WO2014123441A1 - Device for turbulating and accelerating a flame front - Google Patents

Device for turbulating and accelerating a flame front Download PDF

Info

Publication number
WO2014123441A1
WO2014123441A1 PCT/RU2013/000083 RU2013000083W WO2014123441A1 WO 2014123441 A1 WO2014123441 A1 WO 2014123441A1 RU 2013000083 W RU2013000083 W RU 2013000083W WO 2014123441 A1 WO2014123441 A1 WO 2014123441A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
housing
flame front
obstacles
perforated plates
nozzle
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000083
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Сергей Михайлович ФРОЛОВ
Виктор Серафимович АКСЕНОВ
Original Assignee
Некоммерческое Партнерство По Научной, Образовательной И Инновационной Деятельности "Центр Импульсного Детонационного Горения"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Некоммерческое Партнерство По Научной, Образовательной И Инновационной Деятельности "Центр Импульсного Детонационного Горения" filed Critical Некоммерческое Партнерство По Научной, Образовательной И Инновационной Деятельности "Центр Импульсного Детонационного Горения"
Priority to RU2015104630A priority Critical patent/RU2015104630A/en
Priority to PCT/RU2013/000083 priority patent/WO2014123441A1/en
Publication of WO2014123441A1 publication Critical patent/WO2014123441A1/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/70—Baffles or like flow-disturbing devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M9/00—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields
    • F23M9/06—Baffles or deflectors for air or combustion products; Flame shields in fire-boxes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R7/00—Intermittent or explosive combustion chambers

Definitions

  • the invention relates to devices for turbulization and acceleration of the flame front, intended for use in technological and power plants operating in the mode of detonation combustion of gaseous or atomized liquid fuel.
  • One of the most important problems in creating pulse-detonation technological and power plants is to ensure the conditions for the fastest possible acceleration of the flame front with the formation of a shock wave with an intensity sufficient for the further transition of combustion to detonation.
  • a device for turbulization and acceleration of the flame front is known — the Shchelkin spiral (KI Shchelkin, Fast burning and spin detonation of gases. M: Military Publishing House of the USSR Ministry of Internal Affairs, 1949, p. 81, Fig. 34).
  • An increase in the speed of the flame front is achieved by turbulization of the fuel-air mixture during the flow around the turns of a wire spiral located in the detonation tube.
  • a device for turbulization and acceleration of the flame front is known, which is a set of flat regular obstacles staggered on the lower and upper walls of a detonation pipe of rectangular cross section (K.-Q. Sun, Y.-N. Zhang, K. Guo, Experimental Study of Flame Acceleration and deflagration-to-detonation transition. // Proc. 23 rd ICDERS, Irvine, USA, 201 1).
  • An increase in the speed of the flame front (as in the case of the Shchelkin spiral) is achieved by turbulizing the fuel-air mixture during the flow around obstacles.
  • Closest to the proposed invention is a device for turbulization and acceleration of the flame front, described in: Kuznetsov M., Alekseev V., Matsukov I., Kim T.N.
  • Ignition of the fuel-air mixture is carried out using a weak ignition source (car candle). An increase in the speed of the flame front is achieved by turbulization of the fuel-air mixture during the flow around annular obstacles.
  • the objective of the invention is the creation of such a device for turbulization and acceleration of the flame front, which will be small in size and at the same time able to ensure the rapid creation of developed turbulence and high speed of the flame front with the formation of a shock wave of sufficient intensity.
  • the proposed device for turbulization and acceleration of the flame front including a housing with a set of obstacles-turbulators and an ignition source, in which a set of obstacles turbulators are made in the form of perforated plates with a thickness of at least 1 mm installed in the planes of the cross sections of the housing, with a step that allows you to install at least 2 plates, and the housing at the outlet ends with a nozzle.
  • the holes in the perforated plates have sharp edges and are displaced relative to each other in adjacent plates.
  • the size of the holes in all perforated plates can remain constant or change with distance from the ignition source, while in the first plate the diameter of the holes exceeds the maximum quenching size of the holes.
  • the nozzle can be made subsonic (tapering) or supersonic (tapering-expanding, for example, a Laval nozzle).
  • the shape and arrangement of obstacles-turbulators used in the proposed device allow for the organization of fast multi-jet turbulent ignition and combustion, and the presence of a nozzle at the outlet of the device body makes the device volume semi-closed, since the nozzle limits the outflow of fresh fuel-air mixture and combustion products As a result, the pressure in the semi-closed volume of the device increases significantly, which leads to the formation of a high-speed turbulized jet of combustible mixture at the exit from the nozzle a shock wave, and the subsequent high-speed turbulent flame front.
  • FIG. 1 shows a diagram of the inventive device.
  • the device comprises a housing (1) with a circular or rectangular geometric cross-section, containing a set of obstacles-turbulators (2) made in the form of thin perforated plates, ending with a nozzle (3) and equipped with an ignition source (4), as well as a power system (on 1 is not shown), providing filling of the device case with a pre-prepared combustible mixture or its components, for example, gaseous fuel and air.
  • a pipe (5) is connected to the nozzle (3) for connection with power plants where the proposed device will be used.
  • the proposed device operates as follows.
  • the housing (1) of the device is filled with a combustible mixture.
  • the combustible mixture is ignited by the ignition source (4).
  • the ignition source can be a spark, for example, a car candle, or any other that can ignite a combustible mixture with an energy of 0.1 to 1.0 J).
  • the flame arising after ignition of the combustible mixture quickly covers the entire body volume (1), since multi-jet turbulent ignition and combustion are organized due to the perforated plates (2) used as obstacles-turbulators.
  • the organization mechanism of multi-jet turbulent ignition and combustion in the proposed device is as follows.
  • the combustion products expanding, increase the pressure in front of the first plate, resulting in the formation of directed turbulent jets of the first displaced fresh mixture, and then the combustion products and the flame front when they flow through the holes in the first plate.
  • the flame can transfer from one volume bounded by adjacent plates to the next either without extinction or with extinction, which depends on the size of the holes in the perforated plates.
  • the first scenario is realized (without extinguishing the flame), that is, the size of the holes in the first plates closest to the ignition source must exceed the maximum quenching size of the holes.
  • the maximum damping diameter of the holes d is determined by the formula: d ⁇ p '(0.85 ⁇ °' 95 where p is the pressure (see Voinov A.N. Combustion in high-speed piston engines, M., "Mechanical Engineering", 1977, p. 110-111), therefore, the size of the holes in the first plate is not less than 2 mm.
  • the second scenario (with the extinction of the flame) is realized at later stages when the outflow rate is very high.
  • the jets formed at the outflow consist of large-scale ones (with a size on the order of the size of the openings) and small-scale (with a size on the order of the plate thickness) turbulent vortices Ray.
  • combustion is transferred from one volume limited by adjacent turbulent obstacles to another, first according to the scenario with a continuous increase in the flame surface area, and then according to the scenario with successive volumetric explosions.
  • the average rate of transfer of combustion from one volume limited by adjacent plates to another and, consequently, the rate of increase in pressure and the maximum overpressure in the proposed device can be controlled by changing the size of the holes in the perforated plates as they move away from the ignition source.
  • the rapid combustion of the combustible mixture in the semi-enclosed volume of the housing of the proposed device leads to an increase in pressure in it with the formation at the outlet of the nozzle (3) of a high-speed turbulent jet of fresh mixture and combustion products generating a shock wave and the strongly turbulent flame front following it.
  • the proposed device has been successfully tested on two prototypes operating on a stoichiometric mixture of methane with air.
  • turbulence obstacles were installed — perforated plates 2 mm thick of types A and B (see FIG. 1) in the following sequence: A, B, A, B, A, B, A, B. All plates of types A and B were identical and had holes of the same size (diameter 19 mm).
  • a tapering (subsonic) nozzle 78 mm long and an outlet diameter of 94 mm was installed in the outlet part of the housing.
  • a direct detonation tube was attached to the nozzle exit section with a diameter of 94 mm and a length of 3 m with an open end.
  • the fuel-air mixture was ignited by a standard automobile spark plug with an energy of 0.1 J located in the center of the end wall of the housing.
  • the pressure in the semi-enclosed volume of the device casing was measured using a pressure sensor of the KARAT-DI 60 type mounted on the side surface of the casing.
  • a pressure sensor of the KARAT-DI 60 type mounted on the side surface of the casing.
  • the sensors were connected to a personal computer through an analog-to-digital converter and were used as time indicators for the arrival of the shock wave at their location to determine the time t of the passage of the shock wave from the measuring base.

Abstract

The invention relates to devices for turbulating and accelerating a flame front, intended for use in technological and energy installations which operate by means of the detonation combustion of gaseous or atomized liquid fuel. Proposed is a device for turbulating and accelerating a flame front, which comprises a housing, provided with a set of obstacles/turbulators, and an ignition source. The set of obstacles/turbulators is in the form of perforated plates installed in cross-sectional planes of the housing, and the outlet of the housing ends with a nozzle. The apertures in neighboring perforated plates are offset from one another. The size of the apertures in all of the perforated plates remains constant or changes in accordance with the distance from the ignition source, and in the first plate the diameter of the apertures exceeds a maximum extinguishing size. The nozzle is subsonic or supersonic. The proposed device provides for quickly creating developed turbulence and a high flame front speed, as well as a rapid increase in pressure within the semi-closed volume of the device housing. As a result, a shock wave is formed having parameters which are sufficient for a rapid and reliable transition from combustion to detonation.

Description

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТУРБУЛИЗАЦИИ И УСКОРЕНИЯ ФРОНТА ПЛАМЕНИ  DEVICE FOR TURBULIZATION AND ACCELERATION OF THE FLAME FRONT
Область техники  Technical field
Изобретение относится к устройствам для турбулизации и ускорения фронта пламени, предназначенным для использования в технологических и энергетических установках, работающих в режиме детонационного сжигания газообразного или распыленного жидкого топлива.  The invention relates to devices for turbulization and acceleration of the flame front, intended for use in technological and power plants operating in the mode of detonation combustion of gaseous or atomized liquid fuel.
Одной из наиболее важных проблем при создании импульсно-детонационных технологических и энергетических установок является обеспечение условий максимально быстрого ускорения фронта пламени с образованием ударной волны с интенсивностью, достаточной для дальнейшего перехода горения в детонацию.  One of the most important problems in creating pulse-detonation technological and power plants is to ensure the conditions for the fastest possible acceleration of the flame front with the formation of a shock wave with an intensity sufficient for the further transition of combustion to detonation.
Предшествующий уровень техники  State of the art
Известно устройство для турбулизации и ускорения фронта пламени - спираль Щёлкина (Щёлкин К.И. Быстрое горение и спиновая детонация газов. М.: Военное изд-во МВС СССР, 1949 г., с. 81, рис. 34). Увеличение скорости фронта пламени достигается путём турбулизации топливно-воздушной смеси при обтекании витков проволочной спирали, расположенной в детонационной трубе.  A device for turbulization and acceleration of the flame front is known — the Shchelkin spiral (KI Shchelkin, Fast burning and spin detonation of gases. M: Military Publishing House of the USSR Ministry of Internal Affairs, 1949, p. 81, Fig. 34). An increase in the speed of the flame front is achieved by turbulization of the fuel-air mixture during the flow around the turns of a wire spiral located in the detonation tube.
Известно устройство для турбулизации и ускорения фронта пламени, представляющее собой набор плоских регулярных препятствий, установленных в шахматном порядке на нижней и верхней стенках детонационной трубы прямоугольного сечения (K.-Q. Sun, Y.-N. Zhang, К. Guo, Experimental Study of Flame Acceleration and deflagration-to-detonation transition. // Proc. 23rd ICDERS, Irvine, USA, 201 1). Увеличение скорости фронта пламени (так же, как и в случае спирали Щёлкина) достигается путём турбулизации топливно-воздушной смеси при обтекании препятствий. A device for turbulization and acceleration of the flame front is known, which is a set of flat regular obstacles staggered on the lower and upper walls of a detonation pipe of rectangular cross section (K.-Q. Sun, Y.-N. Zhang, K. Guo, Experimental Study of Flame Acceleration and deflagration-to-detonation transition. // Proc. 23 rd ICDERS, Irvine, USA, 201 1). An increase in the speed of the flame front (as in the case of the Shchelkin spiral) is achieved by turbulizing the fuel-air mixture during the flow around obstacles.
Основной недостаток указанных известных устройств - низкая степень турбулизации потока топливно-воздушной смеси вследствие малого значения коэффициента затенения сечения трубы В = ΖΙΦ (Z - площадь сечения прутка спирали или регулярного препятствия, Ф - площадь сечения трубы), что приводит к увеличению размеров данных устройств (длины спирали или набора препятствий), требуемых для достижения достаточно высоких значений интенсивности турбулентности и скорости фронта пламени. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для турбулизации и ускорения фронта пламени, описанное в работе: Kuznetsov М., Alekseev V., Matsukov I., Kim Т.Н. Ignition, flame acceleration and detonations of methane-air mixture at different pressures and temperatures // Proc. 8th ISHP-MIE, Jokohama, Japan, 2010. - Paper No. ISH-118 (прототип). Это устройство представляет собой регулярный набор кольцевых препятствий-турбулизаторов, установленных в корпусе (в детонационной трубе) с шагом S, равным диаметру трубы D, т.е., 5 = и с коэффициентом «блокировки» сечения трубы В (отношение площади затенения сечения одним кольцом Z к площади сечения детонационной трубы Ф: В =Ζ/Φ), равным 0,3. Поджигание топливно-воздушной смеси осуществляется с помощью слабого источника зажигания (автомобильной свечи). Увеличение скорости фронта пламени достигается путём турбулизации топливно-воздушной смеси при обтекании кольцевых препятствий. The main disadvantage of these known devices is the low degree of turbulization of the air-fuel mixture flow due to the small value of the shading coefficient of the pipe section B = ΖΙΦ (Z is the cross-sectional area of the spiral bar or regular obstruction, Ф is the pipe cross-sectional area), which leads to an increase in the size of these devices the length of the spiral or set of obstacles) required to achieve sufficiently high values of the intensity of turbulence and the speed of the flame front. Closest to the proposed invention is a device for turbulization and acceleration of the flame front, described in: Kuznetsov M., Alekseev V., Matsukov I., Kim T.N. Ignition, flame acceleration and detonations of methane-air mixture at different pressures and temperatures // Proc. 8 th ISHP-MIE, Jokohama, Japan, 2010. - Paper No. ISH-118 (prototype). This device is a regular set of annular obstacles-turbulators installed in the housing (in the detonation pipe) with a pitch S equal to the diameter of the pipe D, that is, 5 = and with a coefficient of "blocking" of the pipe section B (the ratio of the area of shadowing of the section to one ring Z to the cross-sectional area of the detonation pipe Ф: В = Ζ / Φ), equal to 0.3. Ignition of the fuel-air mixture is carried out using a weak ignition source (car candle). An increase in the speed of the flame front is achieved by turbulization of the fuel-air mixture during the flow around annular obstacles.
В устройстве-прототипе благодаря высокому значению локального коэффициента затенения сечения детонационной трубы (В = 0,3) обеспечивается достаточно интенсивная турбулизация потока топливно-воздушной смеси, приводящая к значительному увеличению скорости турбулентного пламени и образованию ударной волны. Однако при движении образовавшейся ударной волны через кольцевые препятствия увеличиваются потери количества движения, что приводит к замедлению темпа ускорения ударной волны или к ее распространению с относительно низкой постоянной скоростью. В результате высокий уровень скорости ударной волны, необходимый для перехода горения в детонацию, достигается лишь при значительной длине набора препятствий или вообще не достигается.  In the prototype device, due to the high value of the local coefficient of shadowing of the cross section of the detonation tube (B = 0.3), sufficiently intense turbulization of the flow of the fuel-air mixture is provided, leading to a significant increase in the speed of the turbulent flame and the formation of a shock wave. However, when a shock wave moves through annular obstacles, the momentum loss increases, which leads to a slowdown in the acceleration rate of the shock wave or to its propagation with a relatively low constant speed. As a result, the high level of shock wave velocity necessary for the transition of combustion to detonation is achieved only with a significant length of a set of obstacles or is not achieved at all.
Раскрытие изобретения  Disclosure of invention
Задачей изобретения является создание такого устройства для турбулизации и ускорения фронта пламени, которое будет отличаться малыми размерами и при этом сможет обеспечить быстрое создание развитой турбулентности и высокой скорости фронта пламени с образованием ударной волны достаточной интенсивности.  The objective of the invention is the creation of such a device for turbulization and acceleration of the flame front, which will be small in size and at the same time able to ensure the rapid creation of developed turbulence and high speed of the flame front with the formation of a shock wave of sufficient intensity.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым устройством для турбулизации и ускорения фронта пламени, включающим корпус с набором препятствий-турбулизаторов и источник зажигания, в котором набор препятствий- турбулизаторов выполнен в виде перфорированных пластин толщиной не менее 1 мм, установленных в плоскостях поперечных сечений корпуса, с шагом, позволяющим установить не менее 2 пластин, а корпус на выходе заканчивается соплом. The solution to this problem is achieved by the proposed device for turbulization and acceleration of the flame front, including a housing with a set of obstacles-turbulators and an ignition source, in which a set of obstacles turbulators are made in the form of perforated plates with a thickness of at least 1 mm installed in the planes of the cross sections of the housing, with a step that allows you to install at least 2 plates, and the housing at the outlet ends with a nozzle.
Отверстия в перфорированных пластинах имеют острые кромки и в соседних пластинах смещены относительно друг друга.  The holes in the perforated plates have sharp edges and are displaced relative to each other in adjacent plates.
Размер отверстий во всех перфорированных пластинах может оставаться постоянным или изменяться по мере удаления от источника зажигания, при этом в первой пластине диаметр отверстий превышает максимальный гасящий размер отверстий.  The size of the holes in all perforated plates can remain constant or change with distance from the ignition source, while in the first plate the diameter of the holes exceeds the maximum quenching size of the holes.
Сопло может быть выполнено дозвуковым (суживающимся) или сверхзвуковым (суживающе-расширяющимся, например, соплом Лаваля).  The nozzle can be made subsonic (tapering) or supersonic (tapering-expanding, for example, a Laval nozzle).
Форма и расстановка препятствий-турбулизаторов, используемых в предлагаемом устройстве, позволяют организовать быстрое многоструйно- турбулентное зажигание и горение, а наличие сопла на выходе из корпуса устройства делает объем устройства полузамкнутым, так как сопло ограничивает истечение свежей топливно-воздушной смеси и продуктов горения, в результате в полузамкнутом объеме устройства существенно повышается давление, что приводит к формированию на выходе из сопла высокоскоростной турбулизованной струи горючей смеси, ведомой сформировавшейся ударной волны, и следующего за ней высокоскоростного турбулентного фронта пламени.  The shape and arrangement of obstacles-turbulators used in the proposed device allow for the organization of fast multi-jet turbulent ignition and combustion, and the presence of a nozzle at the outlet of the device body makes the device volume semi-closed, since the nozzle limits the outflow of fresh fuel-air mixture and combustion products As a result, the pressure in the semi-closed volume of the device increases significantly, which leads to the formation of a high-speed turbulized jet of combustible mixture at the exit from the nozzle a shock wave, and the subsequent high-speed turbulent flame front.
Краткое описание чертежей  Brief Description of the Drawings
На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства.  In FIG. 1 shows a diagram of the inventive device.
Лучший вариант осуществления изобретения  The best embodiment of the invention
Устройство содержит корпус (1) с поперечным сечением круговой или прямоугольной геометрической формы, содержащий набор препятствий- турбулизаторов (2), выполненных в виде тонких перфорированных пластин, заканчивающийся соплом (3) и оснащённый источником зажигания (4), а также системой питания (на фиг.1 не показана), обеспечивающей заполнение корпуса устройства предварительно подготовленной горючей смесью или её компонентами, например, газообразным горючим и воздухом. К соплу (3) присоединена труба (5) для соединения с энергетическими установками, где будет использоваться предлагаемое устройство. The device comprises a housing (1) with a circular or rectangular geometric cross-section, containing a set of obstacles-turbulators (2) made in the form of thin perforated plates, ending with a nozzle (3) and equipped with an ignition source (4), as well as a power system (on 1 is not shown), providing filling of the device case with a pre-prepared combustible mixture or its components, for example, gaseous fuel and air. A pipe (5) is connected to the nozzle (3) for connection with power plants where the proposed device will be used.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.  The proposed device operates as follows.
Через систему питания корпус (1) устройства заполняется горючей смесью. Горючая смесь поджигается источником зажигания (4). (Источник зажигания может быть искровым, например, автомобильной свечой, или любым другим, способным поджечь горючую смесь с энергией от 0,1 до 1,0 Дж). Возникающее после поджигания горючей смеси пламя быстро охватывает весь объём корпуса (1), так как благодаря используемым в качестве препятствий-турбулизаторов перфорированным пластинам (2) организуется многоструйно-турбулентное зажигание и горение. Механизм организации многоструйно-турбулентного зажигания и горения в предлагаемом устройстве заключается в следующем. Продукты горения, расширяясь, повышают давление перед первой пластиной, в результате формируются направленные турбулентные струи сначала вытесняемой свежей смеси, а затем продуктов горения и фронта пламени при их вытекании через отверстия в первой пластине. В процессе перехода турбулентного пламени через отверстия в пластинах возможны два сценария: пламя может переходить из одного объема, ограниченного соседними пластинами, в следующий либо без погасания, либо с погасанием, что зависит от размера отверстий в перфорированных пластинах. В начале процесса, когда скорости истечения через отверстия ещё относительно малы, реализуется первый сценарий (без погасания пламени), то есть размер отверстий в первых, наиболее близких к источнику зажигания пластинах, должен превышать максимальный гасящий размер отверстий. Максимальный гасящий диаметр отверстий d определяется по формуле: d ~ р'(0,85 ~ °'95 где р - давление (см. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях, М., «Машиностроение», 1977, с. 110-111), поэтому в первой пластине размер отверстий не меньше 2 мм. Второй сценарий (с погасанием пламени) реализуется на более поздних стадиях, когда скорость истечения очень велика. Образующиеся при истечении струи состоят как из крупномасштабных (с размером порядка размера отверстий), так и мелкомасштабных (с размером порядка толщины пластины) турбулентных вихрей. Мелкомасштабная турбулентность увеличивает площадь контакта продуктов горения со свежей смесью и скорость их перемешивания, а крупномасштабная турбулентность увеличивает скорость охвата объема между пластинами горячими продуктами горения. На начальных стадиях процесса, когда пламя проходит через отверстия без погасания, это приводит к дальнейшему увеличению площади поверхности пламени, увеличению эффективной скорости горения и росту давления. На стадиях же процесса с погасанием высокоскоростного пламени при переходе через отверстия происходят последовательные объемные взрывы газа, состоящего из свежей топливно-воздушной смеси и горячих продуктов горения, вызванные высокоэнергетичными турбулентными струями продуктов горения. Это приводит к объемному воспламенению с резким увеличением эффективной скорости горения и повышением давления в объеме между препятствиями-турбулизаторами. Таким образом, горение передается от одного объема, ограниченного соседними препятствиями-турбулизаторами, к другому сначала по сценарию с непрерывным возрастанием площади поверхности пламени, а затем по сценарию с последовательными объемными взрывами. Средней скоростью передачи горения от одного объема, ограниченного соседними пластинами, к другому и, следовательно, скоростью нарастания давления и величиной максимального избыточного давления в предлагаемом устройстве можно управлять, изменяя размер отверстий в перфорированных пластинах по мере их удаления от источника зажигания. Быстрое сгорание горючей смеси в полузамкнутом объеме корпуса предлагаемого устройства приводит к повышению давления в нём с формированием на выходе из сопла (3) высокоскоростной турбулентной струи свежей смеси и продуктов горения, порождающей ударную волну, и следующего за ней сильно турбулизованного фронта пламени. Through the power supply system, the housing (1) of the device is filled with a combustible mixture. The combustible mixture is ignited by the ignition source (4). (The ignition source can be a spark, for example, a car candle, or any other that can ignite a combustible mixture with an energy of 0.1 to 1.0 J). The flame arising after ignition of the combustible mixture quickly covers the entire body volume (1), since multi-jet turbulent ignition and combustion are organized due to the perforated plates (2) used as obstacles-turbulators. The organization mechanism of multi-jet turbulent ignition and combustion in the proposed device is as follows. The combustion products, expanding, increase the pressure in front of the first plate, resulting in the formation of directed turbulent jets of the first displaced fresh mixture, and then the combustion products and the flame front when they flow through the holes in the first plate. In the process of transition of a turbulent flame through the holes in the plates, two scenarios are possible: the flame can transfer from one volume bounded by adjacent plates to the next either without extinction or with extinction, which depends on the size of the holes in the perforated plates. At the beginning of the process, when the outflow rates through the holes are still relatively small, the first scenario is realized (without extinguishing the flame), that is, the size of the holes in the first plates closest to the ignition source must exceed the maximum quenching size of the holes. The maximum damping diameter of the holes d is determined by the formula: d ~ p '(0.85 ~ °' 95 where p is the pressure (see Voinov A.N. Combustion in high-speed piston engines, M., "Mechanical Engineering", 1977, p. 110-111), therefore, the size of the holes in the first plate is not less than 2 mm. The second scenario (with the extinction of the flame) is realized at later stages when the outflow rate is very high. The jets formed at the outflow consist of large-scale ones (with a size on the order of the size of the openings) and small-scale (with a size on the order of the plate thickness) turbulent vortices Ray. Small-scale turbulence increases the contact area of the combustion products with the fresh mixture and the speed of their mixing, and large-scale turbulence increases the rate of coverage of the volume between the plates with hot combustion products. In the initial stages of the process, when the flame passes through the openings without extinction, this leads to a further increase in the surface area of the flame, an increase in the effective burning rate and an increase in pressure. At the stages of the process with the extinction of a high-speed flame during passage through holes, successive volumetric gas explosions occur, consisting of a fresh air-fuel mixture and hot combustion products, caused by high-energy turbulent jets of combustion products. This leads to volumetric ignition with a sharp increase in the effective burning rate and an increase in pressure in the volume between the turbulent obstacles. Thus, combustion is transferred from one volume limited by adjacent turbulent obstacles to another, first according to the scenario with a continuous increase in the flame surface area, and then according to the scenario with successive volumetric explosions. The average rate of transfer of combustion from one volume limited by adjacent plates to another and, consequently, the rate of increase in pressure and the maximum overpressure in the proposed device can be controlled by changing the size of the holes in the perforated plates as they move away from the ignition source. The rapid combustion of the combustible mixture in the semi-enclosed volume of the housing of the proposed device leads to an increase in pressure in it with the formation at the outlet of the nozzle (3) of a high-speed turbulent jet of fresh mixture and combustion products generating a shock wave and the strongly turbulent flame front following it.
Предлагаемое устройство прошло успешные испытания на двух опытных образцах, работающих на стехиометрической смеси метана с воздухом.  The proposed device has been successfully tested on two prototypes operating on a stoichiometric mixture of methane with air.
В корпусе первого образца внутренним диаметром 205 мм и длиной 400 мм установили восемь препятствий-турбулизаторов - перфорированных пластин толщиной 2 мм типов А и Б (см. фиг.1) в следующей последовательности: А, Б, А, Б, А, Б, А, Б. Все пластины типов А и Б были идентичны и имели отверстия одинакового размера (диаметр 19 мм). В выходной части корпуса установили суживающееся (дозвуковое) сопло длиной 78 мм и диаметром выходного отверстия 94 мм. К выходному сечению сопла присоединили прямую детонационную трубу диаметром 94 мм и длиной 3 м с открытым концом. Воспламенение топливно- воздушной смеси осуществляли стандартной автомобильной свечой зажигания с энергией 0,1 Дж, расположенной в центре торцевой стенки корпуса. In the housing of the first sample with an inner diameter of 205 mm and a length of 400 mm, eight turbulence obstacles were installed — perforated plates 2 mm thick of types A and B (see FIG. 1) in the following sequence: A, B, A, B, A, B, A, B. All plates of types A and B were identical and had holes of the same size (diameter 19 mm). A tapering (subsonic) nozzle 78 mm long and an outlet diameter of 94 mm was installed in the outlet part of the housing. A direct detonation tube was attached to the nozzle exit section with a diameter of 94 mm and a length of 3 m with an open end. The fuel-air mixture was ignited by a standard automobile spark plug with an energy of 0.1 J located in the center of the end wall of the housing.
Давление в полузамкнутом объеме корпуса устройства измеряли с помощью датчика давления типа КАРАТ-ДИ 60, установленного на боковой поверхности корпуса. Для определения скорости ударной волны использовали записи двух высокочастотных пьезоэлектрических датчиков давления типа РСВ-113В24, установленных в детонационной трубе на измерительной базе Х= 400 мм (в 300 и 700 мм от выходного отверстия сопла). Датчики были соединены с персональным компьютером через аналого-цифровой преобразователь и использовались как отметчики времени прихода ударной волны в место их расположения для определения времени t прохождения ударной волны по измерительной базе. Скорость ударной волны D определяли как D = X/t. Погрешность измерения средней скорости ударной волны не превышала 3%.  The pressure in the semi-enclosed volume of the device casing was measured using a pressure sensor of the KARAT-DI 60 type mounted on the side surface of the casing. To determine the speed of the shock wave, we used the recordings of two high-frequency piezoelectric pressure sensors of the RSV-113V24 type installed in the detonation tube on the measuring base X = 400 mm (300 and 700 mm from the nozzle outlet). The sensors were connected to a personal computer through an analog-to-digital converter and were used as time indicators for the arrival of the shock wave at their location to determine the time t of the passage of the shock wave from the measuring base. The shock wave velocity D was determined as D = X / t. The error in measuring the average velocity of the shock wave did not exceed 3%.
В проведенных опытах было зарегистрировано быстрое (за 22-25 мс после зажигания) повышение избыточного давления (до ~ 4 атм) в корпусе устройства. В детонационной трубе на указанной измерительной базе (300-700 мм), то есть на расстоянии около 1 м от источника зажигания, была зарегистрирована ударная волна, распространяющаяся по свежей топливно-воздушной смеси с числом Маха 2,5-3,0. Как показано в патентах RU 2427756, F23C 15/00, 27.08.2011; RU 2430303, F23C 15/00, 27.09.2011; RU 2429409 CI, F23C15/00, 20.09.2011, такую ударную волну можно быстро и надежно перевести в детонацию с помощью различных фокусирующих устройств.  In the conducted experiments, a rapid (over 22-25 ms after ignition) increase in overpressure (up to ~ 4 atm) in the device case was recorded. In a detonation tube at the indicated measuring base (300-700 mm), that is, at a distance of about 1 m from the ignition source, a shock wave was recorded propagating through the fresh air-fuel mixture with a Mach number of 2.5-3.0. As shown in patents RU 2427756, F23C 15/00, 08/27/2011; RU 2430303, F23C 15/00, 09/27/2011; RU 2429409 CI, F23C15 / 00, 09.20.2011, such a shock wave can be quickly and reliably converted to detonation using various focusing devices.
В корпусе второго образца предлагаемого устройства тех же размеров установили восемь препятствий-турбулизаторов - перфорированных пластин толщиной 2 мм типов А и Б в той же последовательности (А, Б, А, Б, А, Б, А, Б), но отверстия в пластинах типов А и Б изменялись по мере удаления пластин от источника зажигания: сначала размер отверстий уменьшался: от диаметра 19 мм в первой пластине до диаметра 10 мм в четвертой и пятой пластинах, а затем опять увеличивался до диаметра 19 мм в восьмой пластине. В этих опытах было зарегистрировано быстрое (за 20-23 мс после зажигания) повышение избыточного давления (до ~ 4,5 атм) в корпусе образца, то есть такое изменение размера отверстий позволило увеличить скорость нарастания давления и максимальное избыточное давление в корпусе устройства. In the case of the second sample of the proposed device of the same size, eight obstacles-turbulators were installed - perforated plates 2 mm thick of types A and B in the same sequence (A, B, A, B, A, B, A, B), but the holes in the plates types A and B changed as the plates moved away from the ignition source: first, the size of the holes decreased: from a diameter of 19 mm in the first plate to a diameter of 10 mm in the fourth and fifth plates, and then again increased to a diameter of 19 mm in the eighth plate. In these experiments, a rapid (over 20-23 ms after ignition) increase in overpressure (up to ~ 4.5 atm) in the sample casing was recorded, i.e., such a change in size holes allowed to increase the rate of increase in pressure and the maximum overpressure in the device.
Таким образом, предложено компактное и технологичное устройство, которое обеспечивает быстрое создание развитой турбулентности и высокой скорости фронта пламени, а также быстрое повышение давления в полузамкнутом объеме его корпуса - в результате чего образуется ударная волна с параметрами, достаточными для организации быстрого и надежного перехода горения в детонацию в энергетических установках, где будет использоваться предлагаемое устройство.  Thus, a compact and technologically advanced device has been proposed that provides the rapid creation of developed turbulence and high speed of the flame front, as well as the rapid increase in pressure in the semi-closed volume of its body - as a result of which a shock wave is formed with parameters sufficient to organize a fast and reliable transition of combustion into detonation in power plants where the proposed device will be used.

Claims

Формула изобретения Claim
Пуню1 1. Устройство для турбулизации и ускорения фронта пламени, включающее корпус с набором препятствий-турбулизаторов и источник зажигания, отличающееся тем, что набор препятствий-турбулизаторов выполнен в виде перфорированных пластин толщиной не менее 1 мм, установленных в плоскостях поперечных сечений корпуса, с шагом, позволяющим установить не менее 2 пластин, а корпус на выходе заканчивается соплом. Punyu 1 1. A device for turbulization and acceleration of the flame front, comprising a housing with a set of obstacles-turbulators and an ignition source, characterized in that the set of obstacles-turbulators is made in the form of perforated plates with a thickness of at least 1 mm installed in the planes of the cross sections of the housing, with step, allowing you to install at least 2 plates, and the housing at the outlet ends with a nozzle.
Пункт 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстия в перфорированных пластинах имеют острые кромки и в соседних пластинах смещены относительно друг друга.  Clause 2. The device according to claim 1, characterized in that the holes in the perforated plates have sharp edges and are displaced relative to each other in adjacent plates.
Пункт 3. Устройство по п.1 или п.2, отличающееся тем, что размер отверстий во всех перфорированных пластинах остается постоянным или изменяется по мере удаления от источника зажигания, при этом в первой пластине диаметр отверстий превышает максимальный гасящий размер отверстий.  Clause 3. The device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the size of the holes in all the perforated plates remains constant or changes with distance from the ignition source, while in the first plate the diameter of the holes exceeds the maximum quenching size of the holes.
Пункт 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сопло выполнено дозвуковым или сверхзвуковым.  Clause 4. The device according to claim 1, characterized in that the nozzle is made subsonic or supersonic.
PCT/RU2013/000083 2013-02-06 2013-02-06 Device for turbulating and accelerating a flame front WO2014123441A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015104630A RU2015104630A (en) 2013-02-06 2013-02-06 Device for turbulization and flame front acceleration
PCT/RU2013/000083 WO2014123441A1 (en) 2013-02-06 2013-02-06 Device for turbulating and accelerating a flame front

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2013/000083 WO2014123441A1 (en) 2013-02-06 2013-02-06 Device for turbulating and accelerating a flame front

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014123441A1 true WO2014123441A1 (en) 2014-08-14

Family

ID=51299951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000083 WO2014123441A1 (en) 2013-02-06 2013-02-06 Device for turbulating and accelerating a flame front

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2015104630A (en)
WO (1) WO2014123441A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111413367A (en) * 2020-05-15 2020-07-14 天津大学 Combustion device and measurement system for realizing space multipoint spontaneous combustion
CN111997793A (en) * 2020-09-08 2020-11-27 天津大学 Flame multistage accelerating device and method for gas fuel engine

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU575454A1 (en) * 1976-03-25 1977-10-05 Государственный Научно-Исследовательский Энергетический Институт Им. Г.М.Кржижановского Pulsed detonation combustion chamber
SU868271A1 (en) * 1979-12-14 1981-09-30 Уральское Производственно-Техническое Предприятие "Уралэнергочермет" Pulsating-flow gas generator
US6408614B1 (en) * 1997-03-11 2002-06-25 Dornier Medizintechnik Gmbh High-power pressure wave source
RU2427756C1 (en) * 2010-03-04 2011-08-27 Учреждение Российской академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) Procedure for activation of detonation in pipe with combustible mixture and device for its implementation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU575454A1 (en) * 1976-03-25 1977-10-05 Государственный Научно-Исследовательский Энергетический Институт Им. Г.М.Кржижановского Pulsed detonation combustion chamber
SU868271A1 (en) * 1979-12-14 1981-09-30 Уральское Производственно-Техническое Предприятие "Уралэнергочермет" Pulsating-flow gas generator
US6408614B1 (en) * 1997-03-11 2002-06-25 Dornier Medizintechnik Gmbh High-power pressure wave source
RU2427756C1 (en) * 2010-03-04 2011-08-27 Учреждение Российской академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) Procedure for activation of detonation in pipe with combustible mixture and device for its implementation

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111413367A (en) * 2020-05-15 2020-07-14 天津大学 Combustion device and measurement system for realizing space multipoint spontaneous combustion
CN111413367B (en) * 2020-05-15 2021-08-13 天津大学 Combustion device and measurement system for realizing space multipoint spontaneous combustion
CN111997793A (en) * 2020-09-08 2020-11-27 天津大学 Flame multistage accelerating device and method for gas fuel engine

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015104630A (en) 2017-03-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2660734C2 (en) Pressure-gain combustion chamber (versions) and operating method thereof
JP5633909B2 (en) Burner system and method for increasing the efficiency of a heat exchanger
CN106352372B (en) A kind of supersonic speed detonation combustor and its detonation and self-holding control method
ES2398688T3 (en) Gas pulse blower
Frolov et al. Detonation initiation by controlled triggering of electric discharges
US20130042595A1 (en) Pulse detonation combustor with plenum
Bach et al. Spark ignition of single bluff-body premixed flames and annular combustors
JP5112510B2 (en) Pulse detonation engine operating with air-fuel mixture
US3674409A (en) Burners having a pulsating mode of operation
WO2014123441A1 (en) Device for turbulating and accelerating a flame front
RU2427756C1 (en) Procedure for activation of detonation in pipe with combustible mixture and device for its implementation
Frolov Natural-gas-fueled pulse-detonation combustor
Frolov Acceleration of the deflagration-to-detonation transition in gases: From Shchelkin to our days
WO2014123440A1 (en) Method and device for initiating detonation in a tube containing a combustible mixture
Li et al. Deflagration to detonation transition by hybrid obstacles in pulse detonation engines
WO2007099768A1 (en) Multijet igniting detonator, pulse combustor equipped with that detonator, and method for generating detonation
RU2493399C2 (en) Method to implement cyclic detonation burning in intermittent air jet engine
CN106640421B (en) A kind of pulse-knocking engine of side exhaust
Frolov et al. Deflagration-to-detonation transition in a kerosene-air mixture
RU2429409C1 (en) Initiation method of detonation in tube with flammable mixture and device for its implementation
Frolov et al. Initiation of gas detonation in a tube with a shaped obstacle
WO2014123442A1 (en) High-speed pulse detonation gas burner and method of functioning thereof
RU2537149C1 (en) Method to prevent detonation of flammable gas-air mixture in pipe and device for its implementation
Frolov et al. Initiation of heterogeneous detonation in tubes with coils and Shchelkin spiral
CN203703994U (en) Pulsed nozzle with spiral protection wind

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13874619

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2015104630

Country of ref document: RU

Kind code of ref document: A

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13874619

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1