способ организации рабочего процесса в камере сгорания реактивной горелки

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ РЕАКТИВНОЙ ГОРЕЛКИ с наружным охлаждением огневой стенки путем подачи металлизированного алюминием топлива и потока охлаждающей завесы вдоль внутренней огневой стенки горелки, отличающийся тем, что завесу создают щелочной средой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что щелочную среду в потоке завесы создают введением водного раствора гидроокиси натрия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике огневого бурения, в частности, к способам организации рабочего процесса в камере сгорания реактивных горелок, работающих на жидких компонентах топлива с добавкой алюминия, и может быть использовано в горном деле.

Общеизвестны способы огневого бурения крепких горных пород с применением газообразного кислорода в качестве окислителя и жидкого горючего. Скорость огневого бурения может быть значительно увеличена при применении жидких компонентов топлива. В этом техническом решении жидкие компоненты топлива насосами подаются из баков через форсунки в камеру сгорания, в которой химическим путем они воспламеняются. Высокотемпературные продукты сгорания топлива разгоняются в сопле Лаваля горелки и выбрасываются с большой скоростью. При воздействии сверхзвукового газового потока на породы происходит ее разрушение. В известном решении охлаждение внутренней стенки горелки осуществляют водой, которую пропускают между рубашками горелки и отводят тепло от огневой стенки.

Общеизвестно, что эффективность бурения повышается с увеличением скорости, температуры и плотности потока продуктов сгорания, т.е. с увеличением энергетических характеристик применяемого топлива. В этой связи перспективно применение металлизированного топлива, в частности, алюминием. При этом решаются задачи как стабилизации процесса горения, так и значительного повышения энергетических характеристик потока выбрасываемых через сопло продуктов сгорания, так как при горении алюминия в камере выделяется большое количество тепла и образуются частицы с плотностью до 4 г/см³.

Однако практическая реализация преимуществ металлизированного алюминием топлива связана с серьезными трудностями из-за того, что жидкие частицы окиси алюминия, образующиеся при горении алюминия, налипают на внутренние поверхности охлаждаемой снаружи стенки горелки и нарушают охлаждение конструкции, что приводит к прогару стенки и разрушению горелки. Повышенные тепловые потоки в стенку камеры сгорания обусловлены высокими энергетическими характеристиками топлива в целом, выделением дополнительной тепловой энергии в стенку при отвердевании жидких частиц окиси алюминия на охлаждаемой стенке камеры сгорания.

Известные технические решения по организации рабочего процесса в реактивных горелках, работающих на алюминизированном топливе, направлены на обеспечение работоспособности конструкции при наличии жидкой или твердой фазы в продуктах сгорания различными конструктивными мерами: путем ввода дополнительного компонента в сверхзвуковую струю за пределами камеры сгорания, путем организации абляционного охлаждения за счет плавления, сгорания и разрушения поверхностного слоя стенки горелки, сопровождающегося уносом массы потоком газа, путем применения тугоплавких и термостойких покрытый на внутреннюю стенку горелки, путем организации вышеназванного наружного охлаждения огневой стенки горелки, а также путем организации внутреннего завесного охлаждения, при котором вдоль стенки горелки создают пристеночный слой с пониженной по сравнению с ядром потока температурой, который уменьшает тепловые потоки в стенку горелки от ядра.

Общим недостатком этих решений является недостаточная эффективность охлаждения конструкции при использовании топлив с добавкой алюминия, вследствие чего ресурс работы горелок, работа которых организована с использованием указанных решений, остается небольшим.

Поэтому при использовании высокоэффективных топлив используются комбинированные способы охлаждения конструкций. Известен способ организации рабочего процесса в камере реактивной горелки, взятый за прототип, при котором защиту стенки горелки ведут путем наружного охлаждения в комбинации с внутренним: созданием пристеночного слоя вдоль огневой стенки горелки. В соответствии с прототипом рабочий процесс в камере горелки организуют подачей компонентов топлива в камеру сгорания, охлаждением внутренней стенки снаружи и изнутри. Тепло от стенки отводится теплоносителем, протекающим в межрубашечном тракте охлаждения, пристеночный слой завесы защищает стенку от тепловых потоков ядра газового потока.

Недостатком известного решения по прототипу является неудовлетворительное охлаждение стенки горелки в случае применения алюминизированного топлива. При горении такого топлива образуется окись алюминия, частицы которой бомбардируют пристеночный слой, разрушают его, осаждаясь на стенке горелки, особенно во входной части сопла. Этот недостаток является следствием того, что газ (или жидкость) завесы представляет собой инертный относительно окиси алюминия продукт. Осаждение окиси алюминия на стенку горелки вызывает местный перегрев стенки, нарушает охлаждение ее, что приводит к прогару и потере работоспособности конструкции.

Изобретение направлено на уменьшение выноса окиси алюминия на огневую стенку камеры путем создания химически активного к окиси алюминия пристеночного слоя, реагирующего в условиях камеры сгорания с окисью алюминия и разрушающего ее.

Этот результат достигается тем, что дополнительно к известным операциям по организации рабочего процесса в камере реактивной горелки с наружным охлаждением стенки путем ввода компонентов топлива и алюминия в камеру и образования пристеночного слоя завесы, в течение всего времени рабочего процесса или импульсно в пристеночном слое создают завесу щелочной средой, например, введением в пояс завесы водного раствора гидроокиси натрия. При этом в пристенке камеры реализуется рабочий процесс горения топлива в щелочной среде и имеют место реакции с образованием хорошо растворимых в воде алюминатов или гидроксоалюминатов щелочных металлов следующего типа:

Al₂O₃ + 2NaOH 2NaAlO₂ + H₂O (2)

Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O 2Na[Al(OH)₄]

Аналогичные реакции возможны при введении в камеру сгорания гидроокислов многих щелочных металлов, однако выгоднее вводить гидроокиси натрия или калия, так как эти вещества чрезвычайно химически активны уже при нормальных условиях и имеют лучшие массовые соотношения протекающих реакций. В условиях работы камеры сгорания реактивной горелки эти реакции протекают очень интенсивно, что приводит к химическому разрушению окиси алюминия, попадающей в пристеночный слой. Степень уменьшения концентрации окиси алюминия в пристенке в этом случае находится в зависимости от количества вводимой в слой завесы щелочи. Термодинамически возможно полное разрушение окиси алюминия в пристенке камеры с вводом 0,8 в.ч. щелочи натрия на каждую в.ч. окиси алюминия, находящейся в пристенке камеры. Частицы окиси алюминия, попадая в щелочную среду, реагируют со щелочью. Пpодукты реакций (1) и (2), в том числе и попадающие на огневую стенку горелки легко выбрасываются (смываются) парогазовым потоком из горелки.

Введением щелочи в пристеночный слой завесы вдоль огневой стенки горелки создают химически активный по отношению к окиси алюминия парогазовой пристеночный слой, предохраняющий стенки камеры от воздействия окиси алюминия, образующейся при горении алюминизи- рованного топлива, путем ее химического разрушения. Требуемое или достаточное количество вводимой щелочи в пристеночный слой завесы определяется многими факторами: режимом работы горелки, типом окислителя и завесы, типом охлаждающей жидкости в тракте охлаждения, временем работы, конструкцией смесительной головки и корпуса камеры сгорания горелки и др. При этом во всех случаях к материалу внутренней огневой стенки камеры или ее покрытию предъявляется требование стойкости к щелочной среде.

На чертеже изображена принципиальная схема горелки, в которой реализуют предлагаемый способ.

На чертеже приняты следующие обозначения: 1 камера сгорания, 2- смесительная головка, 3 сопло Лаваля, 4 внутренняя огневая стенка горелки, 5 наружная стенка горелки, 6 кожух, 7 полость алюминизированного горючего, 8 магистраль подвода алюминизированного горючего, 9 полость окислителя, 10 магистраль подвода окислителя, 11 входной коллектор охладителя, 12 магистраль подвода охладителя, 13 тракт подвода охладителя к соплу, 14 тракт наружного охлаждения внутренней стенки, 15 отводной коллектор охладителя, 16 магистраль отвода охладителя, 17 двухкомпонентные топливные форсунки, 18 коллектор завесы, 19 магистраль подвода завесы, 20 пояс завесы горелки, 21 пристеночный слой завесы внутреннего охлаждения.

Пример осуществления предлагаемого способа. Окислитель четырехокись азота, горючее 40%-ная суспензия алюминия в гидразине. Охлаждение наружное водой, внутреннее 50%-ным водным раствором гидроокиси натрия. Расход окислителя 14,8 кг/с, расход горючего 13,8 кг/с, расход 50%-ного водного раствора гидроокиси натрия 0,85 кг/с. Этого количества щелочи достаточно для полного разрушения окиси алюминия, находящейся в пристеночном слое камеры сгорания толщиной 3 мм при диаметре камеры 160 мм.

Размерность горелки выбрана из расчета проходки скважины диаметром 1.1,5 м. Скважины такого диаметра нужны, например, для устройства вентиляционных каналов туннелей.

Для осуществления способа алюминизированное горючее подают по магистрали 8 в полость 7 головки 2 и через форсунки 17 впрыскивают в камеру сгорания 1. Одновременно с этим окислитель по магистрали 10 подают в полость 9 и через другие каналы форсунок 17 вводят в камеру сгорания 1, в которой оба компонента топлива, взаимодействия, воспламеняются и сгорают, реализуя рабочий процесс. Этот процесс сопровождается наружным охлаждением, подачей охладителя по магистрали 12 во входной коллектор 11, в тракт подвода охладителя 13 к соплу 3 и далее в тракт наружного охлаждения 14 внутренней стенки 4 горелки. Отвод охладителя осуществляется по магистрали 16. Одновременно с этим по магистрали 19 в коллектор завесы 18 подводят водный раствор щелочи, который через пояс завесы 20 вводят в камеру сгорания 1, где за счет поглощения тепла происходит образование вдоль огневой стенки 4 химически активного по отношению к окиси алюминия (но не к материалу или покрытию стенки) пристеночного парогазового завесного слоя щелочной среды. Окись алюминия, которая образуется в процессе горения алюминия, попадая в этот слой, реагирует со щелочью с образованием растворимых в воде веществ, легко выносимых из горелки потоком газа. Внутренняя стенка горелки не подвергается тепловому и эрозионному воздействию окиси алюминия, охлаждение конструкции не нарушается.