PL226756B1 - Kanał dolotowy zprzepływem zwrotnym dokomory spalania zwirujaca detonacja - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kanał dolotowy z przepływem zwrotnym do komory spalania z wirującą detonacją, mający zastosowanie w silniku turbinowym wykorzystującym spalanie detonacyjne w pierścieniowej komorze spalania.

Utrzymywanie w pierścieniowej komorze spalania wirującej detonacji wymaga ograniczenia obszaru spalania od strony napływającego strumienia mieszanki palnej.

W dotychczasowych rozwiązaniach komór spalania osiągano to wykonując ciasne gardziele i ostre uskoki kanału przepływowego, jak w silniku opisanym w patencie US 7784267. Taka geometria kanału przepływowego umożliwiała ulokowanie prostopadłej fali dźwiękowej w przewężeniu kanału. Fala dźwiękowa skutecznie blokuje ewentualne „cofanie się” strefy spalania w kierunku napływu mieszanki. Wadą takiego rozwiązania jest duży opór aerodynamiczny i straty ciśnienia, które obniżają sprawność komory.

Problem oddzielania wnętrza pierścieniowej komory spalania, w której - choćby chwilowo - panuje ciśnienie wyższe od ciśnienia w kanałach zasilających, występuje m.in. w silnikach tłokowych i w silnikach pulsacyjnych. W silnikach tłokowych stosuje się na przykład rozrząd zaworowy albo tłokowy (szczelinowy). W odrzutowych silnikach pulsacyjnych zadanie to wypełniają zawory i żaluzje, sprężynowe, obrotowe lub gazodynamiczne.

W rozwiązaniach z zaworami sprężynowymi, kanał wlotowy silnika odrzutowego pulsacyjnego jest wyposażony w zawory wlotowe obciążone sprężyną w kierunku położenia otwartego. Gdy wzrasta ciśnienie w komorze spalania, zawory ulegają zamknięciu.

Ze zgłoszenia patentowego GB 2180299 znane jest rozwiązanie, w którym zawory sprężynowe silnika odrzutowego pulsacyjnego zostały zastąpione przez nieruchomy deflektor umieszczony za gardzielą pierścieniowego wlotu do komory spalania pomiędzy częścią centralną komory a usytuowanym koncentrycznie na obwodzie komory spalania kanałem dolotowym zasilającym komorę spalania pod wpływem podciśnienia. W rozwiązaniu tym deflektor, kanał wlotowy i kanał dolotowy jest stale otwarty, a część gazów rozprężających się w komorze spalania w kierunku kanału wlotowego jest odprowadzana zwrotnie przez kanał dolotowy.

Badania przeprowadzone w Instytucie Lotnictwa potwierdzają możliwość uzyskania ciągłej wirującej detonacji w przepływie o parametrach poniżej parametrów krytycznych. Aby ograniczyć efekt cofania produktów spalania, przed badaną komorą spalania instalowany jest zawór gazodynamiczny ograniczający przepływ zwrotny. Istotnym problemem technicznym jest zapewnienie chłodzenia komory spalania. W silnikach turbinowych jest to realizowane poprzez wprowadzenie do komory spalania strumieni powietrza wtórnego które „odseparowują” strefę spalania od ścianek komory. Inne rozwiązanie, przedstawione w zgłoszeniu patentowym WO 2014120115, polega na zawróceniu powietrza przepływającego przez silnik za pomocą turbiny i sprężarki i ponownym skierowaniu poprzez kolektor zwrotny do rury detonacyjnej umieszczonej w kanale obejściowym na obwodzie silnika, przez który przepływa dodatkowe powietrze wlotowe w kierunku zgodnym z wylotem rury detonacyjnej.

Komora spalania z wirującą detonacją umożliwia spalanie mieszanek ubogich i taką organizację całego procesu wirującej detonacji, że spaliny osiągają niższe temperatury niż w przypadku spalania deflagracyjnego.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji detonacyjnej komory spalania zapewniającej obniżenie temperatury do bezpiecznych dla jej konstrukcji poziomu bez doprowadzenia dodatkowego powietrza, przy jednoczesnym zapewnieniu blokowania przepływu wstecznego podczas przechodzenia czoła płomienia przy spalaniu detonacyjnym.

Kanał dolotowy z przepływem zwrotnym do komory spalania z wirującą detonacją, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wlot powietrza jest połączony z zewnętrznym pierścieniowym kanałem otaczającą z jednej strony zewnętrzną powierzchnię komory spalania, który to kanał jest połączony pierwszym pierścieniowym kanałem zwrotnym z wewnętrznym kanałem pierścieniowym i drugim pierścieniowym kanałem zwrotnym ze środkowym kanałem pierścieniowym otaczającym z drugiej strony zewnętrzną powierzchnię komory spalania, połączoną z tym kanałem trzecim pierścieniowym kanałem zwrotnym, przy czym pomiędzy trzecim pierścieniowym kanałem zwrotnym a komorą spalania jest umieszczony gazodynamiczny zawór zwrotny blokujący przepływ zwrotny z komory spalania do kanału dolotowego.

Korzystnym jest, jeżeli w drugim pierścieniowym kanale zwrotnym i trzecim pierścieniowym kanale zwrotnym są umieszczone opływowe kierownice przepływu w postaci palisad.

PL 226 756 B1

Korzystnym jest także, jeżeli że gazodynamiczny zawór zwrotny stanowi co najmniej jeden nieruchomy element wklęsło-wypukły o symetrii osiowej, korzystnie stożkowy, usytuowany w współosiowo w części wlotowej komory spalania, o średnicy mniejszej od średnicy części wlotowej tej komory.

W rozwiązaniu według wynalazku do chłodzenia ścianek komory spalania wykorzystano powietrze zasilające komorę spalania poprzez odpowiednie ukształtowanie kanału dolotowego, dolotowego. Kanał dolotowy zaprojektowano tak, aby uzyskać co najmniej trzykrotny zwrotny napływ powietrza. Takie ukształtowanie kanału zwiększa opór przepływu produktów spalania w kierunku napływu świeżego powietrza oraz umożliwia dostateczne chłodzenie komory spalania bez konieczności doprowadzenia do strefy spalania dodatkowego powietrza wtórnego lub dodatkowego powietrza chłodzącego zewnętrzne powierzchnie komory spalania. Ponadto gazodynamiczny zawór zwrotny zapewnia skuteczne blokowanie przepływu zwrotnego z komory spalania do kanału dolotowego. Taki kanał ma opór aerodynamiczny dla przepływającego powietrza mniejszy w kierunku komory spalania. Poniżej przedstawiono dwa rozwiązania konstrukcyjne odpowiednio dla silnika turbinowego z komorą spalania położoną pomiędzy turbiną i sprężarka oraz rozwiązanie z komorą spalania położoną na zewnątrz zespołu turbosprężarkowego, jak w silniku typu GTD-350.

Wynalazek jest objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kanał dolotowy z przepływem zwrotnym do komory spalania dla silnika turbinowego z komorą spalania położoną pomiędzy turbiną i sprężarką, a fig. 2 przedstawia kanał dolotowy z przepływem zwrotnym do komory spalania dla silnika turbinowego z komorą spalania położoną na zewnątrz zespołu turbosprężarkowego.

Jak przedstawiono na rysunku, kanał dolotowy z przepływem zwrotnym do komory spalania z wirującą detonacją, ma wlot powietrza 1 połączony z zewnętrznym pierścieniowym kanałem A otaczającą z jednej strony zewnętrzną powierzchnię komory spalania 3, który to kanał jest połączony pierwszym pierścieniowym kanałem zwrotnym B z wewnętrznym kanałem pierścieniowym C i drugim pierścieniowym kanałem zwrotnym D ze środkowym kanałem pierścieniowym E otaczającym z drugiej strony zewnętrzną powierzchnię komory spalania 3. Środkowy kanał pierścieniowy E jest połączony z wlotem do komory spalania 3 trzecim pierścieniowym kanałem zwrotnym F. W drugim pierścieniowym kanale zwrotnym D i trzecim pierścieniowym kanale zwrotnym F są umieszczone opływowe kierownice przepływu w postaci palisad 5, 5'. Ponadto między trzecim kanałem zwrotnym F a komorą spalania 3 jest umieszczony gazodynamiczny zawór zwrotny 2 blokujący przepływ zwrotny z komory spalania 3 do kanału dolotowego. Gazodynamiczny zawór zwrotny 2 stanowi co najmniej jeden nieruchomy element wklęsło-wypukły o symetrii osiowej, korzystnie stożkowy, usytuowany w współosiowo w części wlotowej komory spalania 3, o średnicy mniejszej od średnicy części wlotowej tej komory. Gazodynamiczny zawór zwrotny 2 może być wykonany jako pierścień osadzony współosiowo w części wlotowej, jako element stożkowy zamocowany w osi części wlotowej, albo jako zestaw złożony z tych elementów.

Kanał w wykonaniu przedstawionym na z fig. 1 jest osadzony wraz z komorą spalania 3 na wale silnika między turbiną 4 połączoną z wałem a sprężarką nie pokazaną na rysunku.

Kanał w wykonaniu przedstawionym na z fig. 2 jest osadzony wraz z komorą spalania 3 na zewnątrz zespołu turbosprężarkowego z turbiną 4.

W obu przypadkach powietrze napływające do kanału wlotowego przez wlot powietrza 1 wykorzystywane jest w kanale dolotowym do chłodzenia zewnętrznej powierzchni komory spalania 3. Po stronie zewnętrznej względem wału silnika, komora spalania 3 jest chłodzona przez zewnętrzny pierścieniowy kanał A. Po zrealizowaniu dwóch przepływów zwrotnych z wykorzystaniem palisad 5, powietrze opływa z drugiej strony powierzchnię zewnętrzną komory spalania 3 jednocześnie chłodząc ją, a następnie dokonuje kolejnego zwrotu przepływając przez trzeci pierścieniowy kanał zwrotny F z kolejną palisadą 5'. Na wlocie do komory spalania 3 strumień powietrza opływa gazodynamiczny zawór zwrotny 2. Produkty spalania za komorą spalania 3 trafiają na turbinę 4 silnika. Wysokość poszczególnych części kanału dolotowego powinna być zaprojektowana tak, aby zachować jednakowe parametry przepływu wraz ze zmianą średnicy kanałów zwrotnych wynikającą z kolejnych zwrotów kanału.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Kanał dolotowy z przepływem zwrotnym do komory spalania z wirującą detonacją, znamienny tym, że wlot powietrza (1) jest połączony z zewnętrznym pierścieniowym kanałem (A) otaczającą z jednej strony zewnętrzną powierzchnię komory spalania (3), który to kanał jest połączony pierwszym pierścieniowym kanałem zwrotnym (B) z wewnętrznym kanałem pierścieniowym (C) i drugim pierścieniowym kanałem zwrotnym (D) ze środkowym kanałem pierścieniowym (E) otaczającym z drugiej strony zewnętrzną powierzchnię komory spalania (3), połączoną z tym kanałem trzecim pierścieniowym kanałem zwrotnym (F), przy czym pomiędzy trzecim kanałem zwrotnym (F) a komorą spalania (3) jest umieszczony gazodynamiczny zawór zwrotny (2) blokujący przepływ zwrotny z komory spalania (3) do kanału dolotowego.
2. 2. Kanał według zastrz. 1, znamienny tym, że w drugim pierścieniowym kanale zwrotnym (D) i trzecim pierścieniowym kanale zwrotnym (F) są umieszczone opływowe kierownice przepływu w postaci palisad (5, 5').
3. 3. Kanał według zastrz. 1, znamienny tym, że gazodynamiczny zawór zwrotny (2) stanowi co najmniej jeden nieruchomy element wklęsło-wypukły o symetrii osiowej, korzystnie stożkowy, usytuowany w współosiowo w części wlotowej komory spalania (3), o średnicy mniejszej od średnicy części wlotowej tej komory.