RU2079055C1

RU2079055C1 - Gas igniter

Info

Publication number: RU2079055C1
Application number: RU93003675A
Authority: RU
Inventors: Н.А. Бахтинов; Х.В. Кесаев
Original assignee: Научно-внедренческое предприятие "БКБ"
Priority date: 1993-01-21
Filing date: 1993-01-21
Publication date: 1997-05-10

Abstract

FIELD: stationary and transport plants for ignition of combustion chambers operating on hydrocarbon fuel. SUBSTANCE: gas igniter uses housing 1 with gas nozzle 3 connected to a compressed- gas source. Installed in wall 4 of housing 1 serving also as a wall of prechamber 5 is hollow cylindrical resonator 6 with blind end 7 made of material, whose thermal conductivity exceeds that of the material of open end 8 of resonator 6. Being end 7 is coated with porous catalyst 9 decreasing the fuel ignition temperature. Prechamber 5 is furnished with fuel injectors 10 and 11 and exhaust nozzle 12. EFFECT: improved design. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано в стационарных и транспортных установках для розжига камер сгорания, работающих на углеводородном топливе. The invention relates to the field of power engineering and can be used in stationary and transport installations for the ignition of combustion chambers operating on hydrocarbon fuel.

Известны устройства для воспламенения топливных смесей в камерах сгорания энергетических установок, использующие электроискровые, химические, пиротехнические и др. способы воспламенения /1/. Known devices for igniting fuel mixtures in the combustion chambers of power plants using electric spark, chemical, pyrotechnic and other ignition methods / 1 /.

Известны газодинамические воспламенители, в которых реакция горения инициируется нагревом топливной смеси на поверхности полого газодинамического резонатора, разогрев которого осуществляется энергией сжатого газа. Gas-dynamic ignitors are known in which the combustion reaction is initiated by heating the fuel mixture on the surface of a hollow gas-dynamic resonator, which is heated by the energy of a compressed gas.

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/. Closest to the claimed invention is a gas-dynamic igniter containing a housing with a gas nozzle connected to a compressed gas supply source and drainage pipes, while a hollow cylindrical resonator is placed axisymmetrically opposite the nozzle in the housing, the blind end of which is placed in a prechamber equipped with fuel nozzles and exhaust nozzle / 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.Known igniter works as follows. Active compressed gas is supplied to the gas nozzle, in which it accelerates to supersonic speed and enters the dead end cavity of the cavity in the form of an underexpanded jet. Reflecting from the resonator, the active gas fills the internal space of the housing and is discharged through the drainage pipes. In this case, shock wave oscillations develop in the dead cavity of the resonator, which for 50-100 s heat the gas inside the cavity and the wall of the resonator to temperatures of 1200 to 1500 K. When the temperature is sufficient to start the ignition of the fuel (1200 - 1300 ^o C for hydrocarbon fuels), hot and oxidizing agent are fed to the outer surface of the resonator through nozzles in the prechamber, which, when forming the fuel mixture, ignite and the combustion products flow out of the exhaust nozzle. After ignition of the fuel mixture, the supply of active gas to the ignitor is stopped.

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.A disadvantage of the known ignition is the significant cost of active compressed gas for each inclusion. So, with a minimum second gas flow rate of ≈10 g / s, the total gas flow rate will be 0.5 ^o C1 kg. Such a significant gas flow rate limits the number of possible igniter ignitions, especially in power plants with multiple switching on, which have high demands on the mass of fuel components and the installation as a whole.

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. The reason for the slow heating of the resonator is related to the fact that, as a rule, they are performed on a material with a high coefficient of thermal conductivity, and therefore, when it is heated, intense heat is removed from it from the open end by cold portions of the drained active gas, and also the end is removed by cold portions of the drained active gas as well as heat removal through the thermal bridge at the junction of the resonator with the prechamber. This leads to excessive costs of active compressed gas for heating the resonator.

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. The problem solved by the invention is to reduce the consumption of compressed gas for ignition and to reduce the time to reach the ignition temperature of the fuel by reducing the intensity of heat removal from the resonator from its heating zone.

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. This is achieved by the fact that in a known gas-dynamic igniter containing a housing with a gas nozzle connected to a compressed gas supply source and a drain pipe, a hollow cylindrical resonator, the blind end of which is placed in a prechamber equipped with fuel nozzles and exhaust nozzle, according to the invention, part of the hollow cylindrical resonator from the open end side is made of material with a thermal conductivity coefficient less than the coefficient thermal conductivity of the material of the bottom of its dead end.

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. In addition, the bottom part of the blind end is made of a porous catalyst that lowers the ignition temperature of the fuel or a catalyst layer is applied to it in the form of a sleeve with perforations or from a porous material.

На фиг. 1 изображен газодинамический воспламенитель, продольный разрез; на фиг.2 то же, с катализатором в виде втулки. In FIG. 1 shows a gas-dynamic igniter, a longitudinal section; figure 2 is the same with the catalyst in the form of a sleeve.

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. The gas-dynamic igniter shown in Fig. 1 comprises a housing 1 with a drain pipe 2 and a gas nozzle 3 connected to a source of compressed gas (not shown conventionally in the drawing). The wall 4 of the housing 1 is the wall of the prechamber 5, while a through hole is made in the wall 4, in which a hollow cylindrical resonator 6 is installed with a blind end 7 located in the prechamber 5. The resonator 6 is mounted axisymmetrically to the gas nozzle 3, to which it is directed with an open end 8 , on the part of which the part of the resonator 6 is made of material with a thermal conductivity coefficient lower than the coefficient of thermal conductivity of the material from which the bottom part of the blind end 7 of the resonator 6 is made. For hydrocarbon fuels, the resonator 6 with oron the open end 8 is made of a material having a thermal conductivity coefficient λ≅ 25 W / mK. On the outer surface of the bottom of the blind end 7 of the resonator 6, a catalyst layer is applied in the form of a sleeve 9, which lowers the ignition temperature of the fuel. The sleeve 9 may be made with perforations or of porous material. The prechamber 5 is equipped with fuel nozzles 10 and 11 and an exhaust nozzle 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. In the gas-dynamic igniter shown in figure 2, the bottom of the blind end 7 of the resonator 6 is made in the form of a layer (including the bottom) of a porous catalyst that lowers the ignition temperature of the fuels, while its thermal conductivity is higher than the thermal conductivity of the material of the part of the resonator 6 from the open end 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.The gas-dynamic igniter shown in figure 1, operates as follows. Compressed gas from the source enters the gas nozzle 3, where it accelerates to supersonic speed and enters the blind cavity of the blind end 7 of the resonator 6 as an underexpanded jet. Reflecting from the resonator 6, the gas fills the interior of the housing 1 and expires through the drain pipe 2. When In this, in the dead-end cavity of the resonator 6, shock wave oscillations develop that heat the gas in this cavity (the gas is heated most intensely in the blind cavity in a region equal to 1/4 of the length of the resonator 6 from the bottom). The heat of hot gas is transferred to section 7 of the resonator 6, made of a material with a high coefficient of thermal conductivity, which ensures its rapid heating to T ≈ 1200 1300 K (ignition temperatures to hydrocarbon fuel). The execution of the resonator 6 from the side of the open end 8 of a material with a low coefficient of thermal conductivity (chromium-nickel alloy, ceramics, etc.) significantly reduces the intensity of heat removal from the hot blind end 7 of the resonator 6 and performing the function of thermal resistance to cold compressed gas. This significantly reduces the cost of compressed gas to achieve temperature 6 (dead end 7) of the ignition temperature of the fuel mixture. The presence at the blind end 7 of a catalyst in the form of a sleeve 9, which lowers the ignition temperature (for example, a catalyst made of platinum, nickel, etc., reduces this temperature to ≈ 500 ^° C 600 K) and additionally reduces the consumption of compressed gas by 8 ^° C10 times prototype. For example, when testing an ignitor that runs on fuels: gasoline and air to ignite the fuel mixture, 50 ^o C60 g of compressed air is used instead of 450 ^o C500 g of the prototype. When the dead end 7 of the resonator 6 reaches a temperature equal to the ignition temperature of the fuel mixture, fuel components are supplied through the nozzles 10 and 11 to the prechamber 5 to the heated part of the resonator 6. They heat up, evaporate and ignite with the formation of combustion products that flow through the exhaust nozzle 12. After ignition of the fuel mixture, the supply of active gas to the housing 1 is stopped. Due to the decrease in the intensity of heat removal from the resonator from the heating zone, the time for ignition of the working mixture also decreases, i.e. performance improves. Perforation holes in the sleeve 9 of the catalyst intensify heat transfer processes, which also helps to reduce gas consumption and increases the speed of the igniter.

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. The gas-dynamic igniter shown in figure 2, operates as follows. Compressed gas similarly heats the blind end 7 of resonator 6. At the same time, the properties of the material from which it is made and the properties of the catalyst are used: i.e. and a higher coefficient of thermal conductivity, and the ability to reduce the ignition temperature of the fuel mixture. But besides this, since the blind end 7 is also made of porous material, this leads to heating of the gas located in its pores, which enters to heating of the gas located in its pores, which enters the prechamber 5, heating the mixture of components contained in it. When heating the blind end 7 of the resonator in the prechamber 5 to the ignition temperature of the fuel mixture in the prechamber 5, fuel is fed to this end. The mixture ignites with the formation of combustion products and their outflow from the exhaust nozzle 12.

Таким образом, использование изобретения позволит сократить расходы сжатого газа и сокращение времени на воспламенение топливной смеси в форкамере газодинамического воспламенения. Thus, the use of the invention will reduce the cost of compressed gas and reduce the time for ignition of the fuel mixture in the chamber of gas-dynamic ignition.

Claims

1. A gas-dynamic igniter, comprising a housing with a gas nozzle connected to a compressed gas supply source and a drainage pipe, while opposite the nozzle in the housing, an hollow acoustic resonator is open axisymmetrically opposite the end, the blind end of which is placed in a prechamber equipped with fuel nozzles and an exhaust nozzle characterized in that the hollow acoustic resonator from different ends is made of materials with different thermal conductivity coefficients, while the thermal conductivity of the material Ator from the closed end of the resonator greater coefficient of thermal conductivity of the material from the open end.

2. The ignitor according to claim 1, characterized in that the section of the resonator from the side of the blind end, made of a material with a high coefficient of thermal conductivity, is made of a porous catalyst that lowers the ignition temperature of the fuel.

3. The ignitor according to claim 1, characterized in that the catalyst layer in the form of a sleeve with perforation or from a porous material that lowers the ignition temperature of the fuel is deposited on the outer surface of the resonator section from the side of the blind end made of a material with a high thermal conductivity.