RU2574156C2 - Multitube valveless engine with pulse detonation - Google Patents
Multitube valveless engine with pulse detonation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2574156C2 RU2574156C2 RU2012157366/02A RU2012157366A RU2574156C2 RU 2574156 C2 RU2574156 C2 RU 2574156C2 RU 2012157366/02 A RU2012157366/02 A RU 2012157366/02A RU 2012157366 A RU2012157366 A RU 2012157366A RU 2574156 C2 RU2574156 C2 RU 2574156C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- detonation
- engine according
- air
- tubes
- engine
- Prior art date
Links
- 238000005474 detonation Methods 0.000 title claims abstract description 158
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 35
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 106
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 18
- 210000003477 Cochlea Anatomy 0.000 claims description 4
- 230000003628 erosive Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 abstract description 6
- 230000001902 propagating Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 5
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 5
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- YVGGHNCTFXOJCH-UHFFFAOYSA-N DDT Chemical compound C1=CC(Cl)=CC=C1C(C(Cl)(Cl)Cl)C1=CC=C(Cl)C=C1 YVGGHNCTFXOJCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Настоящая заявка притязает на приоритет заявки США 61/354,829, поданной 15 июня 2010 г. и включенной в описание посредством ссылки.This application claims priority to US Application 61 / 354,829, filed June 15, 2010 and incorporated herein by reference.
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к генерированию энергии при горении, в особенности к импульсному детонационному горению.The present invention relates to the generation of energy during combustion, in particular to pulsed detonation combustion.
Уровень техникиState of the art
В последние несколько десятилетий наблюдается значительный интерес к технологии импульсной детонации в связи с ее потенциальными возможностями высокоэффективного генерирования энергии. Были выполнены значительные исследования по технологии, реализации и совершенствованию устройств импульсной детонации. Одна из основных проблем в области устройств импульсной детонации заключается в управлении импульсами давления, возникающими в процессе детонации, и в изоляции от их воздействия подающего трубопровода. Существует ряд патентов на различные впускные клапаны для двигателей с импульсной детонацией. Был проведен ряд исследований по созданию пассивных аэродинамических элементов, работающих подобно активным клапанам. Эти элементы в устройстве сгорания снижают в процессе детонации обратное давление на подающий трубопровод, не используя подвижных частей. Такие устройства сгорания называются двигателями (устройствами сгорания) с импульсной детонацией.Over the past few decades, there has been significant interest in pulsed detonation technology due to its potential for highly efficient energy generation. Significant research has been carried out on the technology, implementation and improvement of pulsed detonation devices. One of the main problems in the field of pulsed detonation devices is the control of pressure pulses arising in the process of detonation, and in isolation from the impact of the supply pipe. There are a number of patents for various inlet valves for pulsed detonation engines. A number of studies have been carried out to create passive aerodynamic elements that work like active valves. These elements in the combustion device during detonation reduce the back pressure on the supply pipe without using moving parts. Such combustion devices are called engines (combustion devices) with pulse detonation.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Предложен бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, включающий несколько детонационных труб, причем каждая детонационная труба имеет независимое разгрузочное выпускное отверстие. Эти несколько детонационных труб соединены друг с другом в общем отверстии впуска воздушно-топливной смеси. В предлагаемом двигателе воздушно-топливная смесь детонирует в детонационных трубах одновременно, и общее отверстие впуска воздушно-топливной смеси минимизирует обратное давление, вызванное детонацией воздушно-топливной смеси, направляя несколько обратных ударных волн друг на друга, эффективно используя обратные давления как реактивные фронты друг для друга и эффективно снижая воздействие ударных волн, распространяющихся назад, в направлении вверх по потоку.A valveless multi-tube engine with pulse detonation is proposed, including several detonation tubes, each detonation tube having an independent discharge outlet. These several detonation tubes are connected to each other in a common inlet of the air-fuel mixture. In the proposed engine, the air-fuel mixture detonates simultaneously in the detonation tubes, and the common inlet of the air-fuel mixture minimizes the back pressure caused by the detonation of the air-fuel mixture by directing several backward shock waves at each other, effectively using backpressures as reactive fronts for friend and effectively reducing the impact of shock waves propagating backwards, in the upstream direction.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, упомянутый выше, может, далее, включать турбулизаторы, расположенные в детонационных трубах, причем турбулизаторы выполнены с возможностью увеличения скорости распространения пламени. Эти турбулизаторы могут включать улитку по длине участка детонационной камеры каждой детонационной трубы.The valveless multi-tube pulse detonation engine mentioned above may further include turbulators located in the detonation tubes, the turbulators being configured to increase the speed of flame propagation. These turbulizers may include a cochlea along the length of the detonation chamber portion of each detonation tube.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, описанный выше, может, далее, включать геометрические элементы, расположенные во впускных отверстиях камер сгорания, эти геометрические элементы выбраны из группы, включающей сужающиеся сопла, расширяющиеся сопла, пористые пластины и гидравлические диоды. Эти геометрические элементы в значительной мере ограничивают распространение волны назад, в сравнении с распространением волны вперед.The valveless multi-tube pulse detonation engine described above may further include geometric elements located in the inlet openings of the combustion chambers, these geometric elements selected from the group consisting of tapering nozzles, expanding nozzles, porous plates and hydraulic diodes. These geometric elements significantly limit the wave propagation backward, compared with the wave propagation forward.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией согласно пункту 1 формулы, в котором общее отверстие впуска воздуха, далее, включает впускной воздушный клапан.A valveless multi-tube engine with pulse detonation according to
Предложенный бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией может быть выполнен так, чтобы выпускные отверстия всех детонационных труб соединялись в одно выхлопное отверстие. Этот вариант осуществления может включать объединенное сужающееся насадочное сопло.The proposed valveless multi-tube engine with pulse detonation can be made so that the exhaust openings of all detonation pipes are connected to one exhaust outlet. This embodiment may include a combined tapering nozzle nozzle.
Предложенный бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией в одном из вариантов выполнен так, чтобы выход детонационных труб соединялся с турбиной, которая, в свою очередь, выполнена так, чтобы генерировать механическую мощность в результате процесса сгорания в бесклапанном многотрубном двигателе с импульсной детонацией. Эта турбина в одном из вариантов представляет собой устройство движения объемного типа. Один вариант такого устройства движения объемного типа раскрыт в патенте США №5,755,196, включенном в настоящее описание посредством ссылки.The proposed valveless multi-tube engine with pulse detonation in one embodiment is designed so that the detonation tube output is connected to a turbine, which, in turn, is configured to generate mechanical power as a result of the combustion process in the valveless multi-tube engine with pulse detonation. This turbine in one embodiment is a volumetric motion device. One embodiment of such a volumetric motion device is disclosed in US Pat. No. 5,755,196, incorporated herein by reference.
В одном из вариантов осуществления детонационные трубы непрямолинейны. В описании показан один пример непрямолинейной конфигурации, в котором непрямолинейные детонационные трубы включают дугу с углом, существенно равным 180°.In one embodiment, the detonation tubes are not straightforward. The description shows one example of a non-linear configuration in which non-linear detonation tubes include an arc with an angle substantially equal to 180 °.
Предложен бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, включающий несколько детонационных труб, причем каждая детонационная труба включает независимое выпускное отверстие. В одном из вариантов несколько детонационных труб соединены друг с другом в общем отверстии впуска воздуха, причем каждая детонационная труба, далее, включает, по меньшей мере, один топливный инжектор, гидравлически связанный с детонационной трубой для подачи в нее топлива. Этот вариант осуществления может быть выполнен так, чтобы воздушно-топливная смесь детонировала в детонационных трубах одновременно, причем общее отверстие впуска воздуха выполнено таким образом, чтобы минимизировать обратное давление, направляя обратные ударные волны друг на друга, эффективно используя их ударные давления как реактивные фронты друг для друга и эффективно снижая воздействие ударных волн, распространяющихся назад, в направлении вверх по потоку.A valveless multi-tube engine with pulse detonation is proposed, including several detonation tubes, each detonation tube including an independent outlet. In one embodiment, several detonation pipes are connected to each other in a common air inlet opening, each detonation pipe further comprising at least one fuel injector hydraulically connected to the detonation pipe to supply fuel to it. This embodiment can be made so that the air-fuel mixture detonates in the detonation pipes at the same time, with the common air inlet opening being designed to minimize back pressure by directing back shock waves at each other, effectively using their shock pressures as reactive fronts for a friend and effectively reducing the impact of shock waves propagating backward in the upstream direction.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, упомянутый выше, может, далее, включать турбулизаторы, расположенные в детонационных трубах, причем турбулизаторы выполнены регулируемыми для увеличения скорости распространения пламени. Эти турбулизаторы могут включать улитку по длине участка детонационной камеры каждой детонационной трубы.The valveless multi-tube pulse detonation engine mentioned above may further include turbulators located in the detonation tubes, the turbulators being made adjustable to increase the speed of flame propagation. These turbulizers may include a cochlea along the length of the detonation chamber portion of each detonation tube.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, упомянутый выше, может, далее, включать геометрические элементы во впускных отверстиях камер сгорания, эти геометрические элементы могут представлять собой сужающиеся или расширяющиеся сопла, пористые пластины или гидравлические диоды, которые в значительной мере ограничивают распространение волны назад, в сравнении с распространением волны вперед. Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией, упомянутый выше, может включать воздушный клапан в общем отверстии впуска воздуха.The valveless multi-tube pulse detonation engine mentioned above may further include geometric elements in the inlets of the combustion chambers, these geometric elements may be narrowing or expanding nozzles, porous plates or hydraulic diodes, which substantially limit the backward propagation of the wave in comparison with the propagation of the wave forward. The pulseless detonation valveless multi-tube engine mentioned above may include an air valve in a common air inlet.
Предложенный бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией может быть выполнен так, чтобы выпускные отверстия всех детонационных труб соединялись в одно выхлопное отверстие. В одном из вариантов используется объединенное сужающееся насадочное сопло для преобразования независимых выпускных отверстий в одно выхлопное отверстие. Это выхлопное отверстие детонационных труб может быть соединено с турбиной, то есть с устройством движения объемного типа, так чтобы генерировать механическую мощность, используя продукты сгорания.The proposed valveless multi-tube engine with pulse detonation can be made so that the exhaust openings of all detonation pipes are connected to one exhaust outlet. In one embodiment, a combined tapering nozzle is used to convert the independent outlets into a single exhaust outlet. This exhaust port of detonation tubes can be connected to a turbine, that is, to a volumetric motion device, so as to generate mechanical power using combustion products.
Бесклапанный многотрубный двигатель с импульсной детонацией может быть выполнен так, чтобы детонационные трубы были непрямолинейны. Непрямолинейные детонационные трубы могут включать дугу с углом до 180° или больше.A valveless multi-tube engine with pulse detonation can be designed so that the detonation tubes are not linear. Indirect detonation tubes may include an arc with an angle of up to 180 ° or more.
Краткое описание графических материаловA brief description of the graphic materials
На ФИГ.1 показана аксонометрическая проекция устройства сгорания в одном из вариантов осуществления.FIG. 1 shows a perspective view of a combustion device in one embodiment.
На ФИГ.2 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, первая стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания.FIG. 2 shows a sectional view of a combustion device in one embodiment, a first stage of the detonation process, and a shock / flame propagation front in the combustion device.
На ФИГ.3 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, вторая стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания.FIG. 3 shows a section through a combustion device in one embodiment, a second stage of the detonation process, and a shock / flame propagation front in the combustion device.
На ФИГ.4 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, третья стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания и впускном коллекторе.FIG. 4 shows a section through a combustion device in one embodiment, a third stage of the detonation process, and a shock / flame propagation front in the combustion device and intake manifold.
На ФИГ.5 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, четвертая стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания и впускном коллекторе.FIG. 5 shows a section through a combustion device in one embodiment, a fourth stage of the detonation process and a shock / flame propagation front in the combustion device and intake manifold.
На ФИГ.6 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, пятая стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания и отверстии для впуска воздуха.FIG. 6 shows a section through a combustion device in one embodiment, a fifth stage of the detonation process, and a shock / flame propagation front in the combustion device and the air inlet.
На ФИГ.7 показан разрез устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, шестая стадия процесса детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания.FIG. 7 shows a section through a combustion device in one embodiment, a sixth stage of a detonation process, and a shock / flame propagation front in a combustion device.
На ФИГ.8 показан вариант осуществления устройства сгорания с насадочным соплом и одним выхлопным отверстием.FIG. 8 shows an embodiment of a combustion device with a nozzle nozzle and one exhaust port.
На ФИГ.9 показана аксонометрическая проекция варианта осуществления с непрямолинейной трубой устройства сгорания.FIG. 9 shows a perspective view of an embodiment with a non-linear pipe of a combustion device.
На ФИГ.10 показан вид спереди или сзади варианта осуществления, изображенного на ФИГ.9.FIG. 10 shows a front or rear view of the embodiment depicted in FIG. 9.
На ФИГ.11 показан вид сбоку варианта осуществления, показанного на ФИГ.9.FIG. 11 is a side view of the embodiment shown in FIG. 9.
На ФИГ.12 показан на виде сбоку с частичным разрезом вида спереди вариант осуществления, изображенный на ФИГ.9.FIG. 12 shows a side view in partial cross-section of a front view of the embodiment depicted in FIG. 9.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Многотрубное бесклапанное устройство сгорания, раскрытое здесь в одном из вариантов, включает впускную часть, камеры воспламенения, детонационные камеры и выпускное сопло (выпускные сопла). Устройство сгорания работает без движущихся частей (исключая топливный инжектор), и на пути прохода воздуха не используется клапанов. Работой устройства сгорания управляют воздушной заслонкой, впрыском топлива и системой зажигания.The multi-tube valveless combustion device disclosed here in one embodiment includes an inlet, ignition chambers, detonation chambers and an exhaust nozzle (exhaust nozzles). The combustion device operates without moving parts (excluding the fuel injector), and no valves are used on the air path. The operation of the combustion device is controlled by an air damper, fuel injection and ignition system.
Конструкция устройства сгоранияCombustion device design
Как показано на ФИГ.1, устройство сгорания 1 в одном из вариантов осуществления работает по принципу импульсной детонации, при которой топливо сгорает мгновенно (детонирует) при постоянном объеме, образуя продукты сгорания высокого давления и высокой температуры, которые выходят через выпускное отверстие 2 устройства сгорания.As shown in FIG. 1, the
Как показано на частичном разрезе ФИГ.2, воздух поступает в устройство сгорания через отверстие 5 для впуска воздуха. Поступающий воздух может быть предварительно подогрет до входа в устройство сгорания выхлопом или теплом, переданным через стенки устройства сгорания. Топливо впрыскивается в поток воздуха и смешивается с воздухом во впускном коллекторе 4. Впускной коллектор имеет одно отверстие 5 для впуска воздуха и несколько выпускных отверстий 6 коллектора. Каждое выпускное отверстие коллектора соединено с одной детонационной трубой 7. Каждая детонационная труба 7 включает камеру сгорания 8 и детонационную камеру 9.As shown in a partial section of FIG. 2, air enters the combustion device through the
В то время как само устройство сгорания может быть бесклапанным, впускной воздушный клапан 32 может быть использован снаружи самого устройства сгорания.While the combustion device itself may be valveless, the intake air valve 32 may be used outside the combustion device itself.
Для улучшения смешивания воздуха и топлива во впускном коллекторе могут быть использованы турбулизаторы 13, например спирали Щепкина. Камера сгорания и впускной коллектор могут быть оснащены рассеивающими элементами, которые равномерно распределяют воздух/топливо между детонационными трубами 7, в то же время минимизируя обратное течение во впускных отверстиях 3 камер в процессе горения и детонации. Рассеивающими элементами могут быть сужающиеся/расширяющиеся сопла, пористые пластины, поверхностные неровности или иные геометрические или аэродинамические элементы в каком-то из вариантов осуществления. В одном из вариантов осуществления для управления горением не используются движущиеся части в потоке воздуха.To improve the mixing of air and fuel in the intake manifold,
В одном из режимов работы, показанном на ФИГ.2-7, когда камера сгорания 8 и детонационная камера 9 существенно заполнены требуемым объемом воздушно-топливной смеси, процесс впрыска топлива останавливается. После определенного запаздывания активируются воспламенители 10 и горения инициируется. Фронт 11 пламени в камере сгорания вначале имеет существенно сферическую форму, как показано на ФИГ.2 и 3. По мере продолжения горения фронт пламени расширяется, продвигаясь через негорящую смесь 12. По мере выделения тепла горения фронт пламени ускоряется до высоких скоростей вследствие выделения тепла в ограниченном объеме. Ускорение пламени может быть повышено применением турбулизаторов, например спиралей Щепкина или аналогичных устройств. Скорость пламени возрастает до достижения условия Чепмена-Жуге (C-J), после чего фронт пламени движется со сверхзвуковой постоянной скоростью. Фронт пламени при этом условии соединяется (сцепляется) с ударной волной сжатия, что увеличивает давление и температуру продуктов сгорания в ходе процесса детонации в постоянном объеме. Условие C-J определяет пиковые значения давления детонации и скорости пламени и зависит от типа топлива, детонирующей смеси, давления и температуры. Таким образом, детонация приводит к повышению давления и температуры продуктов сгорания 15. Давление газообразных продуктов сгорания выше давления воздуха во впускной части. Поэтому ударные волны 16 распространяются к входу устройства сгорания, как показано на ФИГ.3. Если имеется несколько камер сгорания при каждой детонации, несколько ударных волн распространяются одновременно. Следовательно, эти ударные волны сходятся во впускном коллекторе 4, как показано на ФИГ.6. Схождение ударных волн и рассеивающие элементы во впускном коллекторе 4 снижают обратное давление; таким образом, в детонационной трубе давление возрастает при значительном снижении воздействий обратного давления на впускной поток. Это вызывает рост давления в детонационной трубе, который приводит к высоким осевым усилиям, воздействующим на упорную пластину 17 в применениях для создания тяги или к высоким давлениям в выпускном отверстии устройства сгорания для совершения работы и генерирования энергии турбиной. Отверстие 5 для впуска воздуха может быть выполнено с элементами, которые минимизируют обратное давление на трубопровод подачи воздуха.In one of the operating modes shown in FIGS. 2-7, when the combustion chamber 8 and detonation chamber 9 are substantially filled with the required volume of the air-fuel mixture, the fuel injection process is stopped. After a certain delay,
Детонационные трубы могут иметь независимые выходы или, в варианте осуществления ФИГ.8, выходы двух или нескольких детонационных труб 18 могут соединяться в объединенное насадочное сопло 19, образуя одно выхлопное отверстие 20. Ударные волны направляются к выпускному соплу, которое может быть открыто в окружающую среду (для создания тяги) или смонтировано с расширителем для создания механической мощности. Когда детонация закончена, давление в камере сгорания начинает падать и воздух поступает в устройство сгорания для процесса продувки. После окончания процесса продувки вновь инициируется впрыск топлива для следующего цикла детонации.The detonation tubes can have independent exits or, in the embodiment of FIG. 8, the exits of two or
Устройство сгорания с импульсной детонацией показано в одном из вариантов с двумя или несколькими детонационными патрубками (трубами). Все детонационные трубы могут быть задействованы существенно одновременно.A combustion device with pulse detonation is shown in one embodiment with two or more detonation nozzles (tubes). All detonation tubes can be activated substantially simultaneously.
Каждая детонационная труба 7 питается своей камерой сгорания 8, причем отдельные трубы 7 выполнены так, чтобы их ударные волны взаимодействовали, минимизируя обратное течение во впускном коллекторе 4 в ходе детонационной стадии с высоким давлением.Each detonation tube 7 is fed by its own combustion chamber 8, and the individual pipes 7 are designed so that their shock waves interact, minimizing the reverse flow in the intake manifold 4 during the detonation stage with high pressure.
В одном из вариантов осуществления отверстия 3 для впуска воздуха в каждую камеру сгорания 8 выполнены так, чтобы к отверстию 5 для впуска воздуха передавались минимальные обратные давления.In one embodiment, the air inlet openings 3 to each combustion chamber 8 are configured so that minimal back pressures are transmitted to the
Выпускные отверстия 2 детонационных труб 7 могут быть соединены в один выход 20, как показано на ФИГ.8, или в несколько выходов, как показано на ФИГ.1-6. Детонационный выход может быть в окружающую среду (в применениях для создания тяги) или на одну или несколько турбин для создания мощности на валу.
Имеется три релевантных патента, которые раскрывают бесклапанную работу устройств импульсной детонации. Два из этих устройств сгорания управляются только системой зажигания, поскольку в них отсутствует управление впрыском топлива. Поэтому в таких устройствах сгорания существует непрерывный поток воздуха и топлива и нет возможности провести эффективную продувку продуктов сгорания перед следующим циклом впрыска топлива. Одна идея, раскрытая в заявке United Technologies (США №6,584,765), включенной в настоящее описание посредством ссылки, заключается в использовании угловых вводов воздуха и топлива для продвижения смеси к свече зажигания, расположенной у закрытого конца устройства сгорания. Кроме того, использован вращающийся диск для впрыска воздуха и топлива. Но хотя это изобретение названо "бесклапанный" импульсный детонационный двигатель (PDE, pulse detonation engine - ИДД, импульсный детонационный двигатель), во впускном отверстии использован клапан. Это изобретение работоспособно при выходном давлении, близком к вакууму, и предложено для создания тяги в космических аппаратах. Другая идея раскрыта в заявке Shimo с сотр. (заявка США 2007/0245712), также включенной в настоящее описание посредством ссылки; в этой заявке предложена комбинация пористой пластины, большой камеры сгорания и длинной впускной части, чтобы снизить обратное давление в подающем трубопроводе.There are three relevant patents that disclose the valveless operation of pulse detonation devices. Two of these combustion devices are only controlled by the ignition system, since they lack fuel injection control. Therefore, in such combustion devices, there is a continuous flow of air and fuel and it is not possible to efficiently purge the combustion products before the next fuel injection cycle. One idea disclosed in United Technologies (US No. 6,584,765), incorporated herein by reference, is to use angled air and fuel inlets to propel the mixture toward the spark plug located at the closed end of the combustion device. In addition, a rotating disk was used to inject air and fuel. But although this invention is called a “valveless” pulse detonation engine (PDE, pulse detonation engine), a valve is used in the inlet. This invention is operable at an outlet pressure close to vacuum, and is proposed to create thrust in spacecraft. Another idea is disclosed in Shimo et al. (US application 2007/0245712), also incorporated into this description by reference; this application proposes a combination of a porous plate, a large combustion chamber and a long inlet to reduce back pressure in the supply pipe.
В американском патенте компании General Electric №6,666,018 В2, также включенном в настоящее описание посредством ссылки, предложен гибридный импульсный детонационный двигатель, соединенный с обычным реактивным двигателем. В патенте утверждается, что "в одном из вариантов осуществления система управляется бесклапанной системой с непрерывной детонацией, которая включает устройство предварительного горения". Это указано в ссылке на двухступенчатое устройство сгорания с импульсной детонацией, предложенное в патенте США 6,983,586. В этом изобретении устройства импульсной детонации используются в обычном реактивном двигателе в качестве основных или усилительных устройств сгорания. В патенте описаны многотрубные, автономные устройства импульсной детонации, которые работают независимо. Каждое устройство сгорания работает независимо от других устройств сгорания, и эффект детонации в одном устройстве сгорания не влияет на другие детонационные трубы. Эта идея существенно отличается от идеи, представленной в настоящей заявке, в которой все детонационные трубы взаимодействуют друг с другом. Другие новые особенности этой заявки включают новое устройство смешивания воздуха с топливом, устройство предварительного нагрева воздуха и впускной воздушный коллектор.U.S. General Electric Patent No. 6,666,018 B2, also incorporated herein by reference, provides a hybrid pulsed detonation engine coupled to a conventional jet engine. The patent claims that "in one embodiment, the system is controlled by a valveless continuous detonation system that includes a pre-combustion device." This is indicated in reference to a two-stage pulse detonation combustion device proposed in US Pat. No. 6,983,586. In this invention, pulse detonation devices are used in a conventional jet engine as primary or amplification combustion devices. The patent describes multi-tube, self-contained pulsed detonation devices that operate independently. Each combustion device operates independently of other combustion devices, and the knock effect in one combustion device does not affect other detonation pipes. This idea is significantly different from the idea presented in this application, in which all detonation tubes interact with each other. Other new features of this application include a new fuel-air mixing device, an air pre-heating device, and an air intake manifold.
Устройство, предложенное в настоящем документе, отличается от предшествующих конструкций несколькими указанными ниже особенностями. Предложенное устройство сгорания 1 является многотрубным устройством сгорания с импульсной детонацией. Детонационные трубы 7 работают синфазно, и детонация осуществляется одновременно во всех детонационных камерах 9. В известных многотрубных устройствах сгорания детонация в отдельных детонационных трубах осуществляется, как правило, с разнесением по времени, чтобы снизить удары и колебания мощности в процессе работы.The device proposed in this document differs from the previous designs in several of the following features. The proposed
В одном из вариантов осуществления отверстие 5 для впуска воздуха распределено на несколько детонационных камер 9. Волны обратного давления, выходя через детонационные трубы 7 к отверстиям 3 для впуска воздуха камер, ослабляются рассеивающими элементами, а, кроме того, направляются так, чтобы они сходились в одной зоне во впускном коллекторе 4 и гасили друг друга. Это гашение импульсов детонации снижает влияние обратного давления на вход 5. Несколько предшествующих патентов на многотрубные устройства сгорания описывают несоединенные впускные отверстия отдельных детонационных труб, чтобы каждая жаровая труба могла работать независимо от других труб.In one embodiment, the
В предложенном устройстве сгорания 1, по меньшей мере, в одном из вариантов осуществления, может использоваться пористая пластина или другие рассеивающие элементы, чтобы снизить воздействие обратного давления детонации на впуск 3 воздуха. Такой эффект дают сужающиеся/расширяющиеся сопла, а также схождение и взаимодействие импульсов давления. Несколько предшествующих патентов предлагают использовать механический клапан; однако, имеется ряд патентов на бесклапанное устройство сгорания с импульсной детонацией, например патентная заявка США 2007/0245712 А1, включенная в настоящее описание посредством ссылки, описывает бесклапанное функционирование. Эта известная конструкция требует применения пористой пластины, чтобы снизить воздействие ударной волны на трубопровод выше по потоку и всасывающий патрубок.In the proposed
Жаровая труба может быть криволинейной, изогнутой, спиральной или иным образом непрямолинейной, как показано на ФИГ.9-12. В одном варианте осуществления жаровая труба может быть изготовлена из нескольких U-образных труб, соединенных вместе. В другом варианте осуществления жаровая труба может иметь форму спирали. Радиус изгиба устройства сгорания должен быть больше диаметра камеры сгорания для поддержания скорости распространения волны детонации в процессе работы. Кривизна камеры сгорания может не исключать потребности в турбулизаторах (напр., спиралях Щепкина), и ускорители распространения пламени могут быть включены для уменьшения расстояния перехода горения в детонацию (DDT, deflagration-to-detonation transition - переход горения в детонацию). Может оказаться желательным, чтобы контуры ускорителей распространения пламени повторяли контуры устройства сгорания.The flame tube may be curved, curved, spiral, or otherwise non-linear, as shown in FIGS. 9-12. In one embodiment, the flame tube may be made of several U-shaped tubes connected together. In another embodiment, the flame tube may be in the form of a spiral. The bending radius of the combustion device must be greater than the diameter of the combustion chamber to maintain the speed of propagation of the detonation wave during operation. The curvature of the combustion chamber may not exclude the need for turbulators (e.g., Shchepkin spirals), and flame propagation accelerators can be included to reduce the distance from combustion to detonation (DDT, deflagration-to-detonation transition). It may be desirable for the circuits of flame propagation accelerators to follow the contours of the combustion device.
В выхлопном отверстии устройства сгорания, выше по потоку относительно входа расширителя, могут быть использованы выпускные сопла, чтобы увеличить давление потока при его входе в расширитель. Такое сопло может иметь различные профили изменения поперечного сечения (сужающиеся или расширяющиеся), в зависимости от применяемого расширителя и рабочей нагрузки. Так, например, если требуется высокое давление, используется расширяющееся сопло для уменьшения скорости поток и увеличения давления газа на входе расширителя.In the exhaust port of the combustion device, upstream of the inlet of the expander, exhaust nozzles may be used to increase the pressure of the stream as it enters the expander. Such a nozzle may have different cross-sectional profiles (tapering or expanding), depending on the expander used and the workload. So, for example, if high pressure is required, an expanding nozzle is used to reduce the flow rate and increase the gas pressure at the inlet of the expander.
Устройство сгорания может быть сконструировано с одной или несколькими камерами сгорания и детонации, причем все спаренные комбинированные камеры сгорания/детонации работают как автономные системы горения с отдельными выходами, которые соединены и направлены к турбине. В этом варианте исполнения процессы горения в детонационных камерах могут осуществляться, скорее, последовательно, чем одновременно, что обеспечивает более равномерную подачу энергии на турбину.The combustion device can be designed with one or more combustion and detonation chambers, and all paired combined combustion / detonation chambers operate as autonomous combustion systems with separate outputs that are connected and directed to the turbine. In this embodiment, the combustion processes in the detonation chambers can be carried out rather sequentially than simultaneously, which provides a more uniform supply of energy to the turbine.
ФИГ.1-12 показывают другие виды многотрубных устройств сгорания с импульсной детонацией. Воздух и топливо могут смешиваться выше по потоку и поступать в камеры сгорания через впускные патрубки. После впрыскивания требуемого количества горючей смеси, топливные инжекторы закрываются, и в камерах сгорания одновременно от нескольких воспламенителей начинается зажигание. Воспламенителем может быть запальная свеча, лазер, плазма или иной воспламенитель. Фронт пламени ускоряется, проходя через ускорители распространения пламени в детонационных трубах. Ускорителем распространения пламени может быть любой элемент, создающий турбулентность в детонационной трубе. Выходы двух жаровых труб могут быть независимыми (как показано на ФИГ.1-3) или объединенными (как показано на ФИГ.4-6). Ударные волны и продукты сгорания выходят через выпускное отверстие под высоким давлением и при высокой температуре. Устройство сгорания затем продувается, и запускается следующий цикл детонации.FIGS. 1-12 show other types of multi-tube pulse detonation combustion devices. Air and fuel can mix upstream and enter the combustion chambers through the inlet pipes. After injecting the required amount of the combustible mixture, the fuel injectors are closed, and in the combustion chambers ignition starts from several igniters simultaneously. The igniter may be a spark plug, a laser, a plasma, or other igniter. The flame front is accelerated by passing through flame propagation accelerators in detonation tubes. The flame propagation accelerator can be any element that creates turbulence in the detonation tube. The outputs of the two flame tubes can be independent (as shown in FIGS. 1-3) or combined (as shown in FIGS. 4-6). Shock waves and combustion products exit through the outlet at high pressure and at high temperature. The combustion device is then blown and the next detonation cycle is started.
На ФИГ.1 изображен вариант осуществления устройства сгорания с шестью круглыми детонационными камерами. Настоящее предложение двигателя не предполагается ограниченным вариантом осуществления с шестью детонационными камерами и включает варианты осуществления с двумя или несколькими детонационными камерами.Figure 1 shows an embodiment of a combustion device with six round detonation chambers. This engine proposal is not intended to be a limited embodiment with six detonation chambers, and includes embodiments with two or more detonation chambers.
ФИГ.2-7 показывают поперечное сечение устройства сгорания в одном из вариантов осуществления, а также процесс детонации и фронт распространения ударной волны/пламени в устройстве сгорания.FIGS. 2-7 show a cross section of a combustion device in one embodiment, as well as a detonation process and a shock / flame propagation front in a combustion device.
На ФИГ.8 показан вариант осуществления устройства сгорания с объединенным соплом и одним выпускным отверстием. Выходы жаровых труб могут быть соединены вместе с образованием одного объединенного выпускного отверстия для всех жаровых труб устройства сгорания. Поскольку в одном из вариантов осуществления все детонационные камеры работают существенно одновременно, для выходного сопла без ускоряющего эффекта площадь поперечного сечения единственного выпускного отверстия может быть равна сумме поперечных сечений всех детонационных камер. Однако выход может включать комплект сопла (сужающегося или расширяющегося), которое регулирует выходные условия (давление, температуру и скорость) в зависимости от рабочей точки камеры сгорания. Например, на ФИГ.9 поперечное сечение выходного сопла 22 может быть меньше суммарной площади поперечных сечений четырех камер сгорания 28, образующих объединенное сужающееся выпускное сопло 22.FIG. 8 shows an embodiment of a combustion device with a combined nozzle and one outlet. The exits of the flame tubes can be connected together to form one integrated outlet for all the flame tubes of the combustion device. Since in one embodiment all the detonation chambers operate substantially simultaneously, for an output nozzle without an accelerating effect, the cross-sectional area of a single outlet may be equal to the sum of the cross-sections of all detonation chambers. However, the output may include a nozzle kit (tapering or expanding) that adjusts the output conditions (pressure, temperature and speed) depending on the operating point of the combustion chamber. For example, in FIG. 9, the cross section of the
В одном из вариантов осуществления многотрубного бесклапанного устройства сгорания 21 детонационные камеры соединены друг с другом через впускной коллектор 24, как показано на ФИГ.12, и изменение давления в одной камере сгорания 28 будет влиять на другие детонационные камеры.In one embodiment of a multi-tube
Детонационная труба 27 устройства импульсной детонации, или многотрубного устройства сгорания 21 может быть изогнутой или криволинейной, как показано на ФИГ.9-12. Там, где возможно, элементы криволинейной конструкции, показанной на ФИГ.9-12, обозначены теми же номерами, что и в предшествующих вариантах осуществления, с цифрой 2 впереди. К примеру, в криволинейном варианте осуществления детонационные камеры обозначены номером 27, тогда как в предшествующих вариантах осуществления для обозначения каждой детонационной камеры использовался номер 7. Детонационная камера 27 многотрубного устройства сгорания может быть криволинейной, изогнутой или согнутой под углом. Опыты подтвердили, что волна детонации может идти вдоль непрямолинейной оси детонационной камеры при малой кривизне изгибов 31. Таким образом, камера сгорания 28 может быть криволинейной, изогнутой или иным образом непрямолинейной для создания более компактной конструкции. Такая изогнутая конструкция применима для однотрубных или многотрубных устройств сгорания.The
В то время как в варианте осуществления, изображенном на ФИГ.9-12, показано одно объединенное выпускное отверстие, функционально аналогичное показанному на ФИГ.7 предшествующему варианту осуществления, для альтернативных вариантов применения то же самое криволинейное устройство детонационных труб 27 может быть использовано в устройстве с несколькими выпускными отверстиями, как показано на ФИГ.1.While the embodiment shown in FIGS. 9-12 shows a single combined outlet functionally similar to the previous embodiment shown in FIG. 7, for alternative applications, the same curved device of
Хотя настоящее изобретение проиллюстрировано описанием нескольких вариантов осуществления и хотя эти иллюстративные варианты осуществления описаны подробно, описание не предназначено заявителем для того, чтобы сузить или любым образом ограничить объем настоящего изобретения указанными деталями. Специалист легко сможет создать дополнительные преимущества и ввести модификации, не отступающие от объема прилагаемой формулы изобретения. Таким образом, настоящее изобретение в его расширительном толковании не ограничивается конкретными деталями, характерными устройствами и способами, а также показанными и описанными иллюстративными примерами. Соответственно, возможны отступления от таких деталей, не отступающие от смысла или объема общей идеи изобретения.Although the present invention is illustrated by a description of several embodiments, and although these illustrative embodiments are described in detail, the description is not intended by the applicant to narrow or in any way limit the scope of the present invention to these details. The specialist can easily create additional benefits and introduce modifications that do not depart from the scope of the attached claims. Thus, the present invention in its broad interpretation is not limited to specific details, characteristic devices and methods, as well as illustrative examples shown and described. Accordingly, deviations from such details are possible without departing from the meaning or scope of the general idea of the invention.
Claims (22)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US35482910P | 2010-06-15 | 2010-06-15 | |
US61/354,829 | 2010-06-15 | ||
PCT/CA2011/050362 WO2011156923A2 (en) | 2010-06-15 | 2011-06-15 | Multitube valveless pulse detonation engine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012157366A RU2012157366A (en) | 2014-07-20 |
RU2574156C2 true RU2574156C2 (en) | 2016-02-10 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU106500A1 (en) * | 1956-06-25 | 1956-11-30 | Д.А. Шитов | Wave valveless pulsating jet engine |
US6516605B1 (en) * | 2001-06-15 | 2003-02-11 | General Electric Company | Pulse detonation aerospike engine |
EP1473457A2 (en) * | 2003-04-30 | 2004-11-03 | United Technologies Corporation | Pulse combustor device |
RU2249121C1 (en) * | 2003-08-05 | 2005-03-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн") | Pulsating detonation engine |
RU2347097C1 (en) * | 2007-06-27 | 2009-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Hypersonic pulse detonating engine and method of its functioning |
CN101718236A (en) * | 2010-02-10 | 2010-06-02 | 周林 | Multitube pulse detonation combustion chamber communicated with jet deflector |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU106500A1 (en) * | 1956-06-25 | 1956-11-30 | Д.А. Шитов | Wave valveless pulsating jet engine |
US6516605B1 (en) * | 2001-06-15 | 2003-02-11 | General Electric Company | Pulse detonation aerospike engine |
EP1473457A2 (en) * | 2003-04-30 | 2004-11-03 | United Technologies Corporation | Pulse combustor device |
RU2249121C1 (en) * | 2003-08-05 | 2005-03-27 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Сатурн" (ОАО "НПО "Сатурн") | Pulsating detonation engine |
RU2347097C1 (en) * | 2007-06-27 | 2009-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") | Hypersonic pulse detonating engine and method of its functioning |
CN101718236A (en) * | 2010-02-10 | 2010-06-02 | 周林 | Multitube pulse detonation combustion chamber communicated with jet deflector |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9359973B2 (en) | Multitube valveless pulse detonation engine | |
US7669406B2 (en) | Compact, low pressure-drop shock-driven combustor and rocket booster, pulse detonation based supersonic propulsion system employing the same | |
US7980056B2 (en) | Methods and apparatus for controlling air flow within a pulse detonation engine | |
US6983586B2 (en) | Two-stage pulse detonation system | |
US8683780B2 (en) | Gas turbine engine and pulse detonation combustion system | |
US7775460B2 (en) | Combustion nozzle fluidic injection assembly | |
US8539752B2 (en) | Integrated deflagration-to-detonation obstacles and cooling fluid flow | |
US20120131901A1 (en) | System and method for controlling a pulse detonation engine | |
US8650856B2 (en) | Fluidic deflagration-to-detonation initiation obstacles | |
US20110126511A1 (en) | Thrust modulation in a multiple combustor pulse detonation engine using cross-combustor detonation initiation | |
US20070180832A1 (en) | Compact, low pressure-drop shock-driven combustor | |
US20110047962A1 (en) | Pulse detonation combustor configuration for deflagration to detonation transition enhancement | |
CN110131071B (en) | Pulse detonation engine combustion chamber and detonation method thereof | |
US7685806B2 (en) | Method and apparatus for supersonic and shock noise reduction in aircraft engines using pneumatic corrugations | |
CN103899435A (en) | Combined pulse detonation engine detonation chamber | |
CN102606343B (en) | Detonation chamber of pulse detonation engine | |
US9217392B2 (en) | Vortex cannon with enhanced ring vortex generation | |
CN111305972A (en) | Pulse detonation combustion chamber and air turbine rocket engine based on pulse detonation | |
RU2574156C2 (en) | Multitube valveless engine with pulse detonation | |
US20050279083A1 (en) | Folded detonation initiator for constant volume combustion device | |
RU2524591C1 (en) | Scramjet with pulse detonation combustion chamber and hypersonic jet flow combined with supersonic direct flow in "one-in-one" manner | |
CN114738138B (en) | Pulse detonation combustion chamber structure and detonation method thereof | |
CN202578942U (en) | Detonation chamber for pulse detonation engine | |
CN117028073A (en) | Double-ring multimode thrust chamber |