Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси

Система и способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Эта заявка утверждает приоритет предварительной патентной заявки США 60/792,420, поданной 17 апреля 2006 г, и предварительной патентной заявки США 60/850,685, поданной 10 октября 2006 г., которые включены в этот документ в качестве ссылки. Эта заявка также относится к предварительной патентной заявке США, поданной одновременно 10 октября 2006 г., озаглавленной «Система и способ генерации и управления очень громкими звуками».

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в основном относится к системе и способу зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси. В большей степени настоящее изобретение относится к управлению детонацией газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси, протекающей внутри трубчатой структуры.

Уровень техники

Существующие системы и способы зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси неэффективны, дороги и часто опасны. Современная технология искрового зажигания, используемая в двигателях внутреннего сгорания, оставляет неиспользованное топливо в цилиндрах таких двигателей после цикла сгорания и требует использования каталитического конвертера, чтобы превратить токсичные побочные продукты сгорания в более безопасные, но которые в результате являются все еще опасными загрязняющими веществами, выпускаемыми в атмосферу. Более того, со временем происходит ухудшение эксплуатационных качеств свечей зажигания, результатом чего является все более низкая эффективность горения и, следовательно, все более меньший пробег и все более высокий уровень загрязнения. Поэтому желательно иметь улучшенную систему и способ зажигания топливно-окислительной смеси в двигателях внутреннего сгорания.

Технология импульсной детонации в двигателе, которая развивалась преимущественно для использования в самолетных и ракетных двигателях, обещает обеспечить более высокий уровень эксплуатационных показателей, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако способы зажигания топливно-окислительной смеси, которые использовались в таких двигателях с импульсной детонацией, требуют использования опасных и дорогостоящих топливно-окислительных смесей и существенного количества энергии для достижения детонации. Более того, синхронизация и величины детонаций, получаемых в таких двигателях, трудно контролировать в связи с ограниченностью используемых способов зажигания. Таким образом, также желательно иметь улучшенную систему и способ зажигания топливно-окислительных смесей в двигателях с импульсной детонацией.

Сущность изобретения

Вкратце, настоящее изобретение является улучшенной системой и способом зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси. Топливно-окислительная смесь, имеющая желаемые характеристики сгорания, вводится с желаемой скоростью потока в трубчатую структуру. В одном примере осуществления трубчатая структура содержит детонатор, имеющий определенную длину и диаметр. Текущая топливно-окислительная смесь зажигается внутри детонатора путем подачи искры в точку зажигания текущей топливно-окислительной смеси. Результирующий импульс детонации продолжает зажигать топливно-окислительную смесь, текущую от точки зажигания до выходной стороны детонатора. Характеристики горения и скорость потока топливно-окислительной смеси могут быть выбраны для управления энергией импульса детонации.

Настоящее изобретение предоставляет способ зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси, содержащий этапы:

- помещения воспламенителя у точки зажигания внутри трубы детонатора, имеющей точку наполнения и открытый конец,

- подачи газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси в точку наполнения, которая выходит через открытый конец, и

- зажигания текущей газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси с помощью воспламенителя, чтобы создать импульс детонации, который распространяется от точки зажигания до открытого конца трубы детонатора. Клапан, такой как обратный клапан, может быть размещен внутри детонационной трубы перед или после точки зажигания. Импульсом детонации может быть снабжена детонационная труба, двигатель внутреннего сгорания или двигатель с импульсной детонацией. Отношение масс топлива и окислителя и скорость потока газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси могут быть выбраны в зависимости от длины и диаметра трубы детонатора. Газовой или дисперсной топливно-окислительной смесью может быть этан, метан, пропан, водород, бутан, этиловый спирт, ацетилен, газ МАРР, бензин или авиационное топливо или их комбинация. Топливом может быть также какой-либо нефтяной дистиллят, такой как лигроин, нефть, керосин или дизель, или более сложные материалы, такие как бензол или диэтилтолуамид. Синхронизация воспламенителя может управляться с использованием спускового механизма, неизменяемой логической схемы или управляющего процессора.

Настоящее изобретение предоставляет систему зажигания газовой или дисперсной топливно-окислительной смеси, включающую в себя детонатор и подсистему подачи топливно-окислительной смеси. Детонатор включает в себя трубу детонатора, имеющую точку наполнения и открытый конец, а также воспламенитель, который размещен у точки зажигания в трубе детонатора. Подсистема подачи топливно-окислительной смеси подает к точке наполнения трубы детонатора газовую или дисперсную топливно-окислительную смесь, которая протекает по трубе детонатора и выходит через ее открытый конец. Воспламенитель зажигает газовую или дисперсную топливно-окислительную смесь во время ее протекания по трубе детонатора, тем самым создавая импульс детонации в точке зажигания, который распространяется до открытого конца трубы детонатора. Система может включать в себя клапан, такой как обратный клапан, который расположен внутри детонационной трубы либо перед точкой зажигания, либо после точки зажигания. Система может включать в себя механизм управления синхронизацией, который управляет синхронизацией воспламенителя. Механизмом управления синхронизацией может быть спусковой механизм, неизменяемая логическая схема или управляющий процессор. Воспламенителем может быть источник импульса высокого напряжения, источник типа срабатывающего искрового разрядника, лазер или взрывающаяся проволока.

Это изобретение предоставляет также детонатор, содержащий трубу детонатора, имеющую точку наполнения и открытый конец, и воспламенитель, который помещен у точки зажигания в упомянутой трубе детонатора. К точке наполнения детонационной трубы подается газовая или дисперсная топливно-окислительная смесь, которая протекает по трубе детонатора и выходит через ее открытый конец. Воспламенитель зажигает газовую или дисперсную топливно-окислительную смесь во время ее протекания по трубе детонатора, таким образом создавая импульс детонации в точке зажигания, который распространяется до открытого конца трубы детонатора. Детонатор может включать в себя клапан, такой как обратный клапан, расположенный внутри детонационной трубы.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение описывается со ссылками на прилагаемые чертежи. В чертежах одинаковые номера ссылок указывают на сходные или функционально похожие элементы. В дополнение, крайние левые цифры номеров ссылок обозначают чертежи, в которых номер ссылки появляется впервые.

Фиг. 1A иллюстрирует примерную детонационную трубу из предшествующего уровня техники, имеющую раздельные источники подачи топлива и окислителя, и свечу зажигания, которая зажигает топливно-окислительную смесь у закрытого конца трубы после того, как труба была наполнена.

Фиг. 1В иллюстрирует вторую примерную детонационную трубу из предшествующего уровня техники, имеющую источник подачи топливно-окислительной смеси, и свечу зажигания, которая зажигает топливно-окислительную смесь у закрытого конца трубы после того, как труба была наполнена.

Фиг. 2А иллюстрирует примерную детонационную трубу по настоящему изобретению, имеющую детонатор, который получает топливно-окислительную смесь от источника подачи топливно-окислительной смеси и зажигает топливно-окислительную смесь во время ее протекания по трубе.

Фиг. 2В изображает первый вариант осуществления детонатора по настоящему изобретению, который действует, создавая электрическую дугу внутри потока горючей газовой смеси.

Фиг. 2С изображает второй вариант осуществления детонатора по настоящему изобретению, похожего на изображенный на фиг. 2В, за исключением того, что он включает в себя два проводника, которые расходятся внутри главной трубы, вызывая увеличение продолжительности искры во время ее перемещения в главную детонационную трубу.

Фиг. 3А изображает вид с торца другого варианта осуществления детонатора по настоящему изобретению.

Фиг. 3В изображает вид сбоку детонатора на фиг. 3А.

Фиг. 3С изображает пример осуществления детонатора по этому изобретению, включающего в себя обратный клапан, используемый для управления потоком подаваемой топливно-окислительной смеси, в котором обратный клапан помещен перед точкой зажигания в трубе детонатора.

Фиг. 3D изображает пример осуществления детонатора по этому изобретению, включающего в себя обратный клапан, используемый для управления потоком подаваемой топливно-окислительной смеси, в котором обратный клапан помещен после точки зажигания в трубе детонатора.

Фиг. 3Е изображает примерный обратный клапан, который может быть использован с примерами осуществления детонатора по настоящему изобретению, показанного на фиг. 3С и 3D.

Фиг. 4 изображает примерную комбинацию детонационных труб с переменным диаметром, где использование в комбинации труб с постепенно увеличивающимся диаметром служит для усиления детонационной волны.

Фиг. 5 изображает примерную детонационную трубу, имеющую диаметр, который увеличивается по длине трубы, что способствует усилению детонационной волны.

Фиг. 6 иллюстрирует трубу, имеющую постепенно уменьшающийся, а затем увеличивающийся периметр трубы.

Фиг. 7А изображает первую детонационную трубу, расположенную вдоль второй детонационной трубы.

Фиг. 7В изображает комбинацию из четырех детонационных труб, расположенных таким образом, что большие детонационные трубы в комбинации детонационных труб находятся в контакте друг с другом.

Фиг. 7С изображает три увеличивающиеся в диаметре детонационных трубы.

Фиг. 7D изображает семь детонационных труб, расположенных таким образом, чтобы походить на шестигранную конструкцию.

Фиг. 7Е изображает двенадцать детонационных труб, расположенных круговым образом.

Фиг. 8 изображает вид сбоку трех детонационных труб, имеющих первый диаметр, соединенных с детонационной трубой большего диаметра, имеющей второй больший диаметр, так, чтобы усилить объединенный импульс, сгенерированный меньшими трубами.

Фиг. 9 предоставляет иллюстрацию того, как синхронизация горения отдельных детонационных труб фокусирует мощность в одной точке дальнего поля.

Фиг. 10 изображает разреженный массив из четырех детонационных труб, детонирующих так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы они сошлись в желаемом месте.

Фиг. 11 изображает разреженный массив из четырех групп детонационных труб, детонирующих так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы они сошлись в желаемом месте.

Фиг. 12 иллюстрирует пример эффективной упаковки шестигранных подмассивов из семи детонационных труб в объединенный массив, состоящий из 224 детонационных труб.

Фиг. 13А-13L изображают такты впуска, сжатия, расширения и выпуска, которые происходят в течение двух поворотов коленчатого вала за рабочий цикл обычного четырехтактного двигателя (с циклом Отто).

Фиг. 14 изображает начало такта расширения четырехтактного двигателя (с циклом Отто), показанного на фиг. 13А-13L, где используется детонатор по настоящему изобретению для зажигания топливно-окислительной смеси.

Фиг. 15 изображает примерный двигатель Ванкеля, использующий два детонатора по настоящему изобретению.

Фиг. 16 изображает поперечное сечение крыла летательного аппарата, имеющего четыре двигателя с импульсной детонацией, использующих детонатор по настоящему изобретению.

Фиг. 17 изображает примерную турбину на базе многочисленных двигателей с импульсной детонацией, использующих детонатор по настоящему изобретению.

Фиг. 18 изображает примерное расположение двигателей с импульсной детонацией, использующих детонатор по настоящему изобретению, который мог бы быть использован для создания тяги ракетного двигателя.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение будет теперь описано более полно в деталях со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых показаны примеры осуществления этого изобретения. Это изобретение, однако, не должно рассматриваться как ограниченное вариантами осуществления, рассмотренными впереди; скорее, они показаны так, чтобы это описание было бы полным и завершенным и полностью раскрывало бы объем изобретения для специалистов в данной области техники. Одинаковые номера соответствуют одинаковым элементам повсюду.

Настоящее изобретение предоставляет улучшенную систему и способ генерации и управления волной избыточного давления, которая также может быть упомянута здесь как звуковая волна или звуковой импульс. Примерные волны избыточного давления могут быть охарактеризованы их частотой в диапазоне от 0,1 Гц до 30 кГц. Основа системы - это сжигание высокоэнергетических, детонирующих газовых или дисперсных топливно-воздушных или топливно-кислородных смесей внутри трубы с одним открытым концом, где любое из числа горючих веществ может быть использовано, включая этан, метан, пропан, водород, бутан, этиловый спирт, ацетилен, газ MAPP, бензин и авиатопливо. Топливом также может быть любой нефтяной дистиллят, такой как лигроин, нефть, керосин или дизель, или более сложные вещества, такие как бензол или диэтилтолуамид. Горючая газовая смесь детонирует у закрытого конца трубы, заставляя детонационную волну распространяться по длине трубы к ее концу, где детонация заканчивается, и детонационная волна выходит из открытого конца трубы как волна избыточного давления. Таким образом, труба упомянута здесь как детонационная труба, а детонационная волна упомянута здесь как импульс детонации или импульс.

Один из вариантов осуществления настоящего изобретения содержит, по меньшей мере, один аппарат детонационной трубы и механизм управления синхронизацией для управления синхронизацией детонаций. Аппарат детонационной трубы содержит, по меньшей мере, одну детонационную трубу, по меньшей мере, один детонатор, а также подсистему подачи топливно-окислительной смеси. Один или более детонатор может быть использован с данной детонационной трубой, и один детонатор может быть использован с многочисленными детонационными трубами. С одним или более детонатором могут быть связаны один или более инициаторы искры, где один инициатор искры может вызывать искры в многочисленных детонаторах, которые могут быть связаны параллельно или последовательно, а многочисленные инициаторы искры могут вызывать искру в одном детонаторе. Механизм управления синхронизацией управляет синхронизацией одного или более инициатора искры.

Инициатор искры может быть источником импульса высокого напряжения. Как альтернатива источнику импульса высокого напряжения, срабатывающий искровой разрядник может служить инициатором искры. Другие варианты инициатора искры включают в себя лазер и взрывающуюся проволоку.

Механизмом управления синхронизацией может быть простой спусковой механизм, неизменяемая логическая схема или более сложный управляющий процессор. Управляющий процессор может также использоваться для управления переменными параметрами подсистемы подачи топливно-окислительной смеси, или такие параметры могут быть фиксированными.

Подсистема подачи топливно-окислительной смеси поддерживает желаемое отношение масс топлива и окислителя топливно-окислительной смеси и желаемую скорость потока топливно-окислительной смеси. Желаемое соотношение топлива и окислителя и скорость потока могут быть выбраны так, чтобы достичь требуемых характеристик детонации, которые зависят от длины и диаметра детонатора. Например, в одном варианте осуществления используется воздушно-пропановая топливно-окислительная смесь с отношением масс 5,5 и со скоростью потока 50 литров в минуту для детонатора, имеющего длину 1 дюйм и диаметр 1/4 дюйма, выполненного из тефлона, первая детонационная труба выполнена из нержавеющей стали, имеет длину 9 дюймов, и ее диаметр от 0,8 дюймов сужается к концу в месте присоединения к детонатору до 0,65 дюймов в месте присоединения ко второй детонационной трубе, выполненной из титана и имеющей длину 32 дюйма и диаметр 3 дюйма. Альтернативно, первая детонационная труба может иметь постоянный диаметр, равный 0,8 дюйма.

Доступная для приобретения технология клапана управления массовым расходом может быть использована для контроля отношения масс топлива и окислителя в топливно-окислительной смеси и скорости потока топливно-окислительной смеси. Альтернативно, доступная для приобретения технология может быть использована для измерения массового расхода окислителя в смешивающих топливно-окислительную смесь аппаратах, а точное измерение массового расхода окислителя может быть использовано для контроля клапана управления массовым расходом для того, чтобы регулировать массовый расход топлива, нужного для достижения желаемого отношения массы топлива к массе окислителя топливно-окислительной смеси.

Детонация в текущей топливно-окислительной смеси

В предшествующем уровне техники газовые системы детонации требовали либо длинных труб, либо сильно детонирующих горючих газовых смесей, таких как кислород и водород, для того, чтобы произошла детонация. Иначе, они будут только «медленно гореть», что является медленным и почти беззвучным процессом. Напротив, одной особенностью настоящего изобретения является обеспечение возможности производить короткие, высокоинтенсивные звуковые импульсы внутри короткой, длиной в один фут, трубы с диаметром 2 дюйма, используя только умеренно взрывчатые горючие газовые смеси, такие как пропан и воздух. В отличие от систем предшествующего уровня техники, эта особенность настоящего изобретения воплощена в примерной системе, которая создает дуговой разряд в текущем (или движущемся) потоке смеси газа и окислителя, которая заполняет трубу, где будет происходить детонация. Когда труба в основном наполнена, быстрая искра инициируется в текущем газе в точке наполнения трубы, которая запускает последовательную детонацию всего газа внутри трубы. Альтернативно, в текущем газе детонация может быть вызвана с помощью лазера или любого другого подходящего способа детонации и зажигания согласно настоящему изобретению. Это зажигание внутри устройства с текущим газом очень сильно сокращает длину трубы, требуемой для создания детонации, если сравнивать с системами предшествующего уровня техники, которые зажигали нетекучие или, иначе говоря, неподвижные горючие газовые смеси. Более того, детонация в соответствии с этой особенностью настоящего изобретения требует порядка 1 джоуля энергии для детонации топливно-окислительной смеси, в то время как предшествующие системы могут потребовать от 100 до 1000 джоулей энергии для достижения детонации. Дальнейшими желательными результатами этого способа являются сокращение неопределенности во времени между пуском дугового разряда и последующей эмиссией звукового импульса из трубы и повторяемость величины импульса детонации. Также детонатор согласно этой особенности настоящего изобретения обеспечивает точное управление синхронизацией и величиной волны избыточного давления.

Фиг. 1А изображает вид сбоку системы детонации предшествующего уровня техники. Детонационная труба 100 имеет отдельный источник 102 подачи топлива и 104 подачи окислителя, которые открыты в течение времени наполнения, чтобы заполнить детонационную трубу 100 топливно-окислительной смесью 106. После окончания наполнения источник 102 подачи топлива и 104 подачи окислителя закрыты, и в желаемое время по проводу 108 высокого напряжения подается электрический заряд к свече 110 зажигания, которая зажигает топливно-окислительную смесь 106, вызывая детонационную волну, которая распространяется по длине детонационной трубы 100 и выходит из ее открытого конца 112. Подобно этому, фиг. 1В изображает вид сбоку другой системы детонации предыдущего уровня техники, где детонационная труба 100 имеет источник 105 подачи топливно-окислительной смеси, который открыт во время периода наполнения для заполнения детонационной трубы 100 топливно-окислительной смесью 106. После периода наполнения источник 105 подачи топливно-окислительной смеси закрывается, и в желаемое время заряд подается по проводу 108 высокого напряжения к свече 110 зажигания, которая зажигает топливно-окислительную смесь 106, вызывая детонационную волну, которая распространяется по длине детонационной трубы 100 и выходит через ее открытый конец 112.

Фиг. 2А изображает детонационную трубу 100 генератора 11 волны избыточного давления по настоящему изобретению, которая подается источником 105 топливно-окислительной смеси через детонатор 114, где искра зажигается в топливно-окислительной смеси 106 в то время, как детонационная труба 100 заполняется топливно-окислительной смесью 106, вызывая волну детонации, распространяющуюся по длине детонационной трубы 100 и выходящую через ее открытый конец 112. В одном варианте осуществления соответствующая скорость потока топливно-окислительной смеси поддерживается во время зажигания в пределах текущей топливно-окислительной смеси. Было найдено, что свыше основного диапазона скоростей потоков чем больше скорость потока, тем быстрее развивается детонационная волна. Следовательно, один пример осуществления использует высокую скорость потока. Для данной энергии искры определенная скорость потока определяет практический верхний предел скорости потока. В одном варианте осуществления система труб, питающая детонационную трубу, находится ниже критического радиуса, чтобы предотвратить детонацию, развивающуюся в обратную сторону к источнику подачи топливно-окислительной смеси. Например, в одном варианте осуществления используется система труб диаметром 1/4 дюйма для предотвращения такого обратного удара пламени, но еще имеет низкое сопротивление потоку газа. Например, детонатор длиной 1 дюйм, с расточенным отверстием диаметром 1/4 дюйма, может достигать детонации, используя искру в 1 джоуль в смеси газа МАРР и воздуха, протекающей со скоростью 50 л/мин.

На фиг. 2А также показан необязательный вторичный источник 105' топливно-окислительной смеси. Один или более из вторичных источников 105' топливно-окислительной смеси может быть использован для ускорения наполнения большой детонационной трубы (или комбинации труб). В одном подходе один или более вторичные источники 105' топливно-окислительной смеси использованы для ускорения наполнения детонационной трубы 100 параллельно с (первичным) источником 105 топливно-окислительной смеси таким образом, что детонатор 114 может зажигать текущую топливно-окислительную смесь при требуемой скорости потока. В другом подходе источник 105 топливно-окислительной смеси может подавать смесь в детонационную трубу с первой более высокой скоростью, а затем переключиться на вторую скорость перед тем, как зажечь текущую топливно-окислительную смесь. В еще одном подходе вторичный источник 105' топливно-окислительной смеси подает другую топливно-окислительную смесь 106' (не показано в фиг. 2А) в детонационную трубу 100, затем топливно-окислительная смесь 106 подается источником 105 топливно-окислительной смеси в детонатор 114.

Для определенных видов топлива может быть необходимо нагреть топливно-окислительную смесь для того, чтобы получить детонацию. В зависимости от скорости, с какой детонационная труба зажжена, может быть необходимо охладить детонационную трубу. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения источник 105 (и/или 105') топливно-окислительной смеси содержит, по меньшей мере, один теплообменник (не показан) в контакте с детонационной трубой, который служит для передачи тепла от детонационной трубы к топливно-окислительной смеси. Теплообменник может иметь любую из различных хорошо известных форм типа малой трубы, которая закручивается по спирали вокруг детонационной трубы с одного конца до другого, при этом натяженность спирали может быть постоянной или меняться по длине детонационной трубы. В другом подходе теплообменник может охватить защитной оболочкой детонационную трубу таким образом, что топливно-окислительная смесь в защитной оболочке, которая находится в контакте с детонационной трубой, поглощает нагрев от детонационной трубы. Альтернативно, теплообменник может быть использован независимо от источника 105 подачи топливно-окислительной смеси, в этом случае может использоваться другое вещество, отличное от топливно-окислительной смеси, например такая жидкость, как вода или силикон, может использоваться для поглощения тепла детонационной трубы. Альтернативно, другой источник тепла может нагревать топливно-окислительную смесь. Вообще, различные хорошо известные устройства могут быть использованы для охлаждения детонационной трубы и/или для нагрева топливно-окислительной смеси, включая способы, в которых нагрев от детонационной трубы передается к топливно-окислительной смеси.

На фиг. 2В представлен первый вариант осуществления детонатора по настоящему изобретению, который действует, создавая электрическую дугу внутри потока детонирующей горючей газовой смеси. Как показано в фиг. 2В, горючая газовая смесь 106, состоящая из горючего газа и окислителя в правильном детонационном соотношении, поступает в детонационную трубу 100 через точку 208 наполнения детонатора 114. Когда труба в основном заполнена, высоковольтный провод 108 запускается на входе 214 высоковольтного импульса, чтобы заставить искру 212 образоваться между неизолированными проводами 210 и пройти через горючую газовую смесь 106, втекающую в детонационную трубу 100, чтобы инициировать детонацию газа в детонационной трубе 100. Запуск высоковольтного импульса управляется механизмом 216 управления синхронизацией.

На фиг. 2С изображен второй вариант осуществления детонатора по настоящему изобретению, который также действует, создавая электрическую дугу внутри потока детонирующей горючей газовой смеси. Как показано на фиг. 2С, горючая газовая смесь 106 горючего газа и окислителя в правильном соотношении для детонации поступает в детонационную трубу 100 через точку 208 наполнения детонатора 114. Когда труба в основном заполнена, высоковольтный провод 108 запускается на входе 214 высоковольтного импульса, чтобы заставить искру 212 возникнуть между неизолированными проводами 210 и пройти через горючую газовую смесь 106, втекающую в детонационную трубу 100, чтобы инициировать детонацию газа в детонационной трубе 100. В этом варианте искра начинается внутри детонатора 114, а потом она быстро перемещается вдоль двух расходящихся проводников в детонационной трубе 100 с помощью текущего газа, длина искры увеличивается по мере ее прохождения по детонационной трубе 100. Когда искра инициируется в небольшом зазоре, она создает стабильно низкую зону сопротивления, которая способна проводить такое же электрическое напряжение через намного больший зазор. Альтернативно, провода 210 могут быть соединены параллельно, но слегка изогнуты в сторону друг друга, чтобы гарантировать возникновение искры внутри детонатора 114.

На фиг. 3А и 3В показаны вид с торца и вид сбоку примера осуществления генератора 11 волны избыточного давления по настоящему изобретению. Как показано на фиг. 3А и 3В, детонатор 114 содержит изоляционный цилиндр 302, окружающий детонационную трубу 304. Электроды 306 вставлены со стороны изоляционного цилиндра 302 и соединены с высоковольтным проводом 108. Труба 304 детонатора соединена с источником 105 подачи топливно-окислительной смеси (показано на фиг. 3В) в точке 208 наполнения и с детонационной трубой 100 на ее противоположном открытом конце 310. Как показано на фиг. 3В, горючая газовая смесь 106 проходит в детонационную трубу 304 через точку 208 наполнения детонатора 114, а затем выходит через ее открытый конец 310 в детонационную трубу 100. Когда детонационная труба 100 по существу заполнена, высоковольтный провод 108 запущен, чтобы заставить искру 212 образоваться между электродами 306, таким образом, зажигая горючую газовую смесь 106 и создавая импульс детонации в точке зажигания, который распространяется по втекающей в детонационную трубу 304 горючей газовой смеси 106 от точки зажигания до открытого конца 310 детонатора 114, чтобы инициировать детонацию газа в детонационной трубе 100. На фиг. 3В также показана спираль 308 Щелкина как раз в закрытом конце детонационной трубы 100. Спираль 308 Щелкина хорошо известна из предыдущего уровня техники как усовершенствованное устройство перехода от вспышки к взрыву. В одном примере осуществления детонатора по этому изобретению спираль 308 Щелкина имеет 10 витков длиной 7 дюймов и сделана с использованием медной проволоки №4, которая плотно намотана по внутренней стороне детонационной трубы 100 у ее основания (закрытого конца).

На фиг. 3С изображен такой же пример осуществления детонатора по этому изобретению, какой показан на фиг. 3А и 3В, но который также включает в себя обратный клапан 312, используемый для управления потоком подаваемой топливно-окислительной смеси, в котором обратный клапан 312 помещен перед искрой 212, также упомянутой здесь как точка зажигания.

На фиг. 3D изображен такой же пример осуществления детонатора по этому изобретению, какой показан на фиг. 3С, за исключением того, что обратный клапан 312 помещен за точкой 212 зажигания.

На фиг. 3Е изображен примерный обратный клапан 312, который может быть использован с примерами осуществления детонатора по настоящему изобретению, показанными на фиг. 3С и 3D. Обратный клапан содержит шарик 314, удерживаемый рядом с отверстием 316 пружиной 318. Когда надлежащее давление действует на шарик 314, он сжимает пружину 318, позволяя топливно-окислительной смеси 106 выйти через отверстие 316. Другие типы клапанов также могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением.

Управление величиной волны избыточного давления

Обычно длина и внутренний диаметр детонационной трубы могут выбираться для достижения желательного максимума сгенерированной величины волны избыточного давления при максимальной выбранной скорости потока выбранной текущей топливно-окислительной смеси, а скорость потока может быть уменьшена для снижения величины сгенерированной волны избыточного давления. Если требуется, еще большие трубы могут быть использованы для усиления импульса детонации, первоначально полученного в меньшей детонационной трубе. Каждая или множество труб может быть выполнено из одного или комбинации материалов и позволяет, включая поливинилхлорид или ряд различных составов, металлы или даже бетон, чтобы достичь желаемых результатов. В одном примере осуществления детонационная труба выполнена из титана. В примере осуществления детонатор, внутри которого применена искра, имеет маленький диаметр, к примеру приблизительно 1/4 дюйма. Эта сборная конструкция присоединена к основанию второй большей детонационной трубы так, чтобы газ, содержащийся внутри нее, сдетонировал. Эта вторая детонационная труба может затем быть присоединена к основанию детонационной трубы с еще большим диаметром, чтобы инициировать детонацию горючей газовой смеси внутри нее. Таким путем детонации в детонационных трубах очень большого диаметра могут быть инициированы с точной тщательной синхронизацией.

Использование труб, имеющих все больший и больший диаметр, показано на фиг. 4, которая иллюстрирует комбинацию 400 детонационных труб с переменным диаметром, содержащую все большие и большие детонационные трубы, которые усиливают импульс детонации. Импульс детонации, произведенный в исходной детонационной трубе 100А, перемещается через детонационные трубы 100В и 100С, имеющие большие диаметры. Как правило, в то время как детонация горючей газовой смеси переходит из детонационной трубы с меньшим диаметром в детонационную трубу с большим диаметром, величина импульса усиливается. В соответствии с изобретением одна или более детонационные трубы, имеющие разные диаметры, могут быть объединены в комбинацию 400 детонационных труб с переменным диаметром.

В примере осуществления, описанном выше, допускалось, что детонационная труба (и труба детонатора) была трубой, имеющей периметр, который не меняется по длине трубы. Как альтернатива, детонационная труба (или труба детонатора) может начинаться с малого диаметра и постепенно становиться больше для того, чтобы иметь подобный эффект усиления импульса, как показано на фиг. 4. Один примерный подход показан на фиг. 5, которая изображает вид сбоку детонационной трубы 100, имеющей постепенно увеличивающийся диаметр. Диаметр детонационной трубы, становящийся все больше и больше, заставляет импульс усиливаться, в то время как он движется вдоль трубы, тем же самым образом, как в технологии труб с переменным диаметром по фиг 4. Как показано, детонационная труба 100 имеет первый диаметр 502 на одном конце, что меньше, чем второй диаметр 504 на другом конце. Многочисленные трубы, имеющие увеличивающиеся диаметры, также могут быть скомбинированы. Другим вариантом детонационной трубы является использование технологии компрессора/расширителя, где труба сначала суживается до меньшего диаметра для сжатия газа, а затем расширяется до большего диаметра для расширения газа. Этот подход показан на фиг. 6, которая изображает вид сбоку детонационной трубы 100, основанной на технологии компрессора/расширителя и имеющей первый диаметр 602 на одном конце, второй диаметр 603 на другом конце, а третий диаметр 604 между двумя концами детонационной трубы 100. Первый диаметр 602 может быть равен, а может и не быть равен второму диаметру 603 в зависимости от желаемых характеристик сжатия/расширения.

Массивы детонационных труб

Детонационные трубы могут быть сгруппированы в массивы различными путями для создания комбинированного импульса, когда они запускаются одновременно. На фиг. 7А-7D изображены примеры того, как детонационные трубы могут быть скомбинированы. На фиг. 7А изображен массив 702 детонационных труб, содержащий первую детонационную трубу, вытянутую вдоль второй детонационной трубы. На фиг. 7В показан массив 704 детонационной трубы, содержащий комбинацию из четырех детонирующих труб, организованных таким образом, что большие детонационные трубы из комбинации детонационных труб находятся в контакте друг с другом. На фиг. 7С изображен массив 706 детонационных труб, содержащий три детонационные трубы с увеличивающимся диаметром. Фиг. 7D изображает массив 708 детонационных труб, содержащий семь детонационных труб, расположенных так, что он напоминает шестигранную структуру. Фиг. 7Е изображает массив 710 детонационных труб, содержащий двенадцать детонационных труб, расположенных круговым образом.

Альтернативно, детонационные трубы, которые образуют такие группы или массивы детонационных труб, могут также запускаться в разное время. В одной схеме расположения зажигание в детонационных трубах происходит во временной последовательности, которая заставляет их детонировать последовательно таким образом, что данная детонационная труба заполняется своей топливно-окислительной смесью, пока другие детонационные трубы находятся в различных стадиях генерации волны избыточного давления. В этом подходе зажигание и наполнение детонационных труб может быть синхронизировано так, что волны избыточного давления генерируются аппа