Способ функционирования детонационного двигателя и устройство для его реализации
DETONATION ENGINE OPERATION METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано для получения тяги и обеспечения движения транспортных средств различного назначения.
По сравнению с традиционными авиационными двигателями детонационные двигатели обеспечивают существенное улучшение тягово-экономических и массогабаритных показателей, упрощение конструкции (Импульсные детонационные двигатели / Под ред. С.М. Фролова, М.: Торус пресс, 2006).
Известны различные варианты способа функционирования двигателя с непрерывно вращающейся детонацией, основанные на исследованиях, описанных в книге Ф.А. Быковского и С.А. Ждана "Непрерывная спиновая детонация" (Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2013). Начало исследований восходит к экспериментам Б.В. Войцеховского 1959 г.
Известен способ работы пульсирующего детонационного двигателя (патент RU 2034996, 1995), использованный при разработке турбореактивной или прямоточной силовой установки. Способ получения тяги заключается в сжигании горючего с избытком окислителя, последующей подаче горючего в полученные продукты сгорания, получении рабочего тела и преобразовании его внутренней энергии в работу силы тяги, посредством периодически повторяющегося процесса детонации в газодинамическом резонаторе.
Недостатком рассматриваемого способа работы пульсирующего детонационного двигателя является то, что для сжатия воздуха и топливовоздушной смеси при ее подаче в специальные тяговые модули используется генератор сжатого воздуха, представляющий собой обычный газотурбинный двигатель, что нерационально, так как снижает КПД силовой установки.
Известен способ работы воздушно-реактивного двигателя с тяговыми модулями пульсирующего детонационного сгорания (патент RU 2375601, 2009), заключающийся в том, что горючее активируют перед подачей его в детонационную камеру сгорания в специальных теплообменниках, которые нагревают от источника тока.
Недостатком приведенного способа работы пульсирующего детонационного модуля является необходимость применения специальных теплообменников, что усложняет конструкцию и ухудшает тяговую отдачу двигателя.
Известна система и способ сжигания для поддержания непрерывной детонационной волны с нестационарной плазмой (заявка US 61/245034, 2009; патент RU 2537659, МПК F02K 7/04, 2009), способ содержит подачу компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, их перемешивание и горение с созданием непрерывной вращающейся волны детонации с последующим истечением продуктов сгорания в тяговое устройство. Изобретение позволяет поддерживать непрерывную, стабильную детонационную волну, которая обеспечивает низкое давление подачи и высокую эффективность сжигания топлива.
Способ реализации непрерывной детонации наиболее близок к предлагаемому изобретению, и может быть принят за прототип.
Ключевой особенностью известных способов использования непрерывно вращающейся детонации является движение компонентов топливной смеси через кольцевую камеру сгорания с вращающейся детонацией вдоль оси кольцевой камеры. Это ограничивает область применения этих способов турбореактивными и прямоточными силовыми установками, снижает их КПД, топливную эффективность и удельную тягу.
Известны различные устройства пульсирующего детонационного двигателя с резонатором.
Известна камера сгорания пульсирующего детонационного двигателя (RU 2084675 C1, МПК F02K, 7/02), содержащая в корпусе сверхзвуковое сопло и расположенный соосно с ним резонатор в виде трубки, открытый конец которой обращен в сторону истечения рабочего тела, а другой замкнут. Полость между корпусом и поверхностью сопла является камерой смешения, выходная часть которой представляет собой сверхзвуковое сопло.
Недостатком рассмотренной камеры детонационного горения является необходимость применения генератора сжатого воздуха в виде турбокомпрессорного агрегата из-за нерационального сжигания горючего при малых рабочих давлениях.
Теоретическое исследование возможных характеристик пульсирующего детонационного двигателя с резонатором было выполнено в работах В.А. Левина с соавторами, например: Levin V.A, Nechaev J.N, Tarasov A.I. A new approach to organizing operation cycles in pulsed detonation engines. High-Speed Deflagration and Detonation: Fundamentals and Control. Eds. G.D. Roy, S.M. Frolov, R.W. Netzer, and A.A. Borisov. Moscow, ELEX-KM Publishers, 2001, pp. 223-238. Описанное в этой статье устройство детонационного двигателя, содержащее систему подачи компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, тяговое устройство, резонаторную полость и выходное сопло, наиболее близко к предлагаемому в настоящем изобретении техническому решению, и оно может быть принято за прототип устройства для реализации предлагаемого способа функционирования детонационного двигателя.
Недостатками известного устройства являются, низкие КПД, топливная эффективность, удельная тяга и надежность работы силовой установки
Задачей и техническими результатами заявляемого изобретения являются создание эффективного способа функционирования детонационного двигателя с вращающейся детонацией для получения тяги, обеспечивающего повышение КПД, топливной эффективности, удельной тяги и надежности работы силовой установки.
Решение поставленной задачи и технические результаты достигаются тем, что в предлагаемом способе функционирования детонационного двигателя, содержащем подачу компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, их перемешивание и горение с созданием непрерывной вращающейся волны детонации с последующим истечением продуктов сгорания в тяговое устройство, компоненты топлива предварительно подают в кольцевой коллектор, где осуществляют их перемешивание и подачу в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси. Истечение продуктов сгорания осуществляют к оси тягового устройства, с дополнительным сжатием продуктов сгорания за счет движения их к оси и фокусирования возмущений, отражающихся от стенки тягового устройства, и проводят дожигание.
Технический результат достигается также тем, что компоненты топлива формируют путем предварительной активации углеводородного топлива посредством кислородной конверсии в термохимическом реакторе с получением продуктов конверсии (конвертина) и дополнительной подачи кислорода.
Технический результат достигается также тем, что кислород получают в результате разложения твердотопливного элемента на основе хлоратных или перхлоратных соединений в генераторе кислорода.
Технический результат достигается также тем, что кислород используют для получения конвертина в термохимическом реакторе, и для осуществления процесса детонации в кольцевой камере сгорания.
Технический результат достигается также тем, что отношение расхода кислорода через реактор Gr к расходу кислорода через камеру сгорания Go составляет величину
Технический результат достигается также тем, что горение топлива инициируют электрическим разрядом.
В устройстве для реализации способа функционирования детонационного двигателя, содержащем кольцевую камеру сгорания, систему подачи в нее компонентов топлива, тяговое устройство с отражающей стенкой и выходное сопло, оно дополнительно содержит расположенный на внешней стороне кольцевой камеры сгорания кольцевой топливный коллектор для перемешивания компонентов топлива. Стенка между кольцевым коллектором и кольцевой камерой сгорания имеет отверстия для истечения смешанных компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси.
Технический результат достигается также тем, что система подачи компонентов топлива содержит генератор кислорода, соединенный с кольцевым топливным коллектором, а через трубку Вентури, термохимический реактор и трубопровод продуктов конверсии соединен с противоположной стороной кольцевого топливного коллектора.
Технический результат достигается также тем, что кольцевая камера сгорания в поперечном сечении выполнена прямоугольной.
Технический результат достигается также тем, что отражающая стенка выполнена выпуклой с точки зрения внешнего наблюдателя, например, в форме параболоида.
Технический результат достигается также тем, что отношение площади критического сечения трубки Вентури к площади сечения кислородного трубопровода составляет
Техническая сущность изобретения поясняется описанием и чертежами, где на фиг. 1-3 показаны:
на фиг. 1 - принципиальная схема детонационного двигателя (продольный разрез), реализующего предлагаемый способ.
на фиг. 2 - поперечный разрез детонационного двигателя с вращающейся волной детонации.
кс
R
на фиг. 3 приведена зависимость коэффициента избытка окислителя в детонационной камере сгорания α от коэффициента избытка окислителя в реакторе α.
Детонационный двигатель содержит кольцевую камеру сгорания 1, генератор кислорода 2, термохимический реактор 3, топливный коллектор 4 с отверстиями 5 для подачи горючей смеси, твердотопливный элемент 6, кислородный трубопровод 7, трубопровод продуктов реакции термохимической конверсии 8, трубку Вентури 9, отверстие 10 для подачи углеводородного топлива в реактор, отражающую тяговую стенку 11, резонаторную полость 12 и выходное сопло 13.
В отличие от описанных выше двигателей с вращающейся детонацией, в предлагаемом способе функционирования двигателя компоненты топлива предварительно подают в кольцевой коллектор, где осуществляют их перемешивание и подачу в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси. Истечение продуктов сгорания осуществляют к оси тягового устройства с дополнительным сжатием продуктов сгорания за счет движения их к оси и фокусирования возмущений, отражающихся от стенки тягового устройства, и проводят дожигание.
Отличительными особенностями предлагаемого способа функционирования детонационного двигателя также являются:
1) использование предварительной активации углеводородного топлива посредством его кислородной конверсии в термохимическом реакторе с получением конвертина;
2) использование кислорода для получения конвертина в термохимическом реакторе и для осуществления процесса детонации в кольцевой камере сгорания.
r
02
3) отношение расхода кислорода через реактор G к расходу кислорода через камеру сгорания G и составляет величину .
4) получение кислорода в результате разложения твердотопливного элемента на основе хлоратных или перхлоратных соединений в генераторе кислорода.
Кислородная конверсия углеводородного топлива осуществляется в термохимическом реакторе, причем кислород получают из твердотопливного элемента, размещенного в генераторе кислорода, например, хлората натрия, реакция разложения которого протекает по приближенному уравнению:
r
0
В присутствии в твердотопливном элементе других компонентов суммарная реакция протекает экзотермически, так что кислород на выходе из генератора может достигать высоких температур, что и определяет конверсию в термохимическом реакторе, причем отношение расхода кислорода через реактор G к расходу кислорода через камеру сгорания G составляет величину .
2
Конверсия углеводородных топлив приводит к появлению в составе горючей смеси высокоактивных компонентов Н, Н, СО в виде конвертина, что обеспечивает снижение времени горения смеси в детонационной камере сгорания.
Получение кислорода методом технологического горения твердотопливных элементов имеет ряд ценных свойств, таких как автономность, постоянная готовность к применению, высокий выход кислорода с единицы массы и объема рабочего вещества, высокая безопасность и надежность при длительном хранении и эксплуатации.
Использование в детонационной камере сгорания топливной смеси в виде продуктов кислородной конверсии в виде конвертина приводит к повышению КПД, топливной эффективности, увеличению идеальной тяги двигателя и улучшению характеристик процесса в детонационной камере сгорания двигателя.
При работе детонационного двигателя запускается генератор кислорода 2, который производит кислород в процессе разложения твердотопливного элемента 6, кислород с высоким давлением и высокой температурой по трубке Вентури 9 поступает в термохимический реактор 3, в который через отверстие 10 подается углеводородное топливо. В реакторе 3 происходит кислородная конверсия и продукты конверсии в виде конвертина по трубопроводу 8 поступают в кольцевой коллектор 4. По трубопроводу 7 с противоположной стороны кольцевого коллектора 4 из генератора кислорода поступает кислород. В кольцевом коллекторе 4 происходит смешение компонентов топлива, которые через отверстия 5 подаются в кольцевую камеру сгорания 1 в радиальном направлении к ее оси. Кольцевая камера сгорания 1 в поперечном сечении выполнена прямоугольной. Горение топлива в кольцевой камере сгорания 1 инициируется электрическим разрядом. Продукты сгорания истекают в радиальном направлении в резонаторную полость 12 с выпуклой отражающей стенкой 11, например, в форме параболоида и через сопло 13 выходят в атмосферу, создавая тягу двигателя.
Как показали исследования реактора, исходя из совокупности основных показателей процесса можно рекомендовать некоторые оптимальные условия работы реактора
Тогда согласно фиг. 3 оптимальному режиму работы реактора соответствует относительный расход кислорода через ректор β≤0,4 (кривые 14, 15, 16)
r
O
где F - площадь критического сечения трубки Вентури, F - площадь сечения трубопровода кислорода.
R
0
Исходя из этих условий, выбирается площадь критического сечения трубки Вентури F и площадь сечения трубопровода кислорода F.
Предложенный способ функционирования детонационного двигателя и двигательное устройство для его реализации позволяют обеспечить повышение КПД, топливной эффективности, удельной тяги и надежности работы силовой установки, а также возможности реализации вращающейся детонации в ракетных двигателях.