RS68026B1 - Uređaj za brzo mešanje vazdušne struje sa tečnim ili gasovitim visokoreaktivnim gorivom i postupak njegove izrade - Google Patents

Description

[0001] Ovaj pronalazak se uopšteno odnosi na oblast potpunog i niskoemisionog sagorevanja goriva. Radi postizanja ovog cilja mogu se koristiti gorionici koji se mogu pobuditi termoakustički. Austrijski patent AT 516424 B1 predstavlja uređaj za upravljanje plamenom koji obuhvata vod za dovođenje oksidansa i konvencionalni sagorivi gorivi gas, gorionik za sagorevanje istih i pulsni uređaj pomoću kojeg se oksidans može pobuditi da osciluje. Gorionik sadrži kontrolnu oblast za vođenje oscilujućeg oksidansa i gorivog gasa radi generisanja inicijalnog plamena i glavnu oblast za glavni plamen, pri čemu je kontrolna oblast priključena na pulsni uređaj. U glavnoj oblasti može se uvoditi dalja količina oksidacionog agensa i goriva.

[0002] US 2019/0011122 A1 opisuje pulsni gorionik i izmenjivač toplote sa uzdužnom osom koji je konfigurisan za prihvat oksidansa i goriva i za generisanje ohlađene struje rezultata sagorevanja. Pulsacioni gorionik i izmenjivač toplote obuhvata ulazni odeljak za oksidans koji prihvata oksidans, više kanala za gorivo koji prihvataju gorivo, pri čemu su ti kanali raspoređeni po obimu izmenjivača toplote. Odeljak za mešanje vrši umešavanje oksidansa sa gorivom. Kanali za gorivo pružaju se između ulaznog odeljka za oksidans i odeljka za umešavanje. Odeljak za sagorevanje prima oksidans i gorivo i generiše pulsirajuću struju gasa koji sagoreva, a odeljak za prenos toplote konfigurisan je za prijem pulsirajuće struje sagorevanja.

[0003] [0003] Ovaj pronalazak ima za cilj proširenje tehnologije za potpuno i niskoemisiono sagorevanje goriva na bezugljenična goriva, uključujući H₂ , NH₃ i H₂ S. Opšti princip 100 niskoemisionog sagorevanja goriva prikazan je na slici 1. Pobuđivač 103 napajan inicijalnim vazduhom 104 generiše pulseve u protoku inicijalnog vazduha 104. Pobuđivač 103 je sredstvo za generisanje pulseva (kao što je aktivni uređaj poput sirene ili zvučnika, ili pasivni uređaj poput akustičnog rezonatora) i montiran je nizvodno od predmešača 101, koji uvodi pulsirajući inicijalni vazduh 104 u predmešač 101. Gorivo 105 se takođe dovodi u predmešač 101. Predmešač 101 meša inicijalni vazduh 104 i gorivo 105 i dovodi smesu u gorionik 102, gde se sagoreva kao inicijalni plamen 106, koji se koristi kao pokretač za poboljšanje performansi glavnog plamena 107 generisanog u gorioniku 102 u smislu granica zapaljivosti, potpunog sagorevanja i nivoa NOₓ. Za generisanje i održavanje glavnog plamena 107, smeša glavnog vazduha 109 i goriva 108 dovodi se u gorionik 102 kao izvor za generisanje i održavanje glavnog plamena 107. Gorionik 102 se hladi vazduhom za hlađenje i razblaživanje 110.

[0004] Glavni zadatak predmešača 101 je generisanje inicijalnog plamena 106 koji uvek gori (kao u gasnim kotlovima). To garantuje bezbedno paljenje glavnog plamena 107. Stepenasta organizacija sagorevanja (inicijalni plamen 106 i glavni plamen 107) smanjuje azotove okside (NOₓ). Glavni plamen (107) ima višak vazduha, tj. to je osiromašena smeša goriva i vazduha. Više od 90% toplotne snage dolazi iz glavnog plamena 107, a manje od 10% iz inicijalnog plamena 106. Inicijalni plamen 106 ima stohiometrijski odnos vazduha i goriva, tj. to je bogatija smeša od one u glavnoj zoni, što proizvodi odgovarajuću količinu NOₓ.

[0005] Prethodno umešano sagorevanje, koje opciono radi u osiromašenom domenu (ili sa viškom vazduha u odnosu na stohiometriju), postalo je standard za efikasno i niskoemisiono sagorevanje (videti npr. Arthur H. Lefebvre, Gas Turbine Combustion – Drugo izdanje, Taylor & Francis, 1999, ili Tim C. Lieuwen i Vigor Yang, Gas turbine emissions, poglavlje 38 Cambridge Aerospace Series, Cambridge University Press, 2013).

[0006] Radi proširenja ove tehnologije na bezugljenična goriva, uključujući H₂ , NH₃ i H₂ S, pokazalo se da predmešači koji se trenutno koriste u uređajima za niskoemisiono sagorevanje nisu upotrebljivi za sagorevanje bezugljeničnih goriva, posebno kada goriva sadrže vodonik kao komponentu sagorevanja.

[0007] Za postizanje efikasnog i niskoemisionog sagorevanja mogu se koristiti dvostepeni gorionici, tj. inicijalni gorionik i glavni gorionik, od kojih svaki sagoreva prethodno pomešana goriva. Obećavajuća konfiguracija koja garantuje robustno sagorevanje jeste korišćenje čistog H₂ ili H₂ -obogaćenog goriva u inicijalnom plamenu i bilo kojeg goriva u glavnom gorioniku.

[0008] Dve opšte mane prethodno pomešanog sagorevanja su:

[0010] • gašenje usled osiromašene smeše: To je donja granica rada pri kojoj plamen teži da nestane. Sadržaj goriva je preniski, ili je sadržaj vazduha previsok da bi se samoodržalo sagorevanje. Ovo je tipično oko koeficijenta ekvivalentnosti φ = 0,6 za konvencionalne gasove.

[0012] • povratni plameni udar: Plamen napušta svoju prosečnu poziciju i leti uzvodno, nazad u mešač gde se gorivo ubrizgava. Nakon toga, plamen se ustaljuje kao difuzioni plamen u zapreminama predviđenim za harmonizaciju smeše pre plamena. Ova situacija ne sme da traje jer bi se u suprotnom gorionik oštetio. Dva razloga koji dovode do povratnog plamenog udara su usporavanje reaktanata ili postavljanje na najviše brzine plamena (oko stohiometrije za konvencionalna goriva, i u bogatom domenu φ = 2 za vodonik).

[0013] U specifičnom slučaju goriva koja sadrže vodonik, važi sledeće:

[0015] • gašenje usled osiromašene smeše nije problem: Zbog izuzetne reaktivnosti vodonika, može sagoreti sve do koeficijenata ekvivalentnosti oko 0,1, što sa termalnog stanovišta nije posebno interesantno. Plamen koji radi do phi = 0,25 stoga nije problem i ponaša se stabilno i bez povratnog plamenog udara (temperatura plamena u atmosferskim uslovima oko 1060 K).

[0017] • povratni plameni udar je glavni problem: Brzine plamena vodonika su oko 10 puta veće od brzina plamena konvencionalnih goriva. Brzina strujanja smeše stoga mora biti održana visokom. Štaviše, njegova najveća brzina u bogatom domenu uzrokuje povratni plameni udar u slučaju lošeg mešanja. Ovaj problem je trenutna prepreka za mnoge termalne primene vodonika.

[0018] Ovaj pronalazak uopšteno ima za cilj rešavanje dva zadatka, i to, omogućavanje boljeg kvaliteta sagorevanja i sprečavanje povratnih plamenih udara.

[0019] Zahvaljujući prethodnom umešavanju, temperatura plamena je niža. U principu, plamen H₂ ima temperaturu plamena za oko 100 °C višu od konvencionalnih goriva. Prethodno umešavanje snižava temperaturu plamena i time smanjuje nivoe azotnih oksida. To jest, prethodno pomešani H₂ plameni imaju smanjenu emisiju NOₓ i temperaturu koja je otprilike ista kao temperatura plamena konvencionalnih goriva.

[0020] Za rešavanje navedenih zadataka pronalaska potreban je uređaj za brzo mešanje (predmešač) za mešanje visokoreaktivnog goriva, kao što je H₂ , sa vazduhom, koji može što brže da proizvede dobro promešanu smešu pri povišenim brzinama strujanja.

[0021] [0013] Ovaj pronalazak rešava ovaj zadatak tako što predstavlja uređaj za umešavanje vazduha sa tečnim ili gasovitim visokoreaktivnim gorivom u skladu sa patentnim zahtevom 1. Poželjne izvedbe pronalaska definisana su zavisnim patentnim zahtevima, opisom i nacrtima.

[0022] Ovaj pronalazak predlaže uređaj za umešavanje za mešanje vazdušne struje sa tečnim ili gasovitim visokoreaktivnim gorivom, kao što je vodonik, pri čemu uređaj za mešanje obuhvata izduženo rotaciono telo koje ima kraj sa ulazom vazduha, kraj sa izlazom vazduha i šuplju centralnu zapreminu koja prolazi kroz rotaciono telo duž njegove ose. Uređaj za umešavanje obuhvata više kanala za gorivo raspoređenih na rotacionom telu i distribuiranih oko obima rotacionog tela, pri čemu se kanali za gorivo pružaju između kraja sa uvodom vazduha i kraja sa izvodom vazduha rotacionog tela, pri čemu kanali za gorivo sadrže otvore za uvod goriva blizu ili na kraju sa uvodom vazduha rotacionog tela i otvore za ubrizgavanje goriva na kraju sa izvodom vazduha rotacionog tela.

[0023] Pronalazak primenjuje princip višemlaznog ubrizgavanja, koji garantuje homogenost smeše goriva i vazduha. Profil rotacionog tela omogućava brzo strujanje vazduha i goriva pri uslovima malog pada pritiska. Nadalje, uređaj za umešavanje prema ovom pronalasku izbegava zone odvajanja struje, gde bi se povratni plamen mogao ustaliti. Mlaz goriva i vazduha su u zajedničkom strujanju, što znači da im je smer strujanja iste orijentacije. Mlaz goriva je smešten između dva toka vazduha, što povećava efikasnost umešavanja. Gorivo protiče kroz zidove uređaja za umešavanje i izbacuje se na kraju sa izvodom vazduha rotacionog tela, nudeći malu površinu za hvatanje plamena, čime se znatno smanjuje rizik od povratnih plamenih udara. Gorivo (tečno ili gasovito, čisto ili mešavina) raspoređuje se kroz mnoge unutrašnje kanale, koliko god ima tačaka ubrizgavanja na vrhu (distribucija goriva na više tačaka). Jednom emitovani, višestruki mlazevi goriva prihvataju se između unutrašnjeg i spoljašnjeg toka vazduha, što dovodi do brzog umešavanja. Oblik rotacionog tela olakšava razmenu toplote, radi harmonizacije temperatura reaktanata, što zauzvrat dovodi do homogene smeše.

[0024] [0016] Prethodno se smatralo najboljim načinom za homogeno mešanje vazduha i goriva (tečnog ili gasovitog) ubrizgavanje goriva u poprečnom mlazu u vazdušnu struju, što znači izvođenje tačkastog ubrizgavanja goriva upravno na vazdušnu struju. Nastali mlaz goriva savija se pod dejstvom momenta glavnog toka vazduha, i počinje difuzija goriva. Dokument AT 522614 B1 opisuje ovakvu homogenu, dobro distribuiranu i dobro termalizovanu smešu goriva i vazduha u poprečnoj struji. Međutim, primena principa poprečnih mlazeva na sagorevanje visokoreaktivnih goriva nije preporučljiva, jer prodiranje mlaza goriva u strujanje pruža lako mesto za difuzioni plamen, sa svojom nultom aksijalnom brzinom strujanja. Zato pronalazak zamenjuje mlazeve u poprečnom strujanju mlazevima u zajedničkom strujanju: pravci strujanja imaju istu orijentaciju. Mada je to manje efikasno od poprečnog strujanja u pogledu efikasnosti mešanja, pruža manju mogućnost stalnog mesta plamena. Nadalje, mlaz je smešten između dva toka vazduha umesto jednog, što delimično kompenzuje gubitak efikasnosti mešanja.

[0025] EP 2 221 541 A2 opisuje koaksijalni predmešač goriva i vazduha za gorionik gasne turbine koji obuhvata periferijski zid koji definiše komoru za umešavanje, sa mlaznicom smeštenom unutar periferijskog zida koja sadrži spoljašnji prstenasti zid razmaknut od periferijskog zida tako da definiše spoljni vazdušni prolaz između periferijskog zida i spoljašnjeg prstenastog zida, unutrašnji prstenasti zid smešten unutar i razmaknut od spoljašnjeg prstenastog zida, tako da definiše unutrašnji vazdušni prolaz, i prstenasti prostor za gasovito gorivo između spoljašnjeg prstenastog zida i unutrašnjeg prstenastog zida. US 7,406,827 B2 opisuje uređaj za ubrizgavanje smeše goriva i vazduha u komoru za sagorevanje, koji obuhvata koplje za gorivo za ubrizgavanje goriva, putem najmanje dva odvojena prolaza, u komoru za sagorevanje naizmenično ili istovremeno na mestu ubrizgavanja raspoređenom suštinski na vrhu koplja. Rizik od povratnih plamenih udara smanjuje se time što koplje za gorivo, pored goriva, propušta i vazduh za čišćenje do mesta ubrizgavanja, a taj vazduh za čišćenje na mestu ubrizgavanja usmerava se između dva sistema goriva, na način da su ti sistemi međusobno odvojeni vazduhom za čišćenje.

[0026] Jedna izvedba uređaja za umešavanje prema pronalasku karakteriše se time da zidovi kanala za gorivo sačinjavaju rotaciono telo. Ova izvedba ima prednost da su zidovi kanala za gorivo ugrađeni u rotaciono telo i odlični su za pravljenje tela pomoću metoda aditivne proizvodnje. Putanje kanala za gorivo koriste se za definisanje skeleta zidne konstrukcije.

[0027] [0019] Kada su kanali za gorivo tangencijalno uvijeni u odnosu na osu rotacionog tela u krajnjoj oblasti rotacionog tela na njegovom kraju sa izlazom vazduha, ostvaruje se ubrizgavanje sa vrtlozima, koje generiše tangencijalni moment mlazevima goriva, čime se skraćuje dužina razblaženja i poboljšava mešanje goriva i vazduha. Poželjno je da ugao uvijanja kanala za gorivo u odnosu na osu rotacionog tela kontinuirano raste prema kraju sa izlazom vazduha. Nadalje, poželjno je da maksimalna vrednost ugla uvijanja bude manja od 170°.

[0028] U alternativnoj izvedbi uređaja za umešavanje prema ovom pronalasku, kanali za gorivo su pravi i raspoređeni u obliku hiperboloida. Aerodinamika ove izvedbe omogućava povišene brzine strujanja pri najnižem mogućem padu pritiska (funkcija kvadrata brzine strujanja). Putanje kanala za gorivo koriste se za definisanje skeleta zidne konstrukcije rotacionog tela. Ovaj prikaz je važan za hvatanje vektora brzine goriva kada dolazi u kontakt sa vazduhom, na izlazu iz tela. Ova orijentacija generiše vrtloženje okolnog vazduha putem efekta prevlačenja. Ovaj efekat prevlačenja i vrtloženja još je jači ako kanali nisu pravi, već pokazuju spiralnu putanju kao što je opisano u prethodnom pasusu. Ovi efekti prevlačenja i vrtloženja takođe doprinose brzom mešanju.

[0029] Izvedba uređaja za umešavanje prema ovom pronalasku karakteriše se time da kanali za gorivo obuhvataju najmanje jedan odeljak sa kontinualno smanjujućim poprečnim presekom u pravcu otvora za ubrizgavanje. Ova izvedba pruža prednost što kanali za gorivo funkcionišu kao mlaznica i zagušuju tok goriva. Izbegavanjem skokova ili naglih promena u poprečnom preseku kanala za gorivo, sprečava se nastajanje turbulencija i padova pritiska.

[0030] Kada kanali za gorivo uređaja za umešavanje obuhvataju odeljak sa kontinualno širećim poprečnim presekom prema otvoru za ubrizgavanje, izbegavaju se skokovi ili nagle promene poprečnog preseka koje bi izazvale turbulencije i padove pritiska. Ova izvedba omogućava povišene brzine strujanja pri najnižem mogućem padu pritiska.

[0031] Pogodna izvedba uređaja za umešavanje prema ovom pronalasku karakterisana je time da šuplji centralni prostor ima polupečnik koji se kontinualno menja makar u odeljcima duž ose rotacionog tela, pri čemu je odnos polupečnika i dužine ose manji od 1, poželjno manji od 0,5. Mali odnos ose i polupečnika poboljšava razmenu toplote. Idealno, temperatura mlazeva goriva je ravnomerna čak i na mestu ubrizgavanja i što bliža temperaturi okoline.

[0032] U drugoj pogodnoj izvedbi uređaja za umešavanje prema ovom pronalasku, kanali za gorivo formirani su od dva suprotno postavljena, u poprečnom preseku talasasto oblikovana zida, pri čemu preseci zidova međusobno odvajaju kanale za gorivo jedne od drugih. Ova izvedba pruža veoma krutu konstrukciju i daje razvučene površine za pospešivanje razmene toplote.

[0033] Druga izvedba uređaja za umešavanje prema ovom pronalasku karakteriše se time što obuhvata, poželjno prstenasti, razvodnik goriva priključen na otvore za uvod goriva kanala za gorivo. Ova izvedba obezbeđuje ravnomerno snabdevanje gorivom u svim kanalima za gorivo. Uvedeno gorivo može biti čisto ili smeša sa drugim produktima, kao što su inertni gasovi. Gorivo može biti tečno ili gasovito.

[0034] Poželjno je da unutrašnja i spoljašnja površina rotiranog tela budu konfigurisane tako da ne izazivaju turbulencije vazdušnih struja koje prolaze duž unutrašnje i spoljašnje površine. Aerodinamika unutar gorionika je od velikog značaja. Mora se omogućiti visoka brzina strujanja pri najnižem mogućem padu pritiska. Prema ovom pronalasku, mlaz goriva je “spljošten“ između unutrašnje i spoljašnje vazdušne struje. Profilisanjem se minimizuje otpor i vazdušni vrtlozi ili vazdušne senke. U zoni sa nedostatkom vazduha plamen se može zapaliti prema nazad, tj. dolazi do povratnog plamenog udara, koji može uzrokovati topljenje materijala uređaja za umešavanje. Profilisanjem, telo mešača opstrujava vazduh velikom brzinom i postiže se bolje umešavanje sa vazduhom.

[0035] U pogodnoj izvedbi ovog pronalaska, uređaj za umešavanje je opremljen pulsnim uređajem smeštenim blizu kraja sa uvodom vazduha rotacionog tela. Ova izvedba poboljšava umešavanje. Laminarno strujanje je loše za mešanje H₂ i vazduha, ali dobro za veliku brzinu, koja zauzvrat sprečava povratni plameni udar. Obezbeđivanje pulsnog uređaja rezultira strujanjem vazduha koje nije potpuno laminarno, već pretežno laminarno, što dovodi do znatno viših performansi. U isto vreme, izbegava se turbulencija koja bi mogla dovesti do povratnog plamenog udara. Bez pulseva, uređaj za umešavanje se nalazi u sigurnosnom režimu, koji nudi niže performanse ali osigurava bezbednost. Plamenovi od H₂ su znatno brži od plamena konvencionalnih goriva i stoga se ne mešaju jednako dobro sa vazduhom ili zahtevaju veću dužinu umešavanja.

[0036] Ovaj pronalazak nadalje obuhvata postupak izrade rotacionog tela uređaja za umešavanje prema pronalasku. Ovaj postupak karakteriše se time da se rotaciono telo izrađuje aditivno, poželjno putem fuzije praškastog sloja. Ovaj postupak izrade optimalan je za industrijsku proizvodnju komplikovane geometrije mešača i vođenja kanala.

[0037] [0029] U izvedbi postupka izrade, rotaciono telo izrađuje se aditivno putem koncepta procesa poznatog kao od-matematike-do-oblika, zasnovanog na parametarskoj jednačini. Prednost ove izvedbe je u tome što se geometrijski parametri rotacionog tela mogu brzo i lako prilagođavati. Time se ubrzava proces pronalaženja optimizovanih dimenzija i konstruisanja prototipa.

[0038] Pronalazak će biti nadalje objašnjen putem primera izvedbi sa pozivanjem na nacrte.

[0040] Slika 1 je šematski nacrt koji prikazuje princip uređaja za potpuno i niskoemisiono sagorevanje goriva.

[0042] Slike 2a, 2b, 2c prikazuju uređaj za umešavanje prema ovom pronalasku u perspektivnom bočnom pogledu, pogledu odozgo i pogledu odozdo.

[0044] Slika 3 šematski prikazuje drugu izvedbu rotacionog tela uređaja za umešavanje sa pravim kanalima za gorivo.

[0046] Slika 4a i slika 4b prikazuju razlike u brzini i dužini mešanja kada se koristi pulsni uređaj.

[0048] Slika 5 prikazuje parametarsku krivu koja definiše zidove rotacionog tela.

[0050] Slika 6 je dijagram koji objašnjava realizaciju rotacije zasnovanu na konceptu odmatematike-do-oblika, korišćenjem aditivne proizvodnje.

[0052] Slike 7 i 8 su dijagrami koji prikazuju faktor oblika i ugao uvijanja odabranih profila rotacionog tela.

[0054] Slike 9 i 10 prikazuju profil rotacionog tela u obliku „cveta" i njegovu ekstruziju uz upotrebu promenljivog faktora oblika.

[0056] Slika 11 prikazuje rotaciono telo sa uvijenom konfiguracijom.

[0058] Slika 12 prikazuje pogled odozdo na rotaciono tel sa slike 11 sa zadebljanim zidovima.

[0060] [0031] Slike 2a do 2c prikazuju prvu izvedbu uređaja 1 za umešavanje za mešanje vazdušne struje sa tečnim ili gasovitim visokoreaktivnim gorivom, kao što je vodonik, pri čemu uređaj 1 za umešavanje obuhvata izduženo rotaciono telo 10 koje sadrži kraj 11 sa ulazom vazduha, kraj 12 sa izlazom vazduha i šuplji centralni prostor 13 koji se proteže kroz rotaciono telo 10 po njegovoj dužini. Uređaj 1 za umešavanje izrađen je 3D štampanjem, npr. realizovanim putem fuzije praškastog sloja, u titaniumu 64. Uređaj za umešavanje obuhvata više kanala 14 za gorivo raspoređenih na rotacionom tela 10 i distribuiranih po obima rotacionog tela 10, pri čemu se kanali 14 za gorivo pružaju između kraja 11 sa uvodom vazduha i kraja 12 sa izvodom vazduha rotacionog tela 10. Kanali 14 za gorivo imaju otvore 15 za ulaz goriva blizu ili na kraju 11 sa uvodom vazduha rotacionog tela 10 i otvore 16 za ubrizgavanje goriva na kraju 12 sa izvodom vazduha rotacionog tela 10. Uređaj 1 za umešavanje obuhvata razvodnik 20 goriva priključen na otvore 15 za uvod goriva kanala 14 za gorivo. Bitna funkcija rotacionog tela 10 je distribucija goriva kroz mnoge unutrašnje kanale 14 za gorivo do završetka 12 sa izvodom vazduha.

[0061] Zidovi kanala 14 za gorivo sačinjavaju rotaciono telo 10. Kanali 14 za gorivo su tangencijalno uvrnuti u odnosu na dužinu rotacionog tela 10 u završnom segmentu rotacionog tela na njegovom završetku 12 sa izvodom vazduha. Ugao uvijanja α kanala 14 za gorivo u odnosu na osu rotacionog tela 10 kontinualno raste prema završetku 12 sa izlazom vazduha, pri čemu maksimalna vrednost ugla uvijanja α poželjno iznosi manje od oko Pi radijana (pola okreta). Ugao uvijanja α prikazan je na slici 12.

[0062] Kanali 14 za gorivo imaju poprečne preseke koji se kontinualno smanjuju u pravcu otvora 16 za ubrizgavanje. Alternativno, ili dodatno, kanali 14 za gorivo mogu obuhvatati delove sa kontinualno širećim poprečnim presekom prema otvoru 16 za ubrizgavanje.

[0063] Šuplji centralni prostor (13) je polupečnika r i kontinualno se menja makar u sekcijama duž ose rotacionog tela 10, pri čemu je odnos polupečnika i dužine ose manji od 1, poželjno manji od 0,5.

[0064] Kanali 14 za gorivo formirani su od dva suprotno postavljena, u poprečnom preseku talasasto oblikovana zida 14a, 14b, pri čemu preseci 14c zidova 14a, 14b međusobno odvajaju kanale 14 za gorivo. Videti i sliku 5. Unutrašnja i spoljašnja površina rotacionog tela 10 profilisana je da ne izaziva turbulencije vazdušnih struja koje prolaze duž unutrašnje i spoljašnje površine. Formiranje zidova 14a, 14b sa talasastim poprečnim presecima savršeno zadovoljava ovaj zahtev.

[0065] Slika 3 šematski prikazuje drugu izvedbu rotacionog tela (10), predstavljenu putanjama njegovih kanala za gorivo (14). U ovoj izvedbi, kanali za gorivo (14) su pravi i raspoređeni u obliku hiperboloida.

[0066] [0037] U pogodnoj izvedbi, uređaj 1 za umešavanje obuhvata pulsni uređaj 103 smešten blizu završetka 11 sa ulazom vazduha rotacionog tela 10. Slika 4a i slika 4b prikazuju razlike u brzini i dužini umešavanja kada se koristi takav pulsni uređaj 103. Slika 4a prikazuje uređaj 1 za umešavanje bez pulsnog uređaja 103, a slika 4b prikazuje uređaj 1 za umešavanje sa pulsnim uređajem 103. Pulsni uređaj 103 koristi se za generisanje pulsnog toka inicijalnog vazduha 104. U obe izvedbe, gorivo 105 prolazi kroz više kanala 14 za gorivo i izlazi kroz otvore 16 za ubrizgavanje goriva, gde počinje umešavanje sa inicijalnim vazduhom 104. Iz crteža je vidljivo da su dužina razblaženja i karakteristično vreme (predstavljeni vertikalnim i horizontalnim dvostrukim strelicama) kraći kada se koristi pulsni uređaj 103. S druge strane, bez korišćenja pulsnog uređaja 103, uređaj za umešavanje radi u režimu podrazumevanih vrednosti koji osiguravaju bezbednost u slučaju otkaza uređaja. Glavni vazduh 109 ne pulsira putem pulsnog uređaja 103.

[0067] Rotaciono telo može biti izrađeno aditivno, poželjno putem fuzije praškastog sloja. Od prednosti je, da se rotaciono telo izrađuje aditivno putem procesa po konceptu od-matematike-do-oblika, zasnovanog na parametarskoj jednačini. Primeri 3D aditivne izrade rotacionog tela 10 sada će biti objašnjeni.

[0068] Rotaciono telo 10 može biti projektovano korišćenjem konvencionalnih CAD metoda, npr. projektovanjem oblika zidova rotacionog tela 10, definisanjem putanje i poprečnih preseka kanala 14 za gorivo, njihovim množenjem i ravnomernim distribuiranjem, i oduzimanjem istih od zapremine zidova.

[0069] Međutim, ovde je opisan drugi pogodni metod, koji se oslanja na koncept matematike do oblika. Ima prednost što dobro odgovara metodi 3D štampanja, i prilično je elegantan jer se oslanja na analitičku geometriju, i preciznije na parametarske krive, kao što su one prikazane na slici 5, gde krive definišu zidove 14a, 14b i preseke 14c, čime se kanali 14 za gorivo formiraju u rotacionom telu 10. Ako su dobro odabrane, jedna jedina kriva dovoljna je za definisanje prolaza za gorivo i vazduh.

[0070] Dok se aproksimativne numeričke metode koriste u CAD sistemima za procenu specifičnih poprečnih preseka prolaza, širina zidova, površina i zapremina, matematički pristup nudi prednost određivanja istih vrednosti najpre analitički, a zatim putem proračuna. Ovo je od prednosti u fazi dimenzionisanja, pre nego što se parametri jednačine zamrznu.

[0071] [0042] Profil u obliku „cveta" dobro služi svrsi projektovanja rotacionog tela 10 uređaja 1 za mešanje. „Latice cveta" oblikuju višestruke kanale 14 za gorivo, dok središte cveta definiše šuplji centralni prostor 13 namenjen inicijalnom vazduhu. Fino podešavanje koeficijenata opisanih gore nudi idealnu distribuciju za brzo mešanje na završetku 12 sa izlazom vazduha rotacionog tela 10.

[0072] U slučaju uređaja 1 za mešanje prikazanog na slikama 2a do 2c, odabrana parametarska kriva izražena u polarnim ili cilindričnim koordinatama ima oblik: ρ(θ) = r(1 αcos(nθ/2)) (1.1)

[0074] gde su: r [m] – polupečnik donjeg odeljka

[0076] α [–] amplituda talasa koji formiraju latice cveta

[0078] n [–] broj latica, pri čemu n mora biti neparan broj

[0080] θ [rad] je polarni ugao

[0082] Slika 5 prikazuje ovu parametarsku krivu koristeći jednačinu 1.1 definisanu za θ ∈ [0, 2π]. Podrazumeva se da su potrebna dva kruga da bi se kriva zatvorila.

[0083] Ova jednačina 1.1 posebno je pogodna za oblikovanje „cveta", dok se za bilo koju neparnu vrednost n veću od 1 pojavljuje n latica na zatvorenoj krivi za bilo koji ugaoni interval [θ, θ 4π]. Jednom oblikovani i ekstrudirani, cvet se sastoji od samo jedne zatvorene površine.

[0084] Metoda za oblikovanje zidova rotacionog tela 10 u cilindričnim koordinatama prikazana je na slici 6, gde je jedno mesto zida definisano polarnom jednačinom tipa ρ(θ, z):

[0086] 1. Odabira se ad-hoc parametarska kriva. Takve krive se mogu naći u radovima D. G. Wells. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Geometry. Penguin books: Mathematics reference. Penguin Books, 1991; Stephen Wolfram. http://mathworld.wolfram.com; i Diana Estévez Schwarz. Wellen und Blumen- eine anschauliche Darstellung der Fourier-Transformation, Berichte aus der Mathematik, Physik und Chemie, BEUTH Hochschule für Technik Berlin, 2018.

[0088] 2. Oblik se ekstruduje naviše, što je specifičnost većine metoda 3D štampanja.

[0090] 3. Za aerodinamičku optimizaciju strujanja, i pod uslovom da su promene poprečnog preseka glatke, faktor oblika poprečnog preseka se korak po korak fino podešava. Faktor prirasta zavisi od visine z, npr. kao polinom.

[0091] 4. Radi skraćivanja dubine prodiranja mlazeva goriva u okolinu i radi održavanja prisustva vrtložnog strujanja, uvodi se uvijanje u kanale za gorivo, samo po sebi funkcija visine z. Ova operacija primenjuje se odmah nakon prethodne.

[0093] 5. Proces se ponavlja dok se ne postigne visina objekta.

[0095] Sada se objašnjavaju primeri specifičnih geometrija 3D-štampanog rotacionog tela 10.

[0096] Predlažemo dva različita pristupa projektovanju konceptom „od-matematikedo-oblika".

[0097] Prvi pristup je analitički pristup:

[0099] Uzmimo jednačinu 1.1, čiji rezultat je prikazan na slici 5. Ovaj oblik je homotetičan duž celog tela, pa proučavamo samo jedan presek. Interesuje nas površina latica – gde će gorivo da teče, i površina jezgra – gde će inicijalni vazduh da teče. Preciznije, interesuje nas odnos obe površine. Pretpostavljajući da želimo da ove struje budu izokinetičke i blizu stohiometriji, odnos ovih površina trebalo bi da odgovara odnosu zapreminskih protoka (ili molarnom odnosu između reaktanata). Kada se koristi smeša vodonik-vazduh pri stohiometriji, molski udeo vodonika je 29,5% smeše, a odnos zapreminskih protoka goriva i vazduha FAR<V̇>definisan kao

[0101] FAR<V>= V<H2>/ V<air>iznosi 41,5%.

[0103] Slika 6 je dijagram koji prikazuje koncept metode nazvane „od-matematike-dooblika", koja je idealna za realizaciju rotacionog tela 10 prema ovom pronalasku.

[0104] Za bilo koju parametarsku krivu opisanu u polarnim koordinatama ρ(θ ) kao rastojanje od centra preseka do zida za dati ugao θ, površine sektora s od ugla θ₁ do θ₂ mogu se izračuna

[0106] U posebnom slučaju jednačine 1.1, računanjem površina po odeljcima, ukupna površina cveta S<tot>(latice jezgro) iznosi:

[0108]

(1.2)

[0110] Pošto je n jedino neparan broj, površina jezgra S_<jezgro>iznosi:

[0112]

[0113] Ukupna površina latica stoga proističe iz oduzimanja jednačine 1.3 od jednačine 1.2. Zanimljivo, sve ove poslednje formule su nezavisne od broja latica n:

[0114] S<latice>= 8αr² (1.4)

[0116] Odnos površina između latica i jezgra koji odgovara FAR<V̇>je stoga:

[0117] S<latice>/S<jezgro>= 16α/(2π πα² – 8α) (1.5)

[0119] Željena amplituda cveta α stoga može biti izračunata iz željenog odnosa zapreminskih protoka goriva i vazduha FAR<V̇>rešavanjem jednačine drugog reda:

[0121] πα² – 8α(2 FAR<V̇>)/FAR<V̇>+ 2π = 0 (1.6)

[0123] Pri proračunu za vrednost FAR<V̇>od 41,5% specifičnu za smešu vazduh-vodonik, dobija se preporučena vrednost α = 13,8%. U nastavku, uzimajući u obzir efektivni gubitak površine usled zadebljanja zida, ova vrednost se postavlja na 20%.

[0124] Drugi pristup je numerički pristup:

[0126] Neki proračuni slični prethodnim pokazuju da su polupečnik dna r(0) od 20 mm, broj n = 11 „latica", amplituda α blizu 20% i ekstruzija na 40 mm dobra polazna tačka. Profili za faktor oblika i ugao uvijanja testiraju se na odabranim polinomima, kao što je prikazano na slikama 7 i 8.

[0127] Sistem jednačina potreban za postizanje „pravog" ekstrudovanog profila cveta je:

[0129]

(1.7)

[0131] Profil cveta pri z = 0, odabrani polinomi i nastali „pravi" cvet prikazani su na slici 9 i slici 10.

[0132] Sledeća operacija je uvijanje nastalog profila, radi indukovanja vrtloga u ubrizgavanju goriva. Odabrani polinom za ugao uvijanja je:

[0134] Izražena u polarnim koordinatama, funkcija uvijanja postaje:

[0136]

[0137] Kada se primeni na pravu ekstruziju sa slike 10, nastaje uvijeno rotaciono telo 10, kao što je prikazano na slici 11.

[0138] Poslednja operacija koja se izvodi je zadebljavanje mreže, radi transformisanja ravne površine u 3D telo. U ovom slučaju, debljina od 0,5 mm primenjuje se u spoljnom smeru. Nastalo rotaciono telo prikazano je na slici 12 u pogledu odozdo.

Claims (14)

1. Patentni zahtevi

1. Uređaj (1) za mešanje za umešavanje vazdušne struje sa tečnim ili gasovitim visokoreaktivnim gorivom, kao što je vodonik, pri čemu uređaj (1) za mešanje obuhvata izduženo rotaciono telo (10) koje ima završetak (11) sa uvodom vazduha, završetak (12) sa izvodom vazduha i šuplji centralni prostor (13) koji se proteže kroz rotaciono telo (10) podužno, pri čemu uređaj (1) za mešanje obuhvata više kanala (14) za gorivo raspoređenih na rotacionom telu (10) i distribuiranih oko obima rotacionog tela (10), pri čemu se kanali (14) za gorivo pružaju između završetka (11) sa uvodom vazduha i završetka (12) sa izvodom vazduha rotacionog tela (10), pri čemu kanali (14) za gorivo imaju otvore (15) za uvod goriva blizu ili na završetku (11) sa uvodom vazduha rotacionog tela (10) i otvore (16) za ubrizgavanje goriva na završetku (12) sa izlazom vazduha rotacionog tela (10).

2. Uređaj za mešanje prema patentnom zahtevu 1, pri čemu zidovi kanala (14) za gorivo čine rotaciono telo (10).

3. Uređaj za mešanje prema patentnom zahtevu 1 ili 2, pri čemu su kanali (14) za gorivo tangencijalno uvijeni u odnosu na osu rotacionog tela (10) u krajnjoj oblasti rotacionog tela (10) na njegovom završetku (12) sa izvodom vazduha.

4. Uređaj za mešanje prema patentnom zahtevu 3, pri čemu ugao (α) uvijanja kanala (14) za gorivo u odnosu na osu rotacionog tela (10) kontinualno raste prema završetku (12) sa izlazom vazduha, pri čemu poželjno maksimalna vrednost ugla (α) uvijanja iznosi manje od oko Pi radijana.

5. Uređaj za mešanje prema patentnom zahtevu 1 ili 2, pri čemu su kanali (14) za gorivo pravi i raspoređeni u obliku hiperboloida.

6. Uređaj za mešanje prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu kanali (14) za gorivo obuhvataju najmanje jednu sekciju sa poprečnim presekom koji se kontinualno smanjuje u pravcu otvora (16) za ubrizgavanje.

7. Uređaj za mešanje prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu kanali (14) za gorivo obuhvataju sekciju sa poprečnim presekom koji se kontinualno širi prema otvoru (16) za ubrizgavanje.

8. Uređaj za mešanje prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu šuplji centralni prostor (13) ima polupečnik koji se kontinualno menja makar u sekcijama duž rotacionog tela (10), pri čemu je odnos polupečnika i dužine manji od 1, pogodno manji od 0,5.

9. Uređaj za mešanje prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu su kanali (14) za gorivo formirani od dva suprotno postavljena, u poprečnom preseku talasasto oblikovana zida (14a, 14b), pri čemu preseci (14c) zidova (14a, 14b) međusobno odvajaju kanale (14) za gorivo.

10. Uređaj za mešanje prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu on sadrži, poželjno prstenasti, razvodnik (20) goriva priključen na otvore (15) za ulaz goriva kanala (14) za gorivo.

11. Uređaj za mešanje prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu su unutrašnja i spoljašnja površina rotacionog tela (10) konfigurisane, poželjno profilisane, tako da ne izazivaju turbulencije vazdušnih struja koje prolaze duž unutrašnje i spoljašnje površine.

12. Uređaj za mešanje prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu on obuhvata pulsni uređaj (103) smešten blizu završetka (11) sa ulazom vazduha rotacionog tela (10).

13. Postupak izrade izduženog rotacionog tela (10) uređaja (1) za mešanje prema bilo kom od prethodnih patentnih zahteva, pri čemu se rotaciono telo izrađuje aditivno, poželjno putem fuzije praškastog sloja.

14. Postupak prema patentnom zahtevu 13, pri čemu se izduženo rotaciono telo (10) izrađuje aditivno putem koncepta procesa od-matematike-do-oblika, zasnovanog na parametarskoj jednačini.