania według wynalazku korpusu aerodynamicznego w procesie spalania.

Kolejną możliwość zastosowania opisanego korpusu aerodynamicznego stanowi jego zastosowanie jako regulatora przepływu. Regulatory takie regulują ilość i prędkość przepływającego płynu, zwężając obszar jego przepływu. W typowych zaworach odbywa się to za pomocą korpusu zaworu, wstawionego w obszar przepływu. Zwężenie prowadzi jednak często do zawirowań na korpusie zaworu, utrudniając tym samym dokładny pomiar i sterowanie przepływającą ilością względnie prędkością przepływu. Poza tym w wielu zastosowaniach pożądany jest laminarny przepływ za zaworem.

Kołowo-symetryczny korpus aerodynamiczny według wynalazku można stosować jak korpus zaworu w regulatorze przepływu, ustawiając go osią obrotu równolegle do kierunku przepływu, zaś jego ostrą tylną krawędzią zgodnie z kierunkiem przepływu przed wyjściowym przewodem zaworu, mającym malejący przekrój. Średnicę korpusu aerodynamicznego dobiera się w zależności od średnic przewodów. Poprzez przesuwanie korpusu aerodynamicznego według wynalazku w kierunku przepływu można w zmiennym stopniu zasłaniać przekrój wyjściowego przewodu zaworu, sterując w ten sposób ilością i prędkością płynu, przepływającego przez przewód wyjściowy. W celu zamknięcia przewodu korpus aerodynamiczny przesuwa się aż do oparcia go na wyjściowym przewodzie zaworu. Przepływ, zachodzący na korpusie aerodynamicznym według wynalazku, jest laminarny i umożliwia dobry pomiar przepływającej ilości płynu oraz optymalne ustawienie prędkości jego przepływu.

Zastosowanie, w którym można optymalnie wykorzystać wymienione powyżej własności korpusu aerodynamicznego według wynalazku, jest zastosowanie w procesie spalania, w którym spala się mieszankę paliwową, płynącą w komorze mieszania i reakcji, przy czym korpus aerodynamiczny jest ustawiony swoją osią główną wewnątrz komory w kierunku przepływu.

Celem optymalnego działania również tutaj tępa część stanowi przedni punkt spiętrzania, zaś ostra tylna krawędź profilu stanowi tylny punkt spiętrzania korpusu aerodynamicznego. Po pierwsze możliwe jest zastosowanie kołowo-symetrycznego korpusu aerodynamicznego, którego oś obrotu jest równoległa do głównej osi komory mieszania i reakcji lub leży na tej osi. Można także zastosować dwie lub więcej części takiego korpusu aerodynamicznego (przy czym powierzchnia lub krawędź podziału biegnie w przybliżeniu wzdłuż osi obrotu) i rozmieścić je na ścianie komory wzdłuż jej obwodu.

Przy tego typu zastosowaniu mają miejsce następujące korzystne efekty:

1) mieszanka paliwowa, która może zawierać płynne, gazowe oraz stałe składniki, jest odchylana przy padaniu na korpus aerodynamiczny, co sprzyja wymieszaniu poszczególnych spalanych składników. Płynne składniki zostają przy uderzeniu rozpylone, zaś stałe rozdrobnione. Powoduje to

PL 201 501 B1 przede wszystkim turbulencje w przednim obszarze korpusu aerodynamicznego. Ogólnie rzecz biorąc, można w ten sposób wydłużyć czas przebywania składników paliwa oraz ich mieszania w komorze.

2) Równocześnie zachodzi wyrównanie przepływu za korpusem aerodynamicznym. Mieszanka ulega przyspieszeniu w obszarze korpusu aerodynamicznego, przy czym wektory prędkości w otoczeniu korpusu są ustawione równolegle do niego, zaś ich wartość początkowo rośnie wraz ze wzrostem odległości promieniowej, a następnie ponownie maleje w kierunku zewnętrznego ograniczenia (na przykład ściany komory). Ogólnie rzecz biorąc, po opłynięciu korpusu aerodynamicznego ma miejsce przepływ laminarny. Na otworze wylotowym komory mieszania i reakcji mieszankę paliwową zapala się, przy czym płomień powstaje w pobliżu otworu wylotowego. Istotne jest przy tym, aby nie wytwarzać powrotnego strumienia mieszanki paliwowej lub produktów spalania w kierunku otworu wylotowego, zapobiegając tym samym w szczególności cofaniu się płomienia. Korpus aerodynamiczny według wynalazku powoduje przyspieszanie mieszanki paliwowej w kierunku otworu wylotowego, w związku z czym produkty spalania z dużą prędkością (bliską prędkości dź więku lub przewyższającą ją) opuszczają komorę przez otwór wylotowy, czego skutkiem jest ssanie, wspomagające doprowadzanie składników mieszanki paliwowej do komory.

3) Wreszcie korpus aerodynamiczny według wynalazku działa w tym zastosowaniu jako wymiennik ciepła, ponieważ korpus, począwszy od tylnego punktu spiętrzania, położonego najbliżej płomienia, nagrzewa się w kierunku przedniego punktu spiętrzania. W czasie dłuższej pracy można zatem korpus aerodynamiczny stosować jako wymiennik ciepła, który podgrzewa napływające składniki mieszanki paliwowej. Wspomaga to rozpylanie i odparowywanie ciekłych składników, rozdrabnianie i sublimowanie stałych składników oraz ogólnie podgrzewanie mieszanki paliwowej, co w szczególności powoduje obniżenie lepkości trudnopalnych składników o dużej lepkości. Zjawisko to zwiększa szybkość spalania i sprzyja zupełnemu spalaniu także trudnopalnych składników w mieszance. To z kolei zwiększa wyraźnie moc palnika (moc grzewczą ), dzięki czemu w tych samych jednostkach czasu można spalić więcej paliwa.

Optymalne jest ustawienie kołowo-symetrycznego korpusu aerodynamicznego jego osią obrotu na osi komory reakcyjnej, przy czym tylny punkt spiętrzania (ostra tylna krawędź profilu) jest skierowana w stronę wylotowego otworu komory. Korzystne jest usytuowanie w pobliżu otworu wylotowego, przy czym poprzez zmianę pozycji korpusu aerodynamicznego można regulować powstające zwężenie w obszarze otworu wylotowego, dzięki czemu korpus aerodynamiczny funkcjonuje dodatkowo jako regulator przepływu.

Korpus aerodynamiczny może być przykładowo utrzymywany w komorze mieszania i reakcji poprzez cienkie żebra ustalające, które wychodzą z (cylindrycznej) ściany komory. Korzystna jest również wieloczęściowa budowa, w związku z czym poszczególne części składowe korpusu aerodynamicznego można wymieniać celem zoptymalizowania procesu spalania. Przykładowo korpus aerodynamiczny może być podzielony na przedni, środkowy i tylny odcinek, przy czym wymiana tych odcinków pozwala zmieniać parametry geometryczne. Celem pomiaru parametrów procesu spalania oraz własności samego korpusu aerodynamicznego można za pomocą wspomnianych żeber ustalających doprowadzać od zewnątrz do korpusu czujniki i przewody pomiarowe. Zapewnia to łatwy dostęp do wnętrza komory mieszania i reakcji.

Opisane powyżej zalety można osiągnąć za pomocą urządzenia według wynalazku do spalania mieszanki paliwowej, które to urządzenie zawiera komorę mieszania i reakcji oraz ustawiony swoją osią główną wewnątrz komory w kierunku przepływu korpus aerodynamiczny. W zasadzie kształt komory mieszania i reakcji można dobierać dowolnie, na przykład może ona mieć prosty kształt cylindryczny.

Korzystne jest, jeżeli wspomniane urządzenie do spalania zawiera komorę mieszania i reakcji, która zwęża się w kierunku przepływu, a następnie ich przekrój ponownie się rozszerza, tworząc szyjkę o najmniejszym przekroju. Korpus aerodynamiczny jest przy takiej geometrii umieszczony korzystnie w kierunku przepływu przed szyjką. Szczególnie korzystna okazała się geometria, w której komora mieszania i reakcji ma dolną część w kształcie cylindra, połączoną ze zwężającą się stożkowo częścią, z którą z kolei połączona jest głowica w kształcie hiperboloidy o rozszerzającym się przekroju, zakończona otworem wylotowym. W połączeniu z umieszczonym w komorze mieszania i reakcji korpusem aerodynamicznym można przy użyciu takiego urządzenia zrealizować optymalną regulację wszystkich parametrów spalania, co jest konieczne zwłaszcza przy spalaniu paliw o różnym składzie, zwłaszcza zawierających składniki o dużej lepkości.

PL 201 501 B1

Opisane urządzenia nadają się do zastosowania jako palniki, zatem do ogrzewania znajdującej się za nimi przestrzeni, lub jako zespół napędowy, to znaczy do wytwarzania ciągu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia korpus aerodynamiczny w kształcie kołowo-symetrycznym, fig. 2 - płat aerodynamiczny, na którym oparta jest geometria korpusu aerodynamicznego, fig. 3 - możliwość zastosowania korpusu aerodynamicznego w procesie spalania w komorze mieszania i reakcji, fig. 4 - trajektorie strumienia płynu w przedstawionej na fig. 3 komorze mieszania i reakcji podczas procesu spalania, fig. 5 - układ podobny do przedstawionego na fig. 4, fig. 6 - liczby Macha w szyjce komory mieszania i reakcji z fig. 4 i 5, fig. 7 - wektory prędkości w górnej części komory mieszania i reakcji, przedstawionej na fig. 4 i 5, oraz fig. 8 - układ z fig. 7 w większej rozdzielczości.

Na fig. 1 ukazany jest w postaci trójwymiarowej korpus aerodynamiczny 1 według wynalazku, wraz ze swymi obydwoma punktami spiętrzania 2 i 3. Korpus aerodynamiczny 1 ma kołowo-symetryczny kształt i odpowiada w tym przykładzie w przybliżeniu kołowo-symetrycznemu płatowi aerodynamicznemu. Z punktu widzenia techniki przepływu korzystny jest układ, w którym punkt spiętrzania 2 pełni rolę przedniego punktu spiętrzania, zaś punkt spiętrzania 3 pełni rolę tylnego punktu spiętrzania, zatem przepływ odbywa się od przedniego punktu spiętrzania 2 do tylnego punktu spiętrzania 3.

Na fig. 2 ukazany jest przykład płata aerodynamicznego 15 z górną powierzchnią 11 i dolną powierzchnią 12, przednim punktem spiętrzania 2 i tylnym punktem spiętrzania 3 oraz cięciwą 13 profilu i osią symetrii 14. Przy obrocie tego typu płata aerodynamicznego 15 wokół cięciwy 13 profilu powstaje powierzchnia korpusu aerodynamicznego 1 według wynalazku, przedstawionego przykładowo na fig. 1. Jak widać na fig. 2, przy obrocie płata aerodynamicznego z uwagi na parametry geometryczne chodzi wyłącznie o powierzchnię 11, w związku z czym kołowo-symetryczny korpus aerodynamiczny można utworzyć także poprzez obrót górnej powierzchni 11 (względnie nośnego przekroju skrzydła) wokół cięciwy 13 profilu.

Fig. 3 ilustruje korzystny przykład wykonania urządzenia według wynalazku do spalania paliw, z opisanym powyżej korpusem aerodynamicznym 1. Przedstawiona jest komora mieszania i reakcji 4, której dolna część 5 ma kształt cylindra, który najpierw zwęża się stożkowo ku górze, przechodząc w górną część 6. W szyjce 9 komora osiąga swój najmniejszy przekrój, który począwszy od tego momentu ponownie się zwiększa, przechodząc w głowicę 7. Głowica 7 komory ma kształt hiperboloidalny. Otwór wylotowy komory jest oznaczony odnośnikiem 8. W dnie komory 4 znajdują się przewody doprowadzające 5 dla składników spalanej mieszanki, jak na przykład gazowe i/lub płynne i/lub stałe paliwo, powietrze i/lub dodatkowy lub inny środek utleniający oraz ewentualnie woda lub inne dodatki.

Przedstawiony tutaj przykład wykonania urządzenia do spalania służy zwłaszcza do zastosowania jako palnik o różnorodnych możliwościach zastosowania przemysłowego (ogrzewanie pieców, topienie materiałów, jak metale lub szkło, odparowywanie wody lub innych cieczy). Inną możliwość zastosowania urządzenia według wynalazku stanowi zespół napędowy do wytwarzania ciągu. W tym celu można zastosować podobny przykład wykonania, jak przedstawiony na fig. 3, przy czym dno komory 4 trzeba całkowicie lub częściowo usunąć, aby umożliwić przepływ przez wnętrze urządzenia. Urządzenie to nadaje się do zastosowania jako zespół napędowy w płynie, takim jak powietrze, zwłaszcza zaś woda.

Składniki mieszanki paliwowej wprowadza się najpierw pod ciśnieniem do wnętrza komory 4 i tam zapala. Co się tyczy szczegółów procesu spalania, należy się jednoznacznie odwołać do WO 99/24756 tego samego Zgłaszającego.

Wskutek parametrów przepływu w komorze mieszania i reakcji 4 właściwy płomień tworzy się w otoczeniu otworu wylotowego 8. Parametry przepływu wewnątrz komory 4 muszą być tak dobrane, aby zapobiec po pierwsze odrywaniu płomienia, po drugie zaś cofaniu płomienia do wnętrza komory. Idealne narzędzie do regulacji i sterowania parametrami przepływu wewnątrz komory 4 stanowi korpus aerodynamiczny 1 według wynalazku. Może on być zamocowany w stałym lub zmiennym miejscu za pomocą żeber ustalająco-prowadzących wewnątrz komory 4, w szczególności korzystna jest przy tym możliwość przesuwu wzdłuż głównej osi komory w kierunku szyjki 9.

Na fig. 4 ukazany jest strumień cząstek, powstający podczas pracy komory mieszania i reakcji 4. Z trajektorii 10 wynika wyraźnie, że w dolnej cylindrycznej części 5 komory 4 dochodzi do turbulencji, w przebiegu których poszczególne trajektorie pokonują drogę powrotną w kierunku dna komory 4. Turbulencje te są korzystne dla techniki spalania, ponieważ prowadzą do lepszego przemieszania

PL 201 501 B1 i dłuższego czasu przebywania składników mieszanki paliwowej w komorze 4, co sprzyja zupełnemu spalaniu.

W dalszej części, mianowicie w kierunku zwężającej się części 6 komory, na fig. 4 widać wyraźnie porządkujący się przepływ, mający laminarny charakter wzdłuż korpusu aerodynamicznego 1 według wynalazku, przy czym profil korpusu aerodynamicznego 1 według wynalazku jest równomiernie kontynuowany w kierunku przepływu.

W tylnym punkcie spiętrzania 3 korpusu aerodynamicznego 1, który w przykładzie wykonania na fig. 4 jest usytuowany w przybliżeniu w szyjce 9 komory 4, występuje całkowicie wyrównany przepływ, który opuszcza komorę 4 przez otwór wylotowy 8 w głowicy 7. Tam zachodzi stabilne spalanie płomienia (nie przedstawionego na rysunku).

Należy zaznaczyć, że na fig. 4 charakterystyka przepływu płynu i/lub zabieranych przezeń cząstek jest przedstawiona na podstawie przykładowo ukazanych trajektorii cząstek modelowych.

Podobny układ, jak na fig. 4, ukazany jest na fig. 5, przedstawiającej inny widok trójwymiarowy. Słuszne są tutaj wszystkie rozważania, poczynione dla fig. 4. Te same elementy są opatrzone jednakowymi odnośnikami.

Na fig. 6 ukazana jest górna część przedstawionej na fig. 4 i 5 komory mieszania i reakcji 4, przy czym przedstawione są tutaj parametry rozkładu prędkości w szyjce 9 komory 4. Ukazany jest rozkład liczb Macha w szyjce 9 i głowicy 7 komory 4 podczas procesu spalania. Temperatury wynoszą w tym przykładzie około 1300°C. W różnych odcieniach szarości przedstawione są liczby Macha, czyli krotności prędkości dźwięku. Zastosowanie stopniowanej szarości spowodowało utratę pierwotnej informacji barwnej, którą teraz należy zastąpić informacją słowną. Wyraźnie widoczny jest ciemniejszy kołnierz wokół szyjki 9 komory 4, oznaczający obszary, w których prędkość wypływającej mieszanki przekracza prędkość dźwięku. Słupek z lewej strony figury zawiera występujące wartości, które leżą pomiędzy 1,0- i 1,5-krotną prędkością dźwięku. Wartości niższe od prędkości dźwięku są na fig. 6 oznaczone przez równomierne szare zabarwienie. Wyraźnie widoczny jest, usytuowany w pobliżu szyjki 9, korpus aerodynamiczny 1 według wynalazku. Rozkład liczb Macha jest teraz następujący: począwszy od 1,0 Macha na dolnej ciemnej krawędzi kołnierza liczba Macha wzrasta w sposób ciągły do 1,5, stopniowanie szarości odpowiada zatem dokładnie słupkowi z lewej strony figury. Wartość 1,5 jest z kolei zilustrowana ciemnym obszarem. Następnie wartość liczby Macha spada ponownie do 1,0, przy czym spadek ten następuje w obszarze krótkiego odcinka kołnierza, w związku z czym występuje tutaj odwrócony rozkład słupka, przedstawionego z lewej strony figury.

Opisane osiąganie prędkości naddźwiękowej jest realizowane w wyniku współpracy korpusu aerodynamicznego 1 według wynalazku z geometrią komory 4. Głowica 7 i szyjka 9 komory mają kształt hiperboloidalny i łączą się ze zwężoną częścią 6, w związku z czym geometria ta powoduje silne przyspieszenie przepływu w kierunku otworu wylotowego 8. Efekt ten ulega dodatkowemu wzmocnieniu dzięki korpusowi aerodynamicznemu 1 według wynalazku, na którego powierzchni następuje spadek ciśnienia, powodujący zwiększenie prędkości przepływu.

Na fig. 7 i 8 ukazany jest na zakończenie rozkład wektorów prędkości w górnym obszarze komory mieszania i reakcji względnie na korpusie aerodynamicznym 1 podczas procesu spalania, przy czym na fig. 8 ukazany jest w powiększeniu fragment, w którym korpus aerodynamiczny nie ma swego całkowicie kołowo-symetrycznego kształtu, lecz jest ścięty pod kątem 120°.

Widać wyraźnie, jak profil korpusu aerodynamicznego 1 przechodzi w sposób ciągły w przepływ, biegnący w całości równomiernie pomiędzy korpusem aerodynamicznym 1 i ścianą komory 4 do szyjki 9.

Na materiał korpusu aerodynamicznego 1 według wynalazku nadaje się przykładowo stop Ni (ODS-) lub stop ceramiczny względnie powłoka ceramiczna, zwłaszcza przeznaczona do stosowania w technikach spalania.

Claims (14)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Korpus aerodynamiczny do zastosowania w procesie spalania, w którym spala się mieszankę paliwową, płynącą w komorze mieszania i reakcji, przy czym korpus aerodynamiczny jest ustawiony swoją osią główną wewnątrz komory w kierunku przepływu, znamienny tym, że zewnętrzna powierzchnia korpusu aerodynamicznego (1) jest utworzona poprzez obrót górnej powierzchni (11) nośnego profilu skrzydła (15) wokół jego cięciwy (13).

   PL 201 501 B1
2. 2. Korpus aerodynamiczny według zastrz. 1, znamienny tym, że korpus aerodynamiczny (1) ma zmienną geometrię.
3. 3. Zastosowanie korpusu aerodynamicznego według zastrz. 1 albo 2 do wytwarzania przepływu laminarnego.
4. 4. Zastosowanie korpusu aerodynamicznego według zastrz. 1 albo 2, poprzez ustawianie korpusu aerodynamicznego (1) jego osią główną w kierunku przepływu w wolnym poza tym przekroju przepływowym, do wytwarzania efektu ssania w kierunku przepływu.
5. 5. Zastosowanie korpusu aerodynamicznego według zastrz. 1 albo 2 jako wymiennika ciepła poprzez wprowadzanie przewodzącego ciepło korpusu aerodynamicznego (1) w przepływ z gradientem temperatury.
6. 6. Zastosowanie korpusu aerodynamicznego według zastrz. 1 albo 2, przy czym tylny punkt spiętrzania (3) korpusu aerodynamicznego (1) jest ustawiony w kierunku przepływu.
7. 7. Zastosowanie korpusu aerodynamicznego według zastrz. 1 albo 2 albo 6 jako powierzchni odbojowej dla napływającej mieszanki paliwowej.
8. 8. Zastosowanie korpusu aerodynamicznego według zastrz. 7 do separacji i/lub do rozprowadzania, rozpylania względnie rozdrabniania znajdujących się w mieszance paliwowej składników gazowych, ciekłych i/lub stałych.
9. 9. Zastosowanie korpusu aerodynamicznego według zastrz. 7 albo 8 do spowalniania składników mieszanki paliwowej, do wydłużania czasu przebywania tych składników oraz do silniejszego ich mieszania.
10. 10. Zastosowanie korpusu aerodynamicznego według zastrz. 1 albo 2 albo 6 albo 7 albo 8 albo 9 do przyspieszania przepływu mieszanki paliwowej i produktów spalania w komorze mieszania i reakcji (4) w kierunku otworu wylotowego tej komory.
11. 11. Zastosowanie korpusu aerodynamicznego według zastrz. 1 albo 2 albo 6 albo 7 albo 8 albo 9 albo 10 jako wymiennika ciepła do wstępnego podgrzewania mieszanki paliwowej.
12. 12. Urządzenie do spalania mieszanki paliwowej, z komorą mieszania i reakcji oraz ustawionym swoją osią główną wewnątrz komory w kierunku przepływu korpusem aerodynamicznym, znamienne tym, że zewnętrzna powierzchnia korpusu aerodynamicznego (1) jest utworzona poprzez obrót górnej powierzchni (11) nośnego profilu skrzydła (15) wokół jego cięciwy (13).
13. 13. Urządzenie według zastrz. 12, znamienne tym, że komora mieszania i reakcji (4) ma dolną część (5) w kształcie cylindra, połączoną ze zwężającą się stożkowo częścią (6), z którą z kolei połączona jest głowica (7) w kształcie hiperboloidy o rozszerzającym się przekroju, zakończona otworem wylotowym (8).
14. 14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że korpus aerodynamiczny (1 jest ustawiony swoją osią główną w osi głównej komory mieszania i reakcji (4), zwłaszcza zmiennie.