WO2020117088A1 - Устройство пульсирующего горения с гашением ударной волны - Google Patents

Устройство пульсирующего горения с гашением ударной волны Download PDF

Info

Publication number
WO2020117088A1
WO2020117088A1 PCT/RU2018/000792 RU2018000792W WO2020117088A1 WO 2020117088 A1 WO2020117088 A1 WO 2020117088A1 RU 2018000792 W RU2018000792 W RU 2018000792W WO 2020117088 A1 WO2020117088 A1 WO 2020117088A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
channel
check valve
gas
shock wave
combustion
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000792
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ильгиз Амирович Ямилев
Андрей Алексеевич ВАКУТИН
Original Assignee
Ильгиз Амирович Ямилев
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 Ильгиз Амирович Ямилев filed Critical Ильгиз Амирович Ямилев
Priority to PCT/RU2018/000792 priority Critical patent/WO2020117088A1/ru
Publication of WO2020117088A1 publication Critical patent/WO2020117088A1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K15/00—Check valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C15/00—Apparatus in which combustion takes place in pulses influenced by acoustic resonance in a gas mass
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G10K11/04—Acoustic filters ; Acoustic resonators

Definitions

  • the invention relates to the field of energy and can be used in heating systems, in particular in water heaters or boilers; in utilization systems working on the flaring of associated gas; in electric power generation systems.
  • High energy pulse silencers are known.
  • an impulse is considered as high-energy oscillations of at least 20 frequencies, to suppress which, in addition to the standard silencer, an additional silencer is installed at special points.
  • an additional silencer is installed at special points.
  • cavities and pipes are set respectively.
  • this silencing method does not take into account some properties of the noise generated by exhaust gases.
  • the presented silencers do not take into account some properties of the noise generated by the operation of the check valves of the gas media of pulsating combustion devices.
  • the technical problem solved by the present invention is to reduce the noise level in pulsed combustion devices by reducing the noise level generated by the gas check valve.
  • a pulsating combustion device containing a combustion chamber and connected to it at least one channel for supplying a gas medium with at least one non-return valve installed in it, which contains at least one shock absorber installed in at least one channel supply of a gaseous medium before and / or after a check valve downstream of the gaseous medium.
  • the device comprises one channel for supplying a gas medium, which is a channel for supplying a combustible mixture, with a check valve installed in it, which is a mechanical check valve for a combustible mixture.
  • the device comprises two channels for supplying a gaseous medium, which are an air supply channel and a combustible gas supply channel, and the check valves installed therein are an air check valve and a combustible gas check valve, respectively.
  • the at least one shock absorber is at least one acoustic low pass filter having a cutoff frequency higher than the burning pulsation frequency of the pulsating combustion device.
  • At least one acoustic low-pass filter is a chamber with an entrance in the form of an opening or a gap and with an exit in the form of an opening or a gap or in the form of a pipe.
  • At least one shock absorber is a portion of the channel of the gaseous medium in the form of a curved pipe forming a rotation of the channel.
  • At least one shock absorber is a continuous sheet mounted with a gap relative to the walls of the channel, or a perforated sheet, or a sheet of metal felts.
  • the at least one acoustic filter may include a continuous sheet placed in the chamber, installed with a gap relative to the walls of the chamber, or a perforated sheet, or a metal lock sheet.
  • the check valve can be fixed in the required position using elastic elements.
  • the actual problem of pulsating combustion devices is significant vibration and noise during operation.
  • the silencers and vibration isolators used there remains a high level of noise created by a significant level of vibration of the structural elements of the pulsating combustion device.
  • shock wave is a source of vibration and high intensity noise.
  • shock wave In pulsed combustion devices, a shock wave is generated by check valves.
  • the shock wave has the greatest effect on the walls of the check valve in which it forms. This effect is similar to a blow by a solid object and creates vibrations of the walls of the valve of high intensity.
  • the shock wave affects all structural elements of the pulsating combustion device along its propagation path. This effect creates vibrations and high-intensity noise.
  • dynamic check valves and mechanical check valves can be used.
  • the formation of a shock wave in a dynamic non-return valve occurs during the backward flow of flue gases during braking and collision of oncoming gas flows, which are amplified by the fact that the speed of the rear particles is greater than the speed of the front particles, while the steepness of the change in the flow velocity increases, which creates a shock wave.
  • the formation of a shock wave in a mechanical check valve is similar in nature to the formation of a shock wave in a dynamic check valve.
  • a shock wave in a mechanical non-return valve is created by instantaneous braking of the reverse gas flow.
  • check valves can generate vibrations and acoustic noise. These vibrations are created when the locking movable element of the check valve strikes the stationary body of the check valve, and vibration and noise are created.
  • the movable element of the valve is capable of creating vibrations from the impact of the movable element on the fixed body of the check valve.
  • vibrations are generated by a sudden change in gas flow rate.
  • the reduction of vibration and acoustic noise is achieved by installing shock absorbers on the path of its propagation.
  • shock absorbers are not obvious to specialists of pulsating combustion, since only explosive combustion in the combustion chamber is considered to be a source of vibration and acoustic noise.
  • the shock wave is generated by a check valve.
  • a shock wave is generated as follows.
  • the membranes are moved from the position open state of the valve to the closed position of the valve by the reverse gas flow.
  • the membranes reach the closed position of the valve, the gas flow quickly, almost instantly, stops, which creates a shock wave in the gas, similar to the formation of a water hammer when the hydraulic check valve is closed.
  • a pressure increase jump occurs on one side of the non-return mechanical valve, and a pressure decrease jump occurs on the other side of the valve.
  • the valve experiences a shock like a solid object, and in a gaseous medium, a shock wave propagates to both sides of the check valve, which is a source of vibration and high intensity noise.
  • the shock wave has great energy, lasts a short time and has a short front. At each working period of pulsations of the gas flow, a shock wave is formed. The formation time of a shock wave and its transients is many times shorter than the working period of gas flow pulsations. Therefore, each individual shock wave behaves as a single impact.
  • Low-pass filters have a frequency-dependent effect on gas flow fluctuations.
  • Low-pass filters have a cutoff frequency. Filters do not affect vibrations with a frequency below the cutoff frequency and reduce the amplitude of the gas flow oscillations with frequencies above the cutoff frequency.
  • the cut-off frequency of the low-pass filter is:
  • / 0 is the cutoff frequency of the low-pass filter, Hz
  • R is the active resistance of the output of the low-pass filter chamber, Pa ⁇ sec / m,
  • C is the acoustic capacity of the low-pass filter chamber, m b / Pa.
  • the acoustic capacity of the camera is equal to:
  • g is the adiabatic coefficient
  • V is the chamber volume, m 3 .
  • Active resistance is equal to:
  • R is the active resistance, Pa - sec 1m 3 ,
  • q is the gas flow rate, m 3 / s.
  • c is the dimensionless coefficient of the shape of the resistance (for the hole 0.5)
  • AR is the pressure drop across the resistance, Pa
  • c is the dimensionless coefficient of the shape of the resistance (for the hole 0.5)
  • p is the density of the gas, kg / m 3 ,
  • q is the gas flow rate, m 3 / s.
  • R is the active resistance, Pa - sec / m 3 ,
  • c is the dimensionless coefficient of the shape of the resistance (for the hole 0.5)
  • p is the density of the gas, kg / m 3 ,
  • R is the active resistance, Pa - sec / m 3 ,
  • c is the dimensionless coefficient of the shape of the resistance (for the hole 0.5)
  • p is the density of the gas, kg / m 3 ,
  • FIG. Figure 1 shows graphs of the pressure drop across the resistance and active resistance versus the gas flow rate for laminar and turbulent flows.
  • FIG. 2 shows a pulsating combustion device with mechanical check valves for air and combustible gas.
  • FIG. 3 - a pulsed combustion device with a dynamic air check valve and a mechanical combustible gas check valve.
  • FIG. 5 is a graph of fluctuations in gas flow and pressure as it passes through a check valve.
  • FIG. 6 design of a check valve with clamping springs.
  • FIG. 1 shows the dependence of the differential pressure DR on the resistance and active resistance R on the gas flow q for a laminar flow in zone 1 and a turbulent flow in zone 2.
  • FIG. 2 shows a pulsating combustion device in which shock absorbers are installed at the inlet and outlet of the air check valve 3 and the combustible gas check valve 4 to reduce the influence of the shock wave.
  • Shock wave absorbers can be in the form of low-frequency acoustic filters 5 and 6, which are small chambers 7, 8 and 9, the cavities of which are separated by partitions.
  • Cameras 7, 8 and 9 have non-coaxial inputs and outputs and connected in series by openings 10 and 11 and / or slots in the partitions, and / or short pipes 12.
  • the acoustic filters 5 and 6 of the lower frequencies are selected with a cutoff frequency higher than the burning pulsation frequency of the pulsating combustion device.
  • shock wave absorbers can be made in the form of a sheet of metal lock 13, or a bent pipe section 14 that forms the rotation of the channel, or a continuous screen 15 located with a gap relative to the channel walls, or a perforated screen 16 installed on the path of shock wave propagation.
  • Pulsed combustion devices can have different implementations and differ in the way the combustible mixture is formed, in the number and type of check valves used.
  • FIG. 2 shows a pulsating combustion device comprising a mechanical air check valve 3 and two mechanical combustible gas check valves 4 with separate supply of air and combustible gas to the combustion chamber 17, placed in a vessel 18 with a coolant 19.
  • Combustible gas through a combustible gas supply channel containing a reverse a combustible gas valve 4, a gas pipe 20, a gas annular chamber 21, a gas gap 22 enters the combustion chamber 17.
  • Air enters the combustion chamber 17 through the air supply channel containing an air check valve 3, a pipe 23, a pipe 24.
  • a shock wave can be generated by a non-return aerodynamic valve.
  • the formation of a shock wave in a dynamic check valve occurs during the backward flow of flue gases during braking and collision of oncoming gas flows, which are amplified by the fact that the speed of the rear particles is greater than the speed of the front particles, while the slope is changes in flow rate increase, which creates a shock wave.
  • FIG. 3 shows a dynamic non-return air valve 25. Through channel 26, air enters the air chamber 27 and through the dynamic non-return valve 23 enters the combustion chamber 17. Channel 28 exhausts flue gases. Through a mechanical check valve 29 of combustible gas through a channel 30, combustible gas enters the combustion chamber 17.
  • FIG. 4 shows a fragment of a pulsating combustion device with preliminary preparation of a combustible mixture.
  • Combustible gas through channel 31 enters a stream of air moving in channel 32.
  • the combustible mixture enters the chamber 34 of the finished combustible mixture.
  • Combustible gas enters the combustion chamber 17 through a check valve 35 of the combustible mixture and a flame arrester 36.
  • FIG. 2 shows a mechanical air check valve 3 comprising a plate 37 with passage openings and travel stops 38 for membranes 39. Also in FIG. 2 shows a mechanical flammable gas check valve 4 comprising a plate 40 with passage openings and travel stops 41 for membranes 42.
  • the membranes 39 When air moves into the combustion chamber 17, the membranes 39 are pressed against the stoppers 38 and the passage openings of the plate 37 are open. At the beginning of combustion and an increase in pressure in the combustion chamber 17, the check valve 3 closes, and the membranes 39 are moved by the reverse gas flow from the restrictors 38 to the plate 37 and the passage openings in the plate 37 are closed.
  • FIG. Figure 5 shows a conditional example of operating fluctuations in gas flow through a check valve.
  • Line 43 shows the gas flow in the forward direction.
  • Line 44 shows the gas flow in the opposite direction.
  • Line 45 shows the jump in speed when closing the valve.
  • Line 46 shows the pressure on the check valve on the side of the gas flow.
  • Line 47 shows a rarefaction jump creating a shock wave on the gas inflow side.
  • Line 48 shows the pressure on the valve on the side of the combustion chamber.
  • Line 49 shows a pressure surge creating a shock wave on the side of the combustion chamber.
  • shock wave occurs at all check valves in gaseous media.
  • the intensity of the shock wave depends on the flow characteristics of the check valves.
  • FIG. 6 shows the design of the check valve, where to the plate 50 with passage holes of the membrane 51 pressed spring 52, which are located in the limiters 53 of the stroke of the membranes.
  • a shock wave acts on the check valve plate 37 to which the membranes 39 adhere, similar to being hit by a solid object. Since the plate 37 has its own resonant frequency, the plate 37 begins to vibrate at this natural frequency. When the shock wave of the next beat acts on the check valve plate 37, the plate 37 continues to vibrate from the action of the previous shock wave, so the next shock wave increases the vibration amplitude of the plate 37. The vibration amplitude of the plate 37 increases until the energy added by the shock waves is equalized with energy losses of oscillations of the plate 37 during the time between the effects of the shock wave.
  • Loss of vibration energy of the plate 37 occurs in the plastic deformations of the plate 37, during the transfer of energy to the vibrations of the gas surrounding the valve and during the transfer of vibrations to the device body.
  • the valve plate 37 is made of elastic material, so the loss of plastic deformation is small, and almost all the energy of the shock wave on the valve plate 37 is converted into noise and vibration.
  • a shock wave In the atmosphere, a shock wave is manifested by noise in intensity significantly exceeding the intensity of noise created by flow pulsations.
  • the shock wave When a shock wave acts on the walls, the shock wave partially reflects and partially transfers energy to the wall, which leads to wall vibrations at natural resonant frequencies.
  • the following impacts of the shock wave swing the amplitude of wall oscillations to large values. Therefore, the walls of the valve and the walls of the shock absorbers installed on the non-return valve vibrate with large amplitudes and large accelerations.
  • a vibration isolator 54 between the non-return valve 3 with shock absorbers installed on it and the combustion chamber 17, as well as a vibration isolator 55 between the non-return valve 4 with shock absorbers installed on it and the combustion chamber 17.
  • the design of the check valve with shock absorbers installed may require additional measures to be fixed in the required position in space, such as, for example, installing additional elastic elements 56 and 57 between the body of the check valve 3 and the walls 58 of the fencing chamber 59.
  • the shock wave is repeatedly reflected, giving off almost all the energy to the vibrations of the walls 58 of the enclosure 59 and, accordingly, to the acoustic noise of the outer surface of the walls 56 58 and vibrations.
  • the walls 58 of the fencing chamber 59 are also affected by the noise created by the vibrations of the walls 60 and 61 of the low-frequency acoustic filters 5.
  • the noise is repeatedly reflected from the inner surface of the walls 58 of the fencing chamber 59, as a result of which the noise gives up almost all the energy to the vibrations of the walls 58, these vibrations propagate in the form of vibrations and acoustic noise of the outer surface of the walls 58 of the fencing chamber 59.
  • a coating of sound-absorbing materials 62 of the inner surfaces of the walls 58 of the fencing chamber 59 can be applied.
  • the use of rigid structures of cavities and channels allows to reduce the noise level that is created by the impact of a shock wave on the walls of cavities and channels. For example, cylindrical and spherical walls, when exposed to a shock wave, create less noise than flat walls of the same thickness.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах отопления, в частности в водонагревателях или бойлерах; системах утилизации; в системах выработки электрической энергии. Устройство пульсирующего горения, содержащее камеру сгорания, соединенный с ней канал подачи газовой среды с установленным в нем обратным клапаном, содержащее гаситель ударной волны, установленный в канале подачи газовой среды до и/или после обратного клапана по потоку газовой среды. Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является снижение уровня шума в устройствах пульсирующего горения путем снижения уровня шума, создаваемого обратным клапаном газовой среды.

Description

Устройство пульсирующего горения с гашением ударной волны
Область техники
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах отопления, в частности в водонагревателях или бойлерах; в системах утилизации, работающих на сжигании попутного газа; в системах выработки электрической энергии.
Предыдущий уровень техники
Известны глушители импульсов высокой энергии. Например, в патенте US 3807527 импульс рассматривается как высокоэнергетические колебания по меньшей мере 20 частот, для подавления которых, кроме стандартного глушителя, устанавливают дополнительный глушитель в специальных точках. В устройстве для гашения импульса в выхлопной системе по патенту US 3807527 в местах расположения точек максимальных и минимальных амплитуд давления устанавливают соответственно полости и трубы. Однако данный метод глушения не учитывает некоторые свойства шума, создаваемого выхлопными газами.
Известно глушение энергии акустической ударной волны, образованной взрывом, например, заряда аммотола, при попадании на отражающие поверхности, при прохождении расширительных камер (Ю.Н.Рябинин и В.Н.Родионов «О затухании ударных волн, распространяющихся в каналах», Физика взрыва. Сб. JV°3, 1955). Однако представленные методы глушения ударной волны не учитывают необходимости обеспечения большого расхода газа при малом перепаде давления через гасители ударной волны.
Известны устройства пульсирующего горения с глушителями. В устройстве по патенту US 4919085 в канале подачи воздуха установлен глушитель в виде полости, с одной стороны подключенной к вентилятору и с другой стороны - к полости, ограждающей воздушный клапан.
Наиболее близким к предложенному является устройство пульсирующего горения по патенту US 4259928, содержащее канал подачи воздуха, канал подачи горючего газа, в котором в канале подачи воздуха установлен глушитель, сопряженный с воздушным обратным клапаном, и кроме того этот глушитель сам находится внутри ограждающей полости, которая расположена в сосуде с водой.
Однако представленные глушители не учитывают некоторые свойства шума, создаваемого работой обратных клапанов газовых сред устройств пульсирующего горения.
Сущность изобретения
Технической проблемой, решаемой настоящим изобретением, является снижение уровня шума в устройствах пульсирующего горения путем снижения уровня шума, создаваемого обратным клапаном газовой среды.
Техническая проблема решается устройством пульсирующего горения, содержащим камеру сгорания и соединенные с ней по меньшей мере один канал подачи газовой среды с установленным в нем по меньшей мере одним обратным клапаном, которое содержит по меньшей мере один гаситель ударной волны, установленный по меньшей мере в одном канале подачи газовой среды до и/или после обратного клапана по потоку газовой среды.
В одном варианте выполнения устройство содержит один канал подачи газовой среды, представляющий собой канал подачи горючей смеси, с установленным в нем обратным клапаном, который представляет собой механический обратный клапан горючей смеси. В другом варианте выполнения устройство содержит два канала подачи газовой среды, представляющие собой канал подачи воздуха и канал подачи горючего газа, а установленные в них обратные клапаны представляют собой обратный клапан воздуха и обратный клапан горючего газа соответственно.
В предпочтительном варианте выполнения по меньшей мере один гаситель ударной волны представляет собой по меньшей мере один акустический фильтр нижних частот, имеющий частоту среза выше частоты пульсаций горения устройства пульсирующего горения.
При этом по меньшей мере один акустический фильтр нижних частот представляет собой камеру с входом в виде отверстия или щели и с выходом в виде отверстия или щели, либо в виде трубы.
В другом варианте выполнения по меньшей мере один гаситель ударной волны представляет собой участок канала газовой среды в виде изогнутой трубы, образующей поворот канала.
Еще в одном варианте выполнения по меньшей мере один гаситель удара представляет собой сплошной лист, установленный с зазором относительно стенок канала, или перфорированный лист, или лист металловойлока.
Кроме того, по меньшей мере один акустический фильтр может включать размещенный в камере сплошной лист, установленный с зазором относительно стенок камеры, или перфорированный лист, или лист металловойлока.
Кроме того, на стенках по меньшей мере одного гасителя удара целесообразно разместить звукопоглощающий материал.
Кроме того, по меньшей мере в одном канале газовой среды между обратным клапаном и камерой сгорания целесообразно установить виброизолятор. При этом по меньшей мере в одном канале газовой среды обратный клапан можно фиксировать в необходимом положении с помощью упругих элементов.
Целесообразно, чтобы запорные элементы механического обратного клапана были подпружинены в направлении закрытия.
В технике изучены и описаны различные виды акустического шума. Например, акустический шум, создаваемый пульсациями давления и пульсациями расхода при работе компрессоров, вентиляторов, или акустический шум, создаваемый ударной волной при мощном искровом разряде, или акустический шум, создаваемый ударной волной при взрыве.
Актуальной проблемой устройств пульсирующего горения являются значительные вибрации и шум при работе. Применяемые глушители в каналах отвода дымовых газов и поставки воздуха, а также виброизоляция устройства пульсирующего горения от места установки и от гидравлической системы, дают невысокий результат. При этом, несмотря на применяемые глушители и виброизоляторы, остается высокий уровень шума, создаваемый значительным уровнем вибрации элементов конструкции устройства пульсирующего горения.
Специалистам в области пульсирующего горения очевидно, что основным источником вибраций и акустического шума в установках пульсирующего горения является камера сгорания, в которой, как принято считать, согласно описанию патента US 4919085, происходит взрывное горение.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что в процессе работы устройств пульсирующего горения камерой сгорания создаются незначительные вибрации многократно ниже разрешенного уровня и, соответственно, создаваемый этими вибрациями акустический шум также значительно ниже разрешенного уровня. В устройствах пульсирующего горения единственным источником значительных вибраций и акустического шума являются обратные клапаны газовых сред.
При работе устройств пульсирующего горения обратными клапанами газовых сред образуется крутой фронт изменения скорости и давления газового потока, который по своим свойствам похож на ударную волну. Далее для этого явления используется формулировка ударная волна. Ударная волна является источником вибраций и шума высокой интенсивности. Таким образом, при работе устройства пульсирующего горения, создается дополнительные вибрация и шум высокой интенсивности от ударной волны.
В устройствах пульсирующего горения ударная волна формируется обратными клапанами. Наибольшее воздействие ударная волна оказывает на стенки обратного клапана, в котором она образуется. Это воздействие подобно удару твердым предметом и создает вибрации стенок клапана высокой интенсивности. Кроме того, ударная волна воздействует на все элементы конструкции устройства пульсирующего горения по пути своего распространения. Это воздействие создает вибрации и шум высокой интенсивности.
В устройствах пульсирующего горения могут применяться динамические обратные клапаны и механические обратные клапаны. Образование ударной волны в динамическом обратном клапане происходит при обратном потоке дымовых газов при торможении и столкновении встречных потоков газа, которые усиливаются тем, что скорость задних частиц больше скорости передних частиц, при этом крутизна изменения скорости потока увеличивается, что создает ударную волну. Образование ударной волны в механическом обратном клапане по своей природе похоже на образование ударной волны в динамическом обратном клапане. Ударная волна в механическом обратном клапане создается при мгновенном торможении обратного потока газа.
В различных областях техники известно, что обратные клапаны могут создавать вибрации и акустический шум. Эти вибрации создаются при ударе запирающего подвижного элемента обратного клапана по неподвижному корпусу обратного клапана, при этом создаются вибрация и шум.
Специалистам очевидно, что подвижный элемент клапана способен создать вибрации от удара подвижного элемента по неподвижному корпусу обратного клапана. Однако в устройствах пульсирующего горения вибрации создаются внезапным изменением скорости газового потока.
Для специалистов по устройствам пульсирующего горения единственным очевидным источником вибрации и акустического шума является взрывное горение в камере сгорания.
Согласно настоящему изобретению снижение вибрации и акустического шума, достигается установкой гасителей ударной волны на пути ее распространения. Такое решение не является очевидным для специалистов пульсирующего горения, поскольку источником вибраций и акустического шума считается только взрывное горение в камере сгорания.
Ударная волна создается обратным клапаном. На примере механического обратного клапана газовой среды ударная волна образуется следующим образом. При закрытии механического обратного клапана производится перемещение мембран из положения открытого состояния клапана в положение закрытого состояния клапана обратным потоком газа. В момент достижения мембранами положения закрытого состояния клапана, поток газа быстро, практически мгновенно, останавливается, что создает ударную волну в газе, подобно образованию гидроудара при закрытии обратного гидравлического клапана. При этом на одной стороне обратного механического клапана происходит скачек повышения давления, а на другой стороне клапана происходит скачек понижения давления. Клапан испытывает воздействие, подобное удару твердым предметом, а в газовой среде в обе стороны от обратного клапана распространяется ударная волна, которая является источником вибраций и шума высокой интенсивности.
Ударная волна обладает большой энергией, длится короткое время и имеет короткий фронт. На каждом рабочем периоде пульсаций расхода газа образуется ударная волна. Время формирования ударной волны и ее переходных процессов многократно меньше рабочего периода пульсаций расхода газа. Поэтому каждая отдельная ударная волна ведет себя как одиночное воздействие.
Теоретическое обоснование изобретения
Для пояснения реализуемых технических решений, воспользуемся свойствами фильтров нижних частот по аналогии с электротехникой, поскольку в электротехнике свойства фильтра нижних частот известны и изучены.
Фильтры нижних частот оказывают зависимое от частоты влияние на колебания расхода газа. Фильтры нижних частот имеют частоту среза. На колебания с частотой ниже частоты среза фильтры не оказывают влияния и уменьшают амплитуду колебаний расхода газа с частотами выше частоты среза. Частота среза фильтра нижних частот равна:
1
/о = (1)
2 яКС
где /0 - частота среза фильтра нижних частот, Гц,
R - активное сопротивление выхода камеры фильтра нижних частот, Па · сек / м ,
С - акустическая емкость камеры фильтра нижних частот, мъ / Па . Акустическая емкость камеры равна:
Figure imgf000010_0001
где С - акустическая емкость, м / Па ,
g - коэффициент адиабаты,
0 - среднее давление в камере, Па ,
V - объем камеры, м 3.
Активное сопротивление равно:
АР
R (3)
Ч
где R - активное сопротивление, Па - сек 1м 3 ,
АР - перепад давления на сопротивлении, Па ,
q - расход потока газа, м3 /сек .
Перепад давления на сопротивлении при ламинарном потоке равен:
DR = ур—
А (4) где АР - перепад давления на сопротивлении, Па ,
c - безразмерный коэффициент формы сопротивления (для отверстия 0,5),
р - плотность газа, кг! мъ , q - расход потока газа, м3 /сек .
А - площадь поперечного сечения сопротивления, м 2.
Перепад давления на сопротивлении при турбулентном потоке равен:
Л Р = ХР 2 А (5)
где АР - перепад давления на сопротивлении, Па ,
c - безразмерный коэффициент формы сопротивления (для отверстия 0,5),
р - плотность газа, кг/м3 ,
q - расход потока газа, м3 /сек .
А - площадь поперечного сечения сопротивления, м2.
Активное сопротивление при ламинарном потоке рано:
Figure imgf000011_0001
где R - активное сопротивление, Па - сек/м3 ,
c - безразмерный коэффициент формы сопротивления (для отверстия 0,5),
р - плотность газа, кг/м3 ,
А - площадь поперечного сечения сопротивления, м 2.
Активное сопротивление при турбулентном потоке рано:
R = XP{A- (б)
где R - активное сопротивление, Па - сек/м 3 ,
c - безразмерный коэффициент формы сопротивления (для отверстия 0,5),
р - плотность газа, кг/м3 ,
А - площадь поперечного сечения сопротивления, м2. Перечень чертежей
На Фиг. 1 представлены графики зависимости перепада давления на сопротивлении и активного сопротивления от расхода потока газа для ламинарного и турбулентного потоков.
На фиг 2 показано устройство пульсирующего горения с механическими обратными клапанами воздуха и горючего газа.
На Фиг. 3 - устройство пульсирующего горения с динамическим обратным клапаном воздуха и механическим обратным клапаном горючего газа.
На Фиг. 4 - механический обратный клапан готовой горючей смеси.
На Фиг. 5 - графики колебаний расхода и давления газа при его прохождении через обратный клапан.
На Фиг. 6 - конструкция обратного клапана с прижимными пружинами.
Примеры предпочтительного выполнения изобретения
На Фиг. 1 показана зависимость перепада давления DR на сопротивлении и активного сопротивления R от расхода газа q для ламинарного потока в зоне 1 и турбулентного потока в зоне 2.
На Фиг. 2 показано устройство пульсирующего горения, в котором для снижения влияния ударной волны на входе и выходе обратного клапана 3 воздуха и обратного клапана 4 горючего газа установлены гасители ударной волны. Гасители ударной волны могут быть в виде акустических фильтров 5 и 6 нижних частот, которые представляют собой малые камеры 7, 8 и 9, полости которых отделены перегородками. Камеры 7, 8 и 9 имеют не соосные входы и выходы и соединены последовательно отверстиями 10 и 11 и/или щелями в перегородках, и/или короткими трубами 12. При этом акустические фильтры 5 и 6 нижних частот подбирают с частотой среза выше частоты пульсаций горения устройства пульсирующего горения. Кроме того, гасители ударной волны могут быть выполнены в виде листа металловойлока 13, или изогнутого участка 14 трубы, образующего поворот канала, или сплошного экрана 15, расположенного с зазором относительно стенок канала, или перфорированного 16 экрана, установленных на пути распространения ударной волны.
Устройства пульсирующего горения могут иметь различную реализацию и отличаться способом формирования горючей смеси, количеством и типом используемых обратных клапанов.
На Фиг. 2 показано устройство пульсирующего горения, содержащее механический обратный клапан 3 воздуха и два механических обратных клапана 4 горючего газа при раздельной подаче воздуха и горючего газа в камеру 17 сгорания, помещенную в сосуд 18 с теплоносителем 19. Горючий газ через канал подачи горючего газа, содержащий обратный клапан 4 горючего газа, газовый патрубок 20, газовую кольцевую камеру 21 , газовую щель 22 поступает в камеру 17 сгорания. Воздух поступает в камеру 17 сгорания по каналу подачи воздуха, содержащего обратный клапан 3 воздуха, патрубок 23, трубу 24.
В устройствах пульсирующего горения ударная волна может формироваться обратным аэродинамическим клапаном. Образование ударной волны в динамическом обратном клапане происходит при обратном потоке дымовых газов при торможении и столкновении встречных потоков газа, которые усиливаются тем, что скорость задних частиц больше скорости передних частиц, при этом крутизна изменения скорости потока увеличивается, что создает ударную волну. На Фиг. 3 показан динамический обратный воздушный клапан 25. По каналу 26 воздух поступает в воздушную камеру 27 и через динамический обратный клапан 23 поступает в камеру 17 сгорания. По каналу 28 отводятся обратные дымовые газы. Через механический обратный клапан 29 горючего газа по каналу 30 горючий газ поступает в камеру 17 сгорания.
На Фиг. 4 показан фрагмент устройства пульсирующего горения с предварительным приготовлением горючей смеси. Горючий газ через канал 31 поступает в поток воздуха, движущийся в канале 32. По каналу 33 горючая смесь поступает в камеру 34 готовой горючей смеси. В камеру 17 сгорания горючий газ поступает через обратный клапан 35 горючей смеси и пламегаситель 36.
Работа механических обратных клапанов газовых сред одинакова и будет описана на примере механического обратного клапана воздуха. На Фиг. 2 показан механический обратный клапан 3 воздуха, содержащий пластину 37 с проходными отверстиями и ограничителями 38 хода мембран 39. Также на Фиг. 2 показан механический обратный клапан 4 горючего газа, содержащий пластину 40 с проходными отверстиями и ограничителями 41 хода мембран 42.
При движении воздуха в камеру сгорания 17 мембраны 39 прижаты к ограничителям 38 и проходные отверстия пластины 37 открыты. При начале горения и росте давления в камере 17 сгорания происходит закрытие обратного клапана 3, при этом мембраны 39 перемещаются обратным потоком газа от ограничителей 38 к пластине 37 и закрывают проходные отверстия в пластине 37.
В момент достижения мембранами 39 пластины 37 и перекрытия проходных отверстий в пластине 37 поток газа быстро и практически мгновенно останавливается, что создает ударную волну. При этом на одной стороне пластины 37 происходит скачок повышения давления, а на другой стороне пластины 37 происходит скачок понижения давления. Пластина 37 испытывает воздействие, подобное удару твердым предметом, а в газовой среде распространяется ударная волна, которая создает шум высокой интенсивности.
На Фиг. 5 приведен условный пример рабочих колебаний расхода газа через обратный клапан. Линия 43 показывает расход газа в прямом направлении. Линия 44 показывает расход газа в обратном направлении. Линия 45 показывает скачок скорости при закрытии клапана. Линия 46 показывает давление на обратном клапане на стороне притока газа. Линия 47 показывает скачок разрежения, создающий ударную волну на стороне притока газа. Линия 48 показывает давление на клапане на стороне камеры сгорания. Линия 49 показывает скачок давления, создающий ударную волну на стороне камеры сгорания.
В устройствах пульсирующего горения ударная волна возникает на всех обратных клапанах газовых сред. Интенсивность ударной волны зависит от расходных характеристик обратных клапанов.
Для понижения интенсивности генерируемого удара потока газа, если возможно, вносятся изменения в конструкцию узла, который генерирует удар в газовой среде. Например, интенсивность удара уменьшится, если все мембраны механического обратного клапана газовых сред будут подпружинены в направлении закрывания, что приведет к уменьшению скорости обратного потока в момент закрытия обратного клапана. На Фиг. 6 показана конструкция обратного клапана, где к пластине 50 с проходными отверстиями мембраны 51 прижимаются пружинами 52, которые расположены в ограничителях 53 хода мембран.
В устройствах пульсирующего горения (Фиг. 2) ударная волна воздействует на пластину 37 обратного клапана, к которой прилегают мембраны 39, подобно удару твердым предметом. Поскольку пластина 37 имеет собственную резонансную частоту, то пластина 37 начинает вибрировать на этой собственной частоте. Когда на пластину 37 обратного клапана воздействует ударная волна следующего такта, пластина 37 еще продолжает вибрировать от воздействия предыдущей ударной волны, поэтому очередная ударная волна увеличивает амплитуду колебаний пластины 37. Увеличение амплитуды колебаний пластины 37 происходит до тех пор, пока добавляемая ударными волнами энергия не выровняется с потерями энергии колебаний пластины 37 за время между воздействиями ударной волны. Потери энергии колебаний пластины 37 происходят в пластических деформациях пластины 37, при передаче энергии в колебания окружающего клапан газа и при передаче вибраций на корпус устройства. Обычно пластина 37 клапана выполнена из упругого материала, поэтому потери пластических деформаций малы, а почти вся энергия воздействия ударной волны на пластину 37 клапана преобразуется в шум и вибрацию.
В атмосфере ударная волна проявляется шумом по интенсивности значительно превышающим интенсивность шума, создаваемого пульсациями расхода. При воздействии ударной волны на стенки ударная волна частично отражается и частично передает энергию стенке, что приводит к колебаниям стенок на собственных резонансных частотах. Периодически следующие воздействия ударной волны раскачивают амплитуду колебаний стенок до больших величин. Поэтому стенки клапана и стенки установленных на обратном клапане гасителей ударной волны вибрируют с большими амплитудами и большими виброускорениями. Для предотвращения распространения этих вибраций можно установить виброизолятор 54 между обратным клапаном 3 с установленными на нем гасителями ударной волны и камерой 17 сгорания, а также виброизолятор 55 между обратным клапаном 4 с установленными на нем гасителями ударной волны и камерой 17 сгорания. При высоком коэффициенте виброизоляции конструкция обратного клапана с установленными гасителями ударной волны может потребовать дополнительных мер для фиксации в необходимом положении в пространстве, таких как, например, установка дополнительных упругих элементов 56 и 57 между корпусом обратного клапана 3 и стенками 58 камеры 59 ограждения.
В замкнутом объеме, например, в камере 59 ограждения обратного клапана 3 воздуха, ударная волна многократно отражается, отдавая почти всю энергию колебаниям стенок 58 камеры 59 ограждения и, соответственно, акустическому шуму наружной поверхности стенок 56 58 и вибрациям. На стенки 58 камеры 59 ограждения, кроме распространяющейся ударной волны, воздействует и шум, созданный колебаниями стенок 60 и 61 акустических фильтров 5 нижних частот. Шум многократно отражается от внутренней поверхности стенок 58 камеры 59 ограждения, в результате чего шум отдает почти всю энергию колебаниям стенок 58, эти колебания распространяются в виде вибраций и акустического шума наружной поверхности стенок 58 камеры 59 ограждения. Для эффективного погашения реверберации можно применить покрытие звукопоглощающими материалами 62 внутренних поверхностей стенок 58 камеры 59 ограждения. Применение жестких конструкций полостей и каналов позволяет понизить уровень шума, который создается воздействием ударной волны на стенки полостей и каналов. Например, цилиндрические и сферические стенки, при воздействии ударной волны, создают меньше шума, чем плоские стенки одинаковой толщины.

Claims

Формула изобретения
1. Устройство пульсирующего горения, содержащее камеру сгорания, соединенный с ней по меньшей мере один канал подачи газовой среды с установленным в нем по крайней мере одним обратным клапаном, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере один гаситель ударной волны, установленный по меньшей мере в одном канале подачи газовой среды до и/или после обратного клапана по потоку газовой среды.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит один канал подачи газовой среды, представляющий собой канал подачи горючей смеси, с установленным в нем обратным клапаном, который представляет собой обратный клапан горючей смеси.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит два канала подачи газовой среды, представляющие собой канал подачи воздуха и канал подачи горючего газа, а установленные в них обратные клапаны представляют собой обратный клапан воздуха и обратный клапан горючего газа соответственно.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере один гаситель ударной волны представляет собой по меньшей мере один акустический фильтр нижних частот, имеющий частоту среза выше частоты пульсаций горения устройства пульсирующего горения.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что по меньшей мере один акустический фильтр нижних частот представляет собой камеру с входом в виде отверстия или щели и с выходом в виде отверстия или щели.
6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что по меньшей мере один акустический фильтр нижних частот представляет собой камеру с входом в виде отверстия или щели и с выходом в виде трубы.
7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меньшей мере один гаситель ударной волны представляет собой участок канала газовой среды в виде изогнутой трубы, образующей поворот канала.
8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по меныпей мере один гаситель удара представляет собой сплошной лист, установленный с зазором относительно стенок канала, или перфорированный лист, или лист металловойлока.
9. Устройство по п. 5 или п. 6, отличающееся тем, что по меньшей мере один акустический фильтр включает размещенный в камере сплошной лист, установленный с зазором относительно стенок камеры, или перфорированный лист, или лист металловойлока.
10. Устройство по любому из пп. 4, 7, 8, отличающееся тем, что на стенках гасителя удара размещен звукопоглощающий материал.
11. Устройство по любому из п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере в одном канале газовой среды между обратным клапаном и камерой сгорания установлен виброизолятор.
12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что по меньшей мере в одном канале газовой среды обратный клапан фиксирован в необходимом положении с помощью упругих элементов.
13. Устройство по п. 2 или п. 3, отличающееся тем, что запорные элементы механического обратного клапана подпружинены в направлении закрытия.
PCT/RU2018/000792 2018-12-06 2018-12-06 Устройство пульсирующего горения с гашением ударной волны WO2020117088A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2018/000792 WO2020117088A1 (ru) 2018-12-06 2018-12-06 Устройство пульсирующего горения с гашением ударной волны

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2018/000792 WO2020117088A1 (ru) 2018-12-06 2018-12-06 Устройство пульсирующего горения с гашением ударной волны

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020117088A1 true WO2020117088A1 (ru) 2020-06-11

Family

ID=70974701

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000792 WO2020117088A1 (ru) 2018-12-06 2018-12-06 Устройство пульсирующего горения с гашением ударной волны

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2020117088A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4697358A (en) * 1986-09-09 1987-10-06 John A. Kitchen Ltd. Pulse combustion apparatus
US4869289A (en) * 1986-04-16 1989-09-26 Hoerbiger Ventilwerke Aktiengesellschaft Adjustable compressor valve which can accommodate changing operating conditions in the compressor to which it is attached
JPH03225101A (ja) * 1990-01-30 1991-10-04 Toho Gas Co Ltd 火炎伝播燃焼器の消火音低減装置
US5106292A (en) * 1990-07-10 1992-04-21 Paloma Kogyo Kabushiki Kaisha Pulse combustion device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4869289A (en) * 1986-04-16 1989-09-26 Hoerbiger Ventilwerke Aktiengesellschaft Adjustable compressor valve which can accommodate changing operating conditions in the compressor to which it is attached
US4697358A (en) * 1986-09-09 1987-10-06 John A. Kitchen Ltd. Pulse combustion apparatus
JPH03225101A (ja) * 1990-01-30 1991-10-04 Toho Gas Co Ltd 火炎伝播燃焼器の消火音低減装置
US5106292A (en) * 1990-07-10 1992-04-21 Paloma Kogyo Kabushiki Kaisha Pulse combustion device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100306339B1 (ko) 내연기관용 소음기
US2138510A (en) Muffler
EP2354482A1 (en) Exhaust muffler device
RU2386040C2 (ru) Способ снижения шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания
WO2020117088A1 (ru) Устройство пульсирующего горения с гашением ударной волны
RU2766502C1 (ru) Устройство пульсирующего горения с повышенным КПД и с пониженным уровнем шума
WO2021154108A1 (ru) Обратный клапан газовой среды для устройства пульсирующего горения
WO2020130867A1 (ru) Устройство пульсирующего горения с гашением ударной волны
WO2020040667A1 (ru) Расширитель, демпфер-расширитель и устройство для их размещения
WO2021235966A1 (ru) Обратный клапан газовой среды для аппарата пульсирующего горения
RU2805244C1 (ru) Аппарат пульсирующего горения с гашением вибраций
RU19555U1 (ru) Глушитель шума
WO2020117086A1 (ru) Устройство пульсирующего горения с гашением вибраций
WO2021154107A1 (ru) Аппарат пульсирующего горения с гашением вибраций
KR102283769B1 (ko) 차량용 배기장치
CN211230579U (zh) 一种可有效降低排气噪声的脉动燃烧发动机
RU2101605C1 (ru) Глушитель шума
RU2795564C1 (ru) Аппарат пульсирующего горения с повышенным КПД и с пониженным уровнем шума
RU2787427C1 (ru) Глушитель шума газового потока (ГШГП)
Raman et al. Experimental Analysis Of Exhaust Noise Using A Muffler and A Particulate Trap In A Diesel Engine
RU2241126C1 (ru) Глушитель шума выхлопа двигателя внутреннего сгорания
WO2021154109A1 (ru) Аппарат пульсирующего горения с повышенным кпд и с пониженным уровнем шума (варианты)
SU530957A1 (ru) Глушитель шума выпуска двигател внутреннего сгорани
RU2310761C2 (ru) Глушитель шума с переменным сечением
RU2328650C1 (ru) Глушитель шума

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: 18942574

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18942574

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1