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. N°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.

Известно 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.

Наиболее близким к предложенному является устройство пульсирующего горения по патенту JPH 032255101 А, содержащее камеру сгорания и гасители акустического шума от энергии горения, расположенные на входе в камеру сгорания.

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 использованием в устройствах пульсирующего горения, по меньшей мере, одного обратного клапана газовой среды для устройства пульсирующего горения, содержащего по меньшей мере один гаситель ударной волны на входе и/или по меньшей мере один гаситель ударной волны на выходе.

Обратный клапан предпочтительно представляет собой механический обратный клапан газовой среды и содержит первый корпус, в котором установлена по меньшей мере одна неподвижная пластина с отверстиями, подвижные мембраны для перекрытия отверстий и ограничители хода указанных мембран.

При этом желательно, чтобы пластина была соединена с первым корпусом с помощью виброизолятора.

Возможен вариант исполнения клапана, при котором по меныпей мере один гаситель ударной волны расположен в первом корпусе.

Также возможен вариант, при котором по меньшей мере один гаситель ударной волны расположен по меньшей мере в одном втором корпусе, соединенном с первым корпусом.

Кроме того, целесообразно, чтобы по меньшей мере один второй корпус был соединен с первым корпусом посредством по меньшей мере одного виброизолятора.

Обратный клапан также может представлять собой динамический обратный клапан газовой среды.

При этом предпочтительно выполнение динамического обратного клапана газовой среды в виде винтового канала.

Возможен вариант исполнения клапана, при котором по меньшей мере один гаситель ударной волны представляет собой экран с отверстием или щелью, размещенный в первом или по меньшей мере в одном втором корпусе.

В других вариантах исполнения клапана по меньшей мере один гаситель ударной волны представляет собой сплошной лист, или перфорированный лист, или лист металловойлока, размещенный в первом или по меньшей мере в одном втором корпусе.

Кроме того, возможен вариант, при котором по меньшей мере один гаситель ударной волны представляет собой участок канала газовой среды в виде изогнутой трубы, образующей поворот канала. Кроме того, по меныпей мере один гаситель ударной волны может представлять собой спиральный канал.

Целесообразно разместить на стенках по меньшей мере одного гасителя ударной волны звукопоглощающий материал.

В предпочтительном варианте обратный клапан следует установить в устройстве пульсирующего горения с применением по меньшей мере одного виброизолятора.

Целесообразно также зафиксировать обратный клапан в необходимом положении в устройстве пульсирующего горения с помощью по меньшей мере одного упругого элемента.

Кроме того, целесообразно расположить обратный клапан в камере ограждения, на стенках которой размещен звукопоглощающий материал.

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 гасители для подавления акустического шума от энергии горения в камере сгорания, 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 и патента JPH 032255101 А, 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. 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.

Перечень чертежей

На Фиг. 1 - в одном корпусе обратный клапан газа с гасителями ударной волны на входе и выходе. На Фиг. 2 - виброизоляция обратного клапана газа от корпуса и гасителей ударной волны.

На Фиг 3 - конструкция обратного клапана газа с гасителями ударной волны, которая собирается из нескольких корпусов.

На Фиг. 4 - обратный клапан газа с гасителями ударной волны в виде поворота канала, сплошного экрана, перфорированного экрана и металловойлока.

На Фиг. 5 - обратный клапан газа с гасителями ударной волны в виде винтового канала.

На Фиг. 6 - аэродинамический обратный клапан с гасителем ударной волны.

На Фиг. 7 - аэродинамический обратный клапан в форме гасителя ударной волны

На Фиг. 8 - графики колебаний расхода и давления газа при его прохождении через обратный клапан.

На Фиг. 9 - установка обратного клапана с применением виброизолятора и упругих элементов.

Примеры предпочтительного выполнения изобретения

Гасители ударной волны могут быть выполнены в виде экранов, расположенных на пути распространения ударной волны. На Фиг. 1 в корпусе 1 размещен механический обратный клапан газовой среды, состоящий из пластины 2 с отверстиями, мембран 3 и ограничителей 4 хода мембран 3. В корпусе 3 на входе в обратный клапан размещаются гасители ударной волны в виде экранов 5 с отверстиями 6, а на выходе обратного клапана размещаются гасители ударной волны в виде экранов 7 с отверстиями 8. Отверстия 6 и 8 расположены так, чтобы вектор потока газовой среды не был соосным с вектором распространения ударной волны. Стенки экранов 5 и 7 и стенки корпуса 1 покрыты звукопоглощающим материалом.

Наибольшее воздействие ударная волна оказывает на обратный клапан, что приводит к вибрациям высокой интенсивности пластины и стенок обратного клапана. На Фиг. 2 обратный клапан 10 установлен в корпусе 11 с применением виброизоляции 12.

На Фиг. 1 и Фиг. 2 показан вариант обратных клапанов с гасителями ударной волны, выполненный в одном корпусе. На обратный клапан могут устанавливаться гасители ударной волны, имеющие свой корпус. На Фиг. 3 в корпусе 13 расположен обратный клапан 14, содержащий пластины 15 и 16. На входе обратного клапана 14 к корпусу 13 присоединены гасители 17 ударной волны, к которым присоединены гасители 18 ударной волны, а на выходе обратного клапана 14 к корпусу 13 присоединены гасители 19 ударной волы, к которым присоединены гасители 20 ударной волны. Гасители 17 и 18 установлены жестким соединением 21 и 22, а гасители 19 и 20 установлены с применением виброизоляторов 23 и 24.

На Фиг. 4 показаны различные исполнения гасителей ударной волны. На корпусе 25 обратного клапана 26 газовой среды установленные гасители ударной волны виде поворота канала 27 и сплошного экрана 28, а внутри корпуса 25 на входе в обратный клапан расположены гасители ударной волны в виде металловойлока 29 и перфорированного экрана 30. В корпусе 22 на выходе обратного клапана установлены гасители ударной волны в виде сплошного экрана 31, установленного с зазором относительно корпуса 22, и сплошного экрана 32, установленного без зазора, но имеющего проходное отверстие. На Фиг. 5 внутри корпуса 33 обратного клапана 34 газовой среды на входе обратного клапана 34 установлен гаситель ударной волны 35 в виде винтового канала.

Кроме механических обратных клапанов газовой среды, показанных на Фиг. 1 - Фиг. 5, могут использоваться аэродинамические клапаны газовой среды. На Фиг. 6 аэродинамический клапан 36 установлен на камеру сгорания 37, на входе аэродинамического клапана 36 установлен гаситель ударной волны 38 в виде винтового канала.

На Фиг. 7 аэродинамический клапан 39 может быть выполнен в виде винтового канала, совмещая функции обратного клапана и гасителя ударной волны. Клапан 39 жестко связан с камерой 40 сгорания.

Механические обратные клапаны газовой среды при работе в устройствах пульсирующего горения на каждом такте горения создают ударную волну. На Фиг. 1 при движении воздуха, горючего газа или горючей смеси в камеру сгорания мембраны 3 прижаты к ограничителям 4 и проходные отверстия пластины 2 открыты. При начале горения и росте давления в камере сгорания происходит закрытие обратного клапана, при этом мембраны 3 перемещаются обратным потоком газа от ограничителей 4 к пластине 2 и закрывают проходные отверстия в пластине 2.

В момент достижения мембранами 3 пластины 2 и перекрытия проходных отверстий в пластине 2 поток газа быстро и практически мгновенно останавливается, что создает ударную волну. При этом на одной стороне пластины 2 происходит скачок повышения давления, а на другой стороне пластины 2 происходит скачок понижения давления. Пластина 2 испытывает воздействие, подобное удару твердым предметом, а в газовой среде распространяется ударная волна, которая создает шум высокой интенсивности. На Фиг. 8 приведен условный пример рабочих колебаний расхода газа через обратный клапан. Линия 41 показывает расход газа в прямом направлении. Линия 42 показывает расход газа в обратном направлении. Линия 43 показывает скачок скорости при закрытии клапана. Линия 44 показывает давление на обратном клапане на стороне притока газа. Линия 45 показывает скачок разрежения, создающий ударную волну на стороне притока газа. Линия 46 показывает давление на клапане на стороне камеры сгорания. Линия 47 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.

В устройствах пульсирующего горения ударная волна воздействует на пластину 2 (Фиг. 2) обратного клапана, к которой прилегают мембраны 3, подобно удару твердым предметом. Поскольку пластина 2 имеет собственную резонансную частоту, то пластина 2 начинает вибрировать на этой собственной частоте. Когда на пластину 2 обратного клапана воздействует ударная волна следующего такта, пластина 2 еще продолжает вибрировать от воздействия предыдущей ударной волны, поэтому очередная ударная волна увеличивает амплитуду колебаний пластины 2. Увеличение амплитуды колебаний пластины 2 происходит до тех пор, пока добавляемая ударными волнами энергия не выровняется с потерями энергии колебаний пластины 2 за время между воздействиями ударной волны. Потери энергии колебаний пластины 2 происходят в пластических деформациях пластины 2, при передаче энергии в колебания окружающего клапан газа и при передаче вибраций на корпус устройства. Обычно пластина 2 клапана выполнена из упругого материала, поэтому потери пластических деформаций малы, а почти вся энергия воздействия ударной волны на пластину 2 клапана преобразуется в шум и вибрацию.

В атмосфере ударная волна проявляется акустическим шумом по интенсивности значительно превышающим интенсивность акустического 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. На Фиг. 9 для предотвращения распространения этих вибраций установлен виброизолятор 48 между обратным клапаном 49 с гасителями 50 и 51 ударной волны и камерой 52 сгорания опосредованно через пламегаситель 53. 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 54 и 55 между корпусом обратного клапана 49 и стенками камеры 56 ограждения.

В замкнутом объеме, например, в камере 56 ограждения обратного клапана 46 горючей смеси, ударная волна многократно отражается, отдавая почти всю энергию колебаниям стенок камеры 56 ограждения и, соответственно, акустическому шуму наружной поверхности стенок и вибрациям. На стенки камеры 56 ограждения, кроме распространяющейся ударной волны, воздействует и шум, созданный колебаниями стенок гасителей 50 и 51 ударной волны. Шум многократно отражается от внутренней поверхности стенок камеры 56 ограждения, в результате чего шум отдает почти всю энергию колебаниям стенок, эти колебания распространяются в виде вибраций и акустического шума наружной поверхности стенок камеры 56 ограждения. Для эффективного погашения реверберации можно применить покрытие звукопоглощающими материалами 57 внутренних поверхностей стенок камеры 56 ограждения. Также стенки гасителей ударной волны могут покрываться звукопоглощающим материалом 9 на Фиг. 1.

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.