Камера сгорания с повышением давления (варианты) и способ её эксплуатации

Камера сгорания с повышением давления (варианты) и способ её эксплуатации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область изобретения

Описанное изобретение, в основном, относится к горению топлива при повышенном давлении и, в частности, к устройству сгорания с повышением давления, такому как импульсный детонационный двигатель, и к способу для осуществления этого устройства.

Предпосылки создания изобретения

Горение с повышением давления в камере сгорания термодинамически аппроксимирует процесс постоянного объема, обеспечивая более высокую эффективность двигателя по сравнению с двигателями внутреннего сгорания с постоянным давлением. Один способ, позволяющий достичь сгорания с повышением давления состоит в использовании устройства импульсного горения, такого как импульсный реактивный двигатель или импульсный детонационный двигатель (известные также как содержащие "камеры сгорания с детонационной волной"), в которых горение происходит с импульсной детонацией.

Импульсное детонационное горение - тип процесса сгорания с повышением давления, в котором, двигатель работает с пульсирующим давлением при сгорании, чтобы обеспечить продувку и заполнение камеры сгорания горючей смеси между детонациями, вызванными воспламеняющим устройством. Детонация - явление сверхзвукового сгорания топлива, при котором фронт пламени связан с ударной волной и проходит через реактивную смесь при звуковых скоростях. Как следствие, его термодинамическое поведение эффективно приближается к поведению процесса сгорания постоянного объема, который обеспечивает более высокое давление, более высокий тепловой КПД и низкий удельный расход топлива по сравнению с постоянным давлением или установившимися процессом дефлаграции (быстрого сгорания без детонации). Импульсно-детонационные камеры сгорания потенциально термодинамически более эффективны, потому что они основаны на повышении давления от сверхзвукового, вызванного ударной волной сгорания, а не процессом дефлаграции при постоянном давлении в стандартной камере сгорания. Скорость пламени при импульсной детонации может достигать 6000 футов в секунду, по сравнению с 20-70 футов в секунду в обычной камере сгорания с постоянным давлением.

Стадия одного цикла детонации состоит из наполнения детонационной трубы горючей смесью топливом и окислителем, воспламенения смеси, распространения взрывной волны к выпускному концу трубы и удаления продуктов горения. В трубчатой камере сгорания продукты горения удаляются из открытого конца трубы волнами разрежения, созданными внезапным расширением до атмосферного давления, когда взрывная волна выходит из открытого конца. Цикл может повторяться несколько раз в секунду.

Быстрый переход к детонации желателен для достижения высоких рабочих частот, приводящих к более высокой отдаваемой мощности. Переход от дефлаграции к детонации (DDT) состоит в том, что дозвуковая дефлаграция, созданная, используя низкое энергетическое инициирование, переходит к сверхзвуковой детонации. Процесс может быть разделен на четыре фазы: (i) воспламенение смеси, (ii) ускорение волны горения, (iii) формирование центров взрыва и (iv) развитие фронта детонации. Расстояние и время, необходимое для перехода к детонации, называют расстоянием и временем разгона, соответственно. Стадии (i)-(iii) занимают большую часть полного расстояния разгона и времени DDT. Большую часть времени для DDT в значительной степени занимает переход от ламинарного к турбулентному пламени. Расстояние для DDT более чувствительно к ускорению турбулентного пламени. Препятствия по пути потока, такие как спирали Шелкина, как известно, уменьшают DDT, сокращая расстояние и время для стадий (ii) и (iii). Таким образом, желательно использовать импульсно-детонационную камеру сгорания, в которой достигаются высокие рабочие частоты для улучшения рабочих характеристик. В частности, желательно обеспечить импульсно-детонационную камеру сгорания, которая имеет меньший полный разгон на расстояние DDT и малое время, обеспечивая, таким образом, высокие рабочие частоты и соответствующие улучшенные рабочие характеристики камеры сгорания при высокой плотности мощности.

Другим вызовом для эффективной работы импульсно-детонационных камер сгорания является управление противотоком продуктов сгорания и противодавлением, вызванным детонационными ударными волнами. Один известный подход к предотвращению противотока состоит в использовании механической клапанной системы. В импульсно-детонационных камерах сгорания с такими клапанными системами открывается механический клапан, чтобы наполнить детонационную камеру горючей смесью и затем закрывается во время стадий инициирования детонации и распространения пламени, так же как на стадиях продувки. Примерные клапанные механизмы описаны в патентах США №7 621 118 и №6 505 462. Эти клапанные механизмы имеют сложную механику и связаны с проблемами механической и тепловой усталости, которые приводят к ограниченному сроку службы и выдвигают дополнительным требованиям к обслуживанию. Рабочая частота устройства также может быть ограничена механической клапанной системой.

Краткое описание изобретения

Согласно одной цели изобретения предлагается камера сгорания с повышением давления, содержащая детонационную камеру, камеру предварительного горения, вихревой генератор, расширительное отклоняющее сопло (E-D) и воспламеняющее устройство. Детонационная камера имеет впускной патрубок и выпускной патрубок, и сконфигурирована для создания в ней явления сверхзвукового горения. Камера предварительного горения имеет выпускной патрубок, связанный по жидкой среде с впускным патрубком детонационной камеры, впускной патрубок, связанный с каналом подачи топлива, и окружной периметр между впускным и выпускным патрубками с кольцевым каналом для подачи окислителя. Вихревой генератор расположен в канале для подачи окислителя и содержит лопатки, сконфигурированные для подачи турбулентного потока окислителя в камеру предварительного горения, создавая, таким образом, высокоскоростную вихревую зону вокруг кольцевого канала и низкоскоростную вихревую зону в центральной части камеры предварительного горения. Сопло E-D расположено между камерой предварительного горения и детонационной камерой и обеспечивает диффузионный путь жидкости между ними. Воспламеняющее устройство связано с низкоскоростной вихревой зоной камеры предварительного горения и может быть выбрано из группы, состоящей из электрического источника искрового разряда, источника плазменных импульсов и источника лазерных импульсов. Предполагается, что такая конфигурация обеспечит камеру сгорания относительно низким общим разгоном на расстоянии DDT в короткое время, обеспечивая, таким образом, высокие рабочие частоты и соответствующие высокие рабочие характеристики камеры сгорания.

Сопло E-D может содержать, в основном, цилиндрический корпус с внутренним отверстием, имеющим выпускной патрубок, связанный по жидкой среде с детонационной камерой, и, по меньшей мере, один размещенный в корпусе кольцеобразный обод, который связан по жидкой среде с отверстием; кольцевой фланец, выступающий из корпуса, который входит в контакт с внешним ободом впускного патрубка детонационной камеры, в основном, цилиндрический обтекатель, который проходит от кольцеобразного к впускному патрубку цилиндрического корпуса, так, что между обтекателем и цилиндрическим корпусом определяется кольцевой зазор, и торцевая пластина у впускного патрубка, имеющая, по меньшей мере, один диффузионный канал, проходящий через пластину и обеспечивающий жидкостную связь между отверстием и камерой предварительного горения. Диффузионный канал и отверстие обеспечивают диффузионный путь между камерой предварительного горения и детонационной камерой. Обтекатель может иметь рубашку частично тороидальной формы, которая проходит в камеру предварительного горения и в достаточной близости от кольцевого отверстия в ней, чтобы создать эффект Коанда, который отклоняет тангенциально текущий окислитель радиально внутрь к центру камеры предварительного горения. Торцевая пластина может иметь множество диффузионных каналов, каждый из которых проходит под углом наружу от отверстия, таким образом, что каждый канал направлен к внутренней поверхности обтекателя, а не к камере предварительного горения.

Согласно другой цели изобретения, предлагается способ эксплуатации камеры сгорания с повышением давления, содержащий: тангенциальную и турбулентную подачу окислителя в камеру предварительного горения, чтобы сформировать высокоскоростную вихревую зону во внешней части камеры предварительного горения и низкоскоростную вихревую зону во внутренней части камеры предварительного горения; впрыск топлива в высокоскоростную вихревую зону камеры предварительного горения; подачу смеси топлива и окислителя в детонационную камеру, связанную по жидкой среде с камерой предварительного горения; воспламенение топлива и окислителя в вихревой зоне камеры предварительного горения, чтобы сформировать ядро пламени после выбранного периода задержки и направление фронта пламени, сформированного из ядра пламени, через сопло E-D в детонационную камеру, так, чтобы окислитель и топливо в детонационной камере детонировали, вызывая явление сверхзвукового горения, в котором фронт пламени объединяется с ударной волной и распространяется через детонационную камеру на звуковых скоростях. Предполагается, что работа камеры в таком режиме обеспечит относительно низкий полный разгон на расстоянии DDT в течение небольшого промежутка времени, обеспечивая, таким образом, высокие рабочие частоты и соответствующие высокие рабочие характеристики камеры сгорания.

Согласно еще одной цели изобретения, предлагается камера сгорания с повышением давления, содержащая: детонационную камеру, имеющую впускной патрубок и выпускной патрубок, в которой детонационная камера сконфигурирована для создания в ней явления сверхзвукового горения; камеру предварительного горения, связанную по жидкой среде с впускным патрубком детонационной камеры и связанную по жидкой среде с каналом подачи топлива и с каналом подачи окислителя; воспламеняющее устройство, связанное с камерой предварительного горения и предназначенное для воспламенения смеси топлива и окислителя в этой камере; сопло E-D, установленное между камерой предварительного горения и детонационная камерой и включающее проход для диффузионной жидкости, создающий меньше ограничений для потока жидкости в направлении вниз по потоку, чем в направлении вверх по потоку. Предполагается, что эта конфигурация обеспечит эффективное управление противотоком продуктов горения и противодавлением, вызванным ударными детонационными волнами в камере сгорания.

Сопло E-D может быть сконфигурировано, как описано выше. С этим соплом Е-D восходящий поток жидкости более ограничен, чем нисходящий поток жидкости благодаря тому, что обтекатель направляет, по меньшей мере, часть восходящего потока жидкости из каналов в кольцевой зазор, ограничивая, таким образом, восходящий поток жидкости, которая течет в кольцевой зазор через канал.

Согласно еще одной цели изобретения, предлагается камера сгорания с повышением давления, содержащая: детонационную камеру, имеющую впускной патрубок и выпускной патрубок, в которой детонационная камера сконфигурирована для создания в ней явления сверхзвукового горения; камеру предварительного горения, связанную по жидкой среде с впускным патрубком детонационной камеры и связанную по жидкой среде с каналом подачи топлива и с каналом подачи окислителя; воспламеняющее устройство, связанное с камерой предварительного горения и предназначенное для воспламенения смеси топлива и окислителя в этой камере; сопло E-D, установленное между камерой предварительного горения и детонационная камерой и включающее путь для диффузионной жидкости между ними; и расширительную камеру, связанную по жидкой среде с входом окислителя и камерой предварительного горения и имеющую объем, выбранный с расчетом снижения противодавления, вызванного детонацией в детонационной камере, до желательного статического давления в расширительной камере. Желательное статическое давление может быть давлением, которое меньше давления окислителя на входе окислителя. Предполагается, что эта конфигурация обеспечит эффективное управление противотоком продуктов горения и противодавлением, вызванным ударными детонационными волнами.

Расширительная камера может включать камеру подогрева в тепловом контакте с детонационной камерой и может быть связана по жидкой среде с камерой предварительного горения и с нагнетательной камерой, которая связана по жидкой среде с камерой подогрева и с входом окислителя. Корпус дефлектора может иметь форму усеченного конуса и может быть установлен в нагнетательной камере, чтобы сформировать в нем путь турбулентного потока окислителя.

Согласно еще одной цели изобретения предлагается камера сгорания с повышением давления, содержащая: детонационную камеру, имеющую впускной патрубок и выпускной патрубок, в которой детонационная камера сконфигурирована для создания в ней явления сверхзвукового горения; камеру смешивания топливного окислителя, связанную по жидкой среде с впускным патрубком детонационной камеры и связанную по жидкой среде с каналом подачи топлива и с каналом подачи окислителя; воспламеняющее устройство, связанное с детонационной камерой и предназначенное для воспламенения смеси топлива и окислителя в этой камере; диффузор между смесительной камерой и детонационной камерой и включающий проход для диффузионной жидкости для распыления нисходящего потока жидкости по пути от смесительной камеры до детонационной камеры; и узел аэродинамического клапана на пути подачи окислителя, содержащий, по меньшей мере, один кольцевой сегмент, имеющий отверстие, сужающееся радиально внутрь, чтобы сформировать сопло, имеющее форму усеченного конуса и направленное вниз по потоку, определяя, таким образом, путь подачи окислителя, который создает меньше ограничений в направлении вниз по потоку, чем в направлении вверх по потоку. Камера сгорания с повышением давления может дополнительно содержать, по меньшей мере, один канал окислителя, связанный по жидкой среде с расширительной камерой и со смесительной камерой, когда узел аэродинамического клапана расположен в канале. Предполагается, что эта конфигурация обеспечит эффективное управление противотоком продуктов горения и противодавлением, вызванным ударными детонационными волнами в камере сгорания.

Камера сгорания с повышением давления может дополнительно содержать расширительную камеру, связанную по жидкой среде с входом окислителя и со смесительной камерой; эта расширительная камера имеет объем, выбранный с расчетом снижения противодавления, вызванного детонацией в детонационной камере, до желательного статического давления в расширительной камере. Расширительная камера может быть в тепловом контакте с детонационной камерой, являясь, таким образом, камерой подогрева окислителя, текущего через нее.

Описание чертежей

Фигура 1 - перспективный вид спереди импульсно-детонационной камеры сгорания согласно первому варианту воплощения изобретения.

Фигура 2 - перспективный вид сзади импульсно-детонационной камеры сгорания.

Фигуры 3(а)-3(с) - вертикальная проекция, частичный вид спереди и частичный вид сзади торцевого узла камеры сгорания.

Фигура 4 - вертикальный разрез части импульсно-детонационной камеры сгорания, содержащей камеру предварительного горения (огнеупорная амбразура).

Фигура 5 - вид спереди с частичным разрезом импульсно-детонационной камеры сгорания.

Фигура 6 - изображение в разобранном виде камеры сгорания с показом определенных компонентов торцевого узла камеры сгорания, включая напорный узел, узел камеры сгорания, и торцевой узел.

Фигура 7 - Частичный разрез напорного узла.

Фигура 8 - Частичный разрез узла камеры сгорания.

Фигура 9 - перспективный вид вихревого генератора узла камеры сгорания.

Фигуры 10(a) и 10(b) - перспективный вид и вид в разрезе расширительного и отклоняющего сопла (ED) для установки в узле камеры сгорания.

Фигура 11 - перспективный вид сзади импульсно-детонационной камеры сгорания согласно второму варианту воплощения.

Фигура 12 - перспективный вид сзади в разрезе второго варианта воплощения импульсно-детонационной камеры сгорания.

Фигура 13 - детализированное представление в разрезе смесительной камеры второго варианта воплощения камеры сгорания.

Фигура 14 - перспективный вид в разрезе аэродинамического клапана второго варианта воплощения камеры сгорания.

Подробное описание

Термины, указывающие на направления, такие как "вперед", "назад", "сзади", используются в настоящем описании только с целью указания относительного положения, и не предлагают какие-либо ограничения на то, как любое устройство должно быть установлено во время использования, или должно быть установлено при сборке или с учетом окружающей среды. Например, здесь описаны варианты воплощения импульсно-детонационной камеры сгорания, в которых упоминается "задний конец", где воспламеняется горючая смесь, и "передний конец", откуда выбрасываются продукты сгорания. Точно так же, термином "прямой поток" определяется, что топливный окислитель и поток продуктов горения проходят от впускного патрубка до выходного сопла камеры сгорания, "обратный поток" определяется как поток, идущий в противоположном направлении, и "восходящий поток" и "нисходящий поток", являются терминами, определяющими относительное направление потока через камеру сгорания.

Первый вариант воплощения изобретения

Описанный здесь вариант устройства сгорания ("камера сгорания"), которое сконфигурировано для импульсной детонации с повышением давления для эффективного воспламенения смеси топлива и окислителя (например, воздуха), чтобы преобразовать химическую энергию топлива в полезную тепловую энергию для использования в тепловых установках, или в кинетическую энергию в форме тяги, или для производства механической энергии в соединении с устройством расширения, таким как объемная турбина. Камера сгорания включает камеру подогрева, которая использует фугитивное тепло от сгорания, чтобы нагреть поступающий окислитель по мере того, как он проходит по длине детонационной трубы. Фугитивное тепло используется для нагрева; в противном случае оно было бы потеряно в результате теплопроводности или конвекции, и в данном случае оно используется для подогрева поступающего воздуха или другого окислителя. После подогрева окислитель проходит через вихревой генератор (вихревую форсунку), предназначенную для формирования тангенциального турбулентного потока окислителя, направляемого в камеру предварительного горения (огнеупорную амбразуру). Огнеупорная амбразура и вихревая форсунка создают высокоскоростную вихревую зону, которая усиливает смешивание топлива и окислителя, повышая, таким образом, интенсивность местного горения. Воспламеняющее устройство расположено в огнеупорной амбразуре горелки в области, имеющей, относительно низкоскоростное завихрение, чтобы обеспечить рост первоначально малого ядра пламени.

Огнеупорная амбразура обеспечивает средство начального создания турбулентного пламени, которое расширяется в детонационной камере путем внезапного расширения или прохождения через сужение в виде расширительного отклоняющего сопла (E-D). Эта камера предварительного горения быстро создает турбулентное пламя, которое может значительно уменьшить время, требуемое для DDT по сравнению с камерами сгорания, использующими запальные свечи, обеспечивая, таким образом, более высокую частоту операций и соответствующие улучшенные рабочие характеристики камеры сгорания. Кроме того, камера сгорания снабжена стационарным противодавлением и средством подавления противотока, которое ограничивает или предотвращает противоток продуктов горения через камеру сгорания и противодавление; в частности сопло E-D может быть сконфигурировано так, чтобы препятствовать противотоку и противодавлению, и может быть разработана только одна камера подогрева или в комбинации с камерой области повышенного давления окислителя, чтобы служить как расширительная камера, которая уменьшает противодавление до величины ниже давления подачи окислителя.

Обратимся теперь к фигурам 1-10, на которых, согласно первому варианту воплощения изобретения, импульсно-детонационная камера сгорания 1 (также известная как камера сгорания с повышением давления) содержит, в основном, цилиндрический внешний корпус 2, торцевую крышку 3, прикрепленную к заднему концу камеры сгорания 1, и выпускное сопло 15, расположенное дистально от торцевой крышки 3 и соединенное с передним концом камеры сгорания 1. Сопло 15 в этом варианте воплощения сконфигурировано для соединения с объемным устройством роторного типа (не показано), например, раскрытым в заявке РСТ WO 2010/031173; альтернативно, но не показано, передний выпускной конец камеры сгорания 1 может быть сконфигурирован для создания тяги, заменив сопло 15 реактивным движущим устройством (не показано). Окислитель, такой как воздух, под атмосферным или повышенным давлением вводится в камеру сгорания 1 через впускной патрубок 31, проходящий через внешний корпус камеры сгорания 2. Окислитель подается под давлением компрессором (не показан).

Торцевая крышка 3, показанная на фигурах 3(а)-3(с), содержит форсуночный узел 4, проходящий через торцевую крышку 3 и содержащий встроенный инжектор 24 (см. фигуру 4), который впрыскивает топливо в камеру предварительного горения 13, определенную здесь как "огнеупорная амбразура" и расположенную в камере сгорания 1. Торцевая крышка 3 также содержит канал воспламенения 5, проходящий через торцевую крышку 3, и в нем установлено воспламеняющее устройство 25 (см. фигуру 4) для воспламенения горючей смеси топлива и окислителя в огнеупорной амбразуре 13. Воспламеняющее устройство 25 имеет достаточную мощность, чтобы воспламенить смесь топлива и окислителя в огнеупорной амбразуре 13 и может генерировать электрическую искру, плазменный импульс или сфокусированный лазерный луч высокой мощности. Загрузочное отверстие 6 снабжает форсуночный узел 4 газообразным или жидким топливом, которое циклически вводится в огнеупорную амбразуру 13 топливным инжектором 24. Порты датчиков 39 и 40 служат для размещения в них датчиков давления и температуры (не показаны) используемых системой управления камеры сгорания (не показана). Топливо, обычно при давлении выше атмосферного вводится в огнеупорную амбразуру 13 через систему подачи топлива, содержащую множество цилиндрических каналов 41 диаметром от 1 до 2 мм и связанных по жидкой среде с узлом 4 инжектора. Эти каналы имеют размер, обеспечивающий распыление топлива при его прохождении через огнеупорную амбразуру 13.

Торцевая крышка 3 прикреплена болтами к заднему концу камеры сгорания 1 у фланца 32, который непосредственно определяет заднее отверстие 12 в камере сгорания 1. Уплотнительный элемент 33, выполненный из термостойкого материала, формирует влагонепроницаемое уплотнение между торцевой крышкой 3 и фланцем 32. Торцы камеры сгорания 1 имеют эллипсоидальную форму и соединены с крепежными фланцами 32 и 30 через влагонепроницаемое уплотнение.

В частности, на фигурах 4 и 5 внутренняя часть камеры сгорания 1 содержит ряд, в основном, цилиндрических корпусов 2, 26, 27, 28, которые определяют ряд связанных по жидкой среде камер, а именно: кольцевую напорную камеру 7 для окислителя между внешним корпусом 2 и корпусом 27 камеры подогрева и связанную по жидкой среде с впускным патрубком 31, кольцевую камеру подогрева окислителя 8 внутри напорной камеры 7 между корпусом 27 камеры подогрева и корпусом 28 детонационной камеры, связанной по жидкой среде с напорной камерой 7, и, в основном, цилиндрическую детонационную камеру 10 внутри камеры подогрева 8 и корпус 28 детонационной камеры, связанной по жидкой среде с камерой подогрева 8. Огнеупорная амбразура 13 связана по жидкой среде с камерой подогрева 8 и расположена в корпусе 27 камеры подогрева между внутренней поверхностью торцевой крышки 3 и задней частью расширительного отклоняющего сопла (E-D) 14. Сопло E-D 14 расположено внутри и в заднем конце корпуса 28 детонационной камеры и, как отмечено выше, выпускное сопло 15 смонтировано на крепежном фланце 30 (см. фигуру 6), расположенном на переднем конце камеры сгорания 1, и связано по жидкой среде с детонационной камерой 10. Как будет обсуждено ниже более подробно, сопло E-D 14 выполнено как средство подавления противотока продуктов горения в направлении вверх по потоку, так же как противодавления детонации в направлении вверх по потоку.

Как наиболее ясно показано на фигуре 7, напорная камера 7 и камера подогрева 8 связаны друг с другом по жидкой среде рядом выполненных по окружности отверстий 29 в кольцевом корпусе 27 камеры подогрева. Усеченно-конический корпус 26 дефлектора расположен в напорной камере 7 и формирует сопло с его широким концом в заднем конце напорной камеры 7 и узким концом, заканчивающимся непосредственно позади отверстий 29 корпуса камеры подогрева и механически прикрепленным к корпусу 27 камеры подогрева. Корпус 26 дефлектора служит как средство затухания детонационных волн сжатия, распространяющихся в обратном направлении, то есть в направлении потока, текущего из камеры подогрева 8 к напорной камере 7. Как будет обсуждено ниже более подробно, объем напорной камеры и камеры подогрева 7, 8 выбран так, чтобы использовать эти камеры 7, 8, как расширительную камеру для снижения противодавления до допустимого уровня, обеспечивая, таким образом, средство снижения противодавления и средство подавления противотока.

Напорная камера 7 и камера подогрева 8, огнеупорная амбразура 13 и детонационная камера 10 связаны по жидкой среде следующими патрубками и отверстиями: впускной патрубок 31 открытый в передний конец напорной камеры 7; отверстия 29 в корпусе камеры подогрева, расположенной вблизи переднего конца кольцевой корпуса 27, обеспечивают жидкостную связь между напорной камерой 7 и камерой подогрева 8; круглое отверстие 12, выполненное между кольцевыми корпусами 27 и 28 в заднем конце детонационной камеры 10, обеспечивает жидкостную связь между камерой подогрева 8 и огнеупорной амбразурой 13, и сопло E-D 14, расположенное между огнеупорной амбразурой 13 и задним концом детонационной камеры 10, обеспечивает жидкостную связь между этими двумя камерами 10 и 13. Задний конец детонационного корпуса 28 изогнута внутрь, чтобы определить носовой обтекатель 9, имеющий полутороидальную форму и определяющий вход в сопло E-D 14.

Кольцевые усеченно-конические корпуса 2, 27, 28 и сопло 26 в камере сгорания 1 определяют путь непрерывного турбулентного потока (путь подачи окислителя) из впускного патрубка 31 к огнеупорной амбразуре 13; более конкретно, окислитель течет через впускной патрубок 31, через нагнетательную камеру 7, через камеру подогрева 8, через отверстия 29 корпуса подогрева, через вихревую форсунку 11 в камере подогрева 8 и в огнеупорную амбразуру 13 через круглое отверстие 12. Горение начинается в огнеупорной амбразуре 13, где происходит воспламенение топлива и окислителя, и продолжается в детонационной камере 10, в которой происходит детонация, и затем выходит из передней части камеры сгорания 1 из которой продукты сгорания выбрасываются через выпускное сопло 15. Детонационная камера 10 находится в тепловом контакте с камерой подогрева 8 и сконфигурирована для передачи тепла от камеры сгорания до корпуса 28 детонационной камеры и в камеру подогрева 8, чтобы нагреть окислитель, поступающий в камеру подогрева 8.

Напорная камера 7 сформирована как замкнутый объем между внешним корпусом 2 и корпусом 27 камеры подогрева. Напорная камера 7, действующая как приемник, облегчает подачу окислителя (например, воздуха) при давлении выше атмосферного от вентилятора или компрессора (не показан). В соединении с усеченно-коническим корпусом 26 дефлектора напорная камера 7 также служит для поглощения волн сжатия от импульсных детонаций, идущих в обратном направлении. Дефлектор усеченно-конической корпуса 26 имеет свою усеченную часть меньшего диаметра ("передний конец"), связанную с передним концом корпуса 27 камеры подогрева через влагонепроницаемое уплотнение. Противоположный задний конец корпуса дефлектора 26, расположен между внутренней стенкой внешнего кольцевого корпуса 2 и корпусом 27 камеры подогрева, и заканчивается непосредственно перед задним концом внешнего корпуса 2, оставляя достаточный промежуток для не ограниченного потока жидкости. Задний конец усеченно-конического корпуса 26 закреплен на месте перфорированным демпфирующим кольцом 22, установленным на внутренней поверхности внешнего корпуса 2; перфорация в демпфирующем кольце 22 пропускает поток жидкости через демпфирующее кольцо 22. Как можно видеть на фигуре 5, детонационные волны сжатия, идущие в обратном направлении, следовали бы по пути турбулентного потока от детонационной камеры 10 через огнеупорную амбразуру 13, мимо вихревой форсунки 11, через камеру подогрева 8 и через усеченно-коническую оболочку 26 в напорную камеру 7; все эти факторы вносят свой вклад в подавление или, по меньшей мере, значительное затухание волн сжатия высокой мощности, которые являются результатом импульсной детонации. На практике напорная камера 7 действует как средство подавления противодавления или как "гаситель колебаний", чтобы значительно уменьшить любое воздействия противодавления на компоненты восходящего потока, такие как вентилятор или компрессор, присоединенный к впускному патрубку 31.

Целью средств подавления противодавления, таких как напорная камера 7, усеченно-конический корпус 26 и пути турбулентного потока является значительное снижение интенсивности ударных волн, идущих в направлении вверх по потоку. Повышение давления от детонации может быть не снижено средствами подавления противодавления, но, как предполагается, они будут до некоторой степени задерживать восходящий поток. Детонационные волны сжатия, идущие в направлении восходящего потока, дополнительно сжимают жидкость, уже имеющуюся во входных камерах, что является желательным. Волны давления в направлении потока от детонации будут препятствовать прямотоку в камеру сгорания, подобно действию механического клапана.

Камера подогрева 8 формируется кольцевым пространством, созданным между корпусом 27 камеры подогрева и корпусом 28 детонационной камеры; передний конец камеры подогрева 8 заглушен и уплотнен по жидкости фланцевой частью сопла 15.

Напорная камера 7 и камера подогрева 8 вместе являются расширительной камерой, которая имеет достаточный объем, чтобы снизить противодавление от детонационной камеры 10. Более конкретно, общий объем напорной камеры 7 и камеры подогрева 8 больше объема детонационной камеры 10 так, что статическое давление в напорной камере 7 снижено до выбранной степени давления детонации в детонационной камере 10. Расширение (противодавление) газа может быть аппроксимировано как адиабатический процесс, поскольку расширение происходит за очень короткий промежуток времени. Взаимосвязь давления и объема для адиабатического процесса выражается отношением:

Следовательно, объем камеры расширения Ve может быть получен с помощью уравнения

где Р и V являются давлением и объемом камер, соответственно, а нижний индекс "d" представляет детонационную камеру и индекс "е" представляет расширительную камеру. Коэффициент называют адиабатическим индексом, который является свойством газа. Объем и давление детонационной камеры в виде величин Vd, Pd обычно диктуются рабочими условиями камеры сгорания, и давление Pe расширительной камеры может быть продиктовано определенными конструктивными ограничениями, такими как предел напряжения стенок расширительной камеры. Если расширительная камера имеет обратный клапан (не показан), давление Pe расширительной камеры может быть выбрано по уровню регулирования давления обратным клапаном.

Альтернативно, напорная камера 7 и камера подогрева могут иметь объемом, который позволяет только одной камере служить расширительной камерой.

Чтобы облегчить производство и облегчить доступ при обслуживании, камера сгорания 1 разделена на три узла, как показано на фигуре 6; а именно узел торцевой крышки 3, напорной узел 35 и узел 36 камеры сгорания. Уплотнительные элементы 33 и 34 являются металлическими герметизирующими элементами, разработанными для поддержания положительного давления в камере сгорания.

На фигуре 7 напорной узел 35 состоит из внешнего корпуса 2, корпуса 27 камеры подогрева, усеченно-конического корпуса 26 дефлектора, отражательной пластины 22, впускного патрубка 31, монтажного фланца 30, к которому сопло 15 крепится болтами, и монтажного фланца 30, который соединен с торцевой крышкой 3.

На фигуре 8, узел камеры сгорания 36 включает корпус 28 детонационной камеры, сопло 15, установленное на переднем конце корпуса 28 детонационной камеры, вихревую форсунку 11, установленную на внешней поверхности корпуса 28 детонационной камеры вблизи ее заднего конца, ряд спиралей Шелкина 82, установленных на внутренней поверхности корпуса 28 детонационной камеры, и сопло E-D 14, расположенное в заднем конце корпуса 28 детонационной камеры в носовом обтекателе 9 перед спиралями Шелкина 82. Носовой обтекатель 9 служит для подачи потока окислителя радиально внутрь в огнеупорную амбразуру 13. Вихревая форсунка 11 насажена на носовой обтекатель 9 и на сопло E-D 14 и механически соединена с корпусом детонационной камеры 28.

Спирали Шелкина 82 размещены на внутренней поверхности корпуса 28 детонационной камеры, могут быть винтообразного типа и в одном виде могут быть вставкой типа вставного спирального элемента, жестко закрепленного на корпусе 28 детонационной камеры. Расстояние между поворотами спиральной части спиралей Шелкина может увеличиться по частоте или, иными словами, шаг между спиралями может быть уменьшен (или в некоторых случаях увеличен в зависимости от степени расширения газа) в соответствии с рабочими параметрами камеры сгорания.

Вихревая форсунка 11 является вихревым генератором для предварительного перемешивания и расположена в заднем конце камеры подогрева 8, которая направлена к отверстию 12 и вставлена в огнеупорную амбразуру 13. Как показано на фигуре 9, вихревая форсунка 11 создает турбулентность в потоке окислителя, чтобы обеспечить быстрое смешивание топлива и окислителя в огнеупорной амбразуре 13. Вихревая форсунка 11 состоит из нескольких спиральных лопаток, расположенных вокруг полой трубки или втулки. Лопатки имеют скрученную конфигурацию, и поверхность лопастей отходит от направления по оси с увеличением радиуса. Параметр закрутки вихревой форсунки 11 зависит от определения соответствующих вихревых скоростей для оптимизации смешивания окислителя и топлива. Параметр закрутки может быть вычислен, используя то же самое уравнение, которое используется для расчета прямых лопастей. В книге "Combustion Aerodynamics" by J.M. Beer and N.A. Chigier, R.E. Krieger Publishing Company, 1983. Параметр закрутки S осевой лопастной вихревой форсунки определяется формулой

Где:

do = внешний диаметр лопатки

dh = ступица или внутренний диаметр лопатки

Q = угол отклонения между осевым направлением лопатки и тангенциальным направлением лопатки.

Подходящий параметр закрутки лежит между 0,3 и 0,6. Вихревая форсунка 11 в одном варианте воплощения имеет угол отклонения 30°, который соответствует параметру закрутки 0,51. Вихревая форсунка 11 передает тангенциальную область потока окислителя в огнеупорную амбразуру 13. Вихревая форсунка 11 рассчитана на падение давления и на создание достаточной турбулентности потока, чтобы облегчить быстрое смешивание топлива в огнеупорной амбразуре 13.

Турбулентность имеет эффект значительного улучшения качества топлива и окислителя, смешанно