Способ инициирования импульсной детонации
PULSE DETONATION INITIATION METHOD

Изобретение относится к способам детонационного сжигания топлива и может быть использовано для инициирования импульсной детонации в топливно-воздушной смеси в различных устройствах, в том числе в энергетических установках, импульсных детонационных двигателях.
В настоящее время одним из перспективных направлений развития воздушно-реактивных двигателей является внедрение термодинамического цикла с детонационным горением, который эффективнее циклов с горением при постоянном давлении (цикла Брайтона, реализуемого как в газотурбинных, так и в прямоточных воздушно-реактивных двигателях) или при постоянном объеме. В импульсных детонационных двигателях горение происходит в периодически генерируемых детонационных волнах, и задача инициирования детонационного горения и поддержания стабильного режима распространения детонационной волны является актуальной.
Известны три способа инициирования детонации. Прямое инициирование детонации предполагает быстрое локальное выделение энергии с генерацией сильной ударной волны, которая приводит к возникновению пересжатой детонационной волны вблизи источника инициирования с ее последующей трансформацией в самоподдерживающуюся детонацию. Переход от горения к детонации (ПГД) может быть осуществлен с помощью слабых источников (RU 2333423), воздействие которых не обеспечивает непосредственно формирование лидирующей ударной волны, ведущей самоподдерживающуюся детонацию. Следует отметить недостатки указанных методов: прямой метод инициирования требует больших энергий, а ПГД реализуется при относительно большом предетонационном расстоянии.
Третий способ инициирования детонации включает генерацию первичной ударной волны при энергетическом воздействии ниже критического, обеспечивающего формирование самоподдерживающейся детонации, с дальнейшим дополнительным энергетическим воздействием на фронт бегущей ударной волны. При этом возможно, с одной стороны, уменьшение энергии инициирования детонации по отношению к прямому инициированию, а с другой - уменьшение предетонационного расстояния по сравнению с традиционным методом ПГД. Этот способ инициирования детонации реализуется при инициировании очагов самовоспламенения в результате турбулизации фронта пламени (WO 2014123440) или отражения ударной волны от регулярных препятствий (RU 2427756, RU 2429409, US 8683780), однако системы для реализации таких способов не обладают гибкостью по отношению к условиям инициирования ударной волны.
Известны варианты способа с использованием внешних источников энергии для воздействия на фронт бегущей ударной волны. Так, в статье (Левин В.А., Марков В.В., Журавская Т.А., Осинкин С.Ф. /Инициирование газовой детонации бегущим импульсом принудительного зажигания // Доклады Академии наук. - 2004. - Т. 394 - №2, - С. 222-234, прототип) описан способ тепловой инициации формирования и поддержания детонационной волны с помощью последовательного воздействия электрических разрядов - инициирующего и последующих разрядов небольшой мощности, синхронизированных с распространением лидирующей ударной волны. Таким способом в пропан-воздушной смеси из первичной слабой ударной волны с числом Маха 2,0-2,5 на приемлемых длинах 0,6-0,7 м (12-14 диаметров трубы) была сформирована детонационная волна при суммарной энергии электрических разрядов почти в 1,8 раза меньше, чем критическая энергия прямого инициирования детонации. Достигается это при согласовании «бегущего» принудительного зажигания с временем прихода ударной волны в соответствующие сечения трубы: для получения детонационной волны разряд должен опережать фронт ударной волны на 80-100 мкс, что соответствует продолжительности разрядного тока.
Недостатком описанного способа инициирования детонации является относительно высокий расход энергии из-за теплового механизма инициирования реакций горения: при электрическом разряде происходит неселективный процесс - диссоциация молекул кислорода при электронном ударе с затратой энергии 5,1 эВ на одну молекулу.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, - относительно высокая энергия инициирования импульсной детонации топливно-воздушной смеси.
В предлагаемом способе инициирования импульсной детонации используется известный метод инициирования цепных реакций горения атомами кислорода в синглетном электронном состоянии, полученными селективно с использованием лазерного излучения (П.С. Кулешов, A.M. Старик, Н.С. Титова / Комплексный анализ воспламенения и горения водородо-воздушных и метано-воздушных смесей при воздействии резонансного лазерного излучения // Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения. Под ред. A.M. Старика - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2011 г. - С. 604-634). Известно, что при воздействии лазерного излучения возможно селективное возбуждение молекул кислорода в синглетные состояния при затрате энергии 0,98 эВ на одну молекулу. Численные исследования показали, что расход энергии на инициирование импульсной детонации в топливно-воздушной смеси при инициировании реакций горения во фронте лидирующей ударной волны молекулами кислорода в состоянии синглет-дельта, полученными селективно с помощью лазера, может быть значительно меньше критической энергии прямого инициирования детонации.
2
2
1
1
Способ инициирования импульсной детонации топливно-воздушной смеси заключается в том, что генерируют первичную ударную волну и затем оказывают малое энергетическое воздействие на топливно-воздушную смесь перед фронтом лидирующей ударной волны, и отличается тем, что в качестве малого энергетического воздействия используют воздействие селективным лазерным излучением, при поглощении которого молекулы кислорода смеси переходят в состояние синглет-дельта O(aΔg) и ускоряют химические реакции горения топлива, причем воздействуют лазерным излучением на топливно-воздушную смесь в локальных областях перед фронтом лидирующей ударной волны с опережением по времени меньшим, чем время релаксации кислорода в состоянии синглет-дельта O(aΔg), в момент, когда скорость лидирующей ударной волны меньше скорости детонации в режиме Чепмена-Жуге в топливно-воздушной смеси, а энергию лазерного излучения устанавливают из условия достаточности для увеличения скорости лидирующей ударной волны с переходом к нестационарному колебательному режиму детонации.
Технический результат при реализации изобретения - снижение докритической энергии инициирования импульсной детонации в топливно-воздушной смеси ниже, чем при последовательном зажигании горючей смеси электрическими разрядами.
В качестве графического материала, представляющего сущность изобретения, приведена зависимость скорости волны затухающей детонации от выбора момента однократного воздействия лазерного излучения фиксированной интенсивности.
Минимальное значение энергии лазерного излучения, необходимое для поддержания детонации в топливно-воздушной смеси, зависит от природы топлива, ее состава, температуры, давления и равно энергии, необходимой для возбуждения синглетных состояний кислорода, участвующего в инициировании реакций горения во фронте лидирующей ударной волны, приводящих к увеличению ее скорости до величины, при которой реализуется режим нестационарной колебательной детонации.
Для генерации синглетного кислорода может быть использован твердотельный диодный лазер с длиной волны излучения 762 нм или волоконный лазер с длиной волны излучения 1,268 мкм. Предпочтителен волоконный лазер, в котором генерация излучения высокого оптического качества происходит непосредственно в волокне. С использованием волоконного лазера можно получить компактное устройство с удобным подводом энергии к оптическому окну, с малыми потерями в оптическом тракте через гибкое волокно. Для волоконного лазера уже сейчас достижимы импульсы мощностью 5-10 кВт длительностью от 10 до 100 нс при частоте следования от 20 до 200 кГц, однако существуют трудности в генерации длин волн 700-1000 нм. Для более мощных твердотельных лазеров на длине волны 762 нм требуются специальные оптические системы коллимации, что делает устройства чувствительными к вибрациям, что особенно важно для двигателей (Дианов Е.М. Волоконные лазеры // Успехи физических наук. - 2004. - Т. 174, вып. 10. - С. 1139-1142). Применяя лазер, можно плавно варьировать мощность излучения, подстраивая ее под требуемый рабочий режим. Оптическое окно и применение твердотельного лазера с длиной волны 762 нм для генерации синглетного состояния кислорода описаны в патенте RU 2610874. Имеется опыт по созданию оптических окон в камерах сгорания в промышленности. Стекло должно быть оптически прозрачным в выбранном диапазоне волн, выдерживать ударные нагрузки от скачков давления, быть термостойким с малым коэффициентом теплового расширения.
2
1
Молекулы кислорода в синглетных состояниях генерируют лазерным излучением в локальных областях перед фронтом лидирующей ударной волны с опережением его по времени, которое меньше, чем время релаксации кислорода в состоянии синглет-дельта O(aΔg).
Существует минимальный предел примеси синглетного кислорода, ниже которого эффект восстановления детонации не достигается. Этот предел зависит как от состава смеси, так и от ее давления и температуры. Необходимое количество возбуждаемого синглетного кислорода может изменяться при варьировании продольного размера области воздействия лазерного излучения. Ширина этой области ограничена в силу протекающих физических процессов. Оценить ширину области эффективного воздействия лазерного излучения можно, исходя из представления об иерархии характерных для используемой горючей смеси времени релаксации возбужденного состояния кислорода, времени прохода детонационной волны через эту область, времени диффузии и т.д. Ширина этой зоны также ограничена расходимостью лазерного луча, особенно при реализации многопроходной системы в резонаторе Фабри-Перо, как, например, в патенте RU 2610874.
Как показали численные исследования, условия для возобновления детонационной волны при некотором характерном энергетическом воздействии возникают, когда скорость лидирующей волны немного меньше скорости детонации в режиме Чепмена-Жуге.
Анализ влияния воздействия селективного лазерного излучения, сопровождающегося образованием синглетного кислорода, на разные стадии затухания пересжатой детонационной волны показал наличие оптимальной зоны воздействия. На графике, представляющем зависимость скорости волны затухающей детонации от времени, три вертикальные линии показывают три момента однократного воздействия лазерного излучения фиксированной интенсивности: сплошная линия соответствует воздействию намного ранее достижения минимальной (критической) скорости ударной волной, штрихпунктирная линия соответствует воздействию излучения сразу после достижения волной критической скорости, пунктирная линия - намного позже достижения волной критической скорости. Резкое возрастание скорости волны до значения, характерного для колебательной нестационарной детонации, достигается только при воздействии на волну в момент достижения ею критической скорости, которая немного меньше, чем скорость детонации в режиме Чепмена-Жуге. Для полного сгорания топливно-воздушной смеси в детонационном режиме могут потребоваться дополнительные импульсные энергетические воздействия лазерным излучением по длине камеры сгорания.
2
В качестве примера реализации предложенного способа инициирования импульсной детонации приведем результаты численных исследований влияния молекул кислорода в состоянии синглет-дельта на формирование и распространение детонационной волны в водородно-воздушной среде с использованием детальной модели химической кинетики (Bezgin L.V., Kopchenov V.I., Kuleshov P.S., Titova N.S. and Starik A.M. Numerical study of combustion initiation in a supersonic flow of Н-air mixture by resonance laser radiation // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2012. - V. 45 - 085401 - P. 18). При моделировании была использована программа, предназначенная для расчета одномерных, двумерных и трехмерных нестационарных течений невязкого, нетеплопроводного многокомпонентного газа с неравновесными физико-химическими процессами, отличающихся сложной ударно-волновой структурой течения, в частности, для моделирования детонационных режимов горения (Babushenko, D.I., Kopchenov / Numerical study of pulse detonation tube with shock-induced combustion // Pulsed and continuous detonations. Eds.: G. Roy, S. Frolov, J. Sinibaldi. Moscow: Torus Press. - 2006 - V. I. - P. 239-245; Babushenko, D.I., Kopchenov / Numerical investigation of unsteady processes in tube at the periodical initiation of shock induced combustion // Pulsed detonation engines. Eds.: S. Frolov - Moscow: Torus Press - 2006 - V. I. - P. 293-310).
2
2
2
В качестве расчетной модели использовалась ударная труба длиной 250 мм, закрытая с обоих концов. В секции низкого давления ударной трубы находилась водородно-воздушная стехиометрическая смесь с начальными давлением около 1 бар и температурой 300 К. В секции высокого давления, заполненной азотом, задавалось распределение параметров, полученное из решения задачи "о сильном взрыве" в момент достижения ударной волной границы между секциями. Энергия инициирования варьировалась в диапазоне от 14 до 100 кДж/м. Установлено, что при энергии инициирования выше 62,5 кДж/м возникает детонационная волна, которая сохраняется до противоположного конца трубы, а при энергии инициирования 50 кДж/м и ниже происходит срыв детонации.
2
1
2
Для случая инициирования детонации с энергией 25 кДж/м была проведена серия расчетов распространения волны при возбуждении части молекул кислорода в состояние синглет-дельта O(aΔg) перед системой "лидирующая ударная волна - фронт тепловыделения" в локальных областях. Исследован диапазон размеров локальных областей воздействия от 0,5 до 5 мм при количестве кислорода в синглетном состоянии 0,04-4% по массе.
Установлено, что максимальное снижение энергии инициирования детонации в рассматриваемой смеси достигается при воздействии селективного лазерного излучения в момент, когда скорость волны составляет около 1700 м/с.
2
С учетом полученной информации по оптимальному моменту воздействия лазерного излучения для восстановления детонации расчетными методами было найдено необходимое количество и положение областей, позволяющее детонационной волне достигнуть противоположного конца трубы. В рассмотренном примере для этого оказалось достаточно добавления трех зон, каждая длиной 0,2% от длины трубы, начальные координаты которых - 83,5 мм, 139 мм и 185 мм. При этом суммарное изменение энтальпии смеси при возбуждении необходимого количества кислорода составляет всего 0,04 Дж/м или 0,16% от начальной энергии инициирования детонации. Таким образом, энергию инициирования детонации при использовании селективного лазерного излучения удается снизить не менее чем в 2,5 раза, тогда как в способе по прототипу при воздействии электрических разрядов критическая энергия инициирования детонации была снижена чуть менее чем в 1,8 раз.
Практически синхронизировать возбуждение молекул кислорода лазером со срывом детонации можно, используя распределение малоинерционных датчиков давления вдоль камеры сгорания для определения времени и места воздействия лазерного импульса, причем лазерное излучение можно направлять вдоль камеры сгорания оптической системой зеркал/линз. При изменении характеристик горючей смеси или параметров первичной ударной волны такая система может легко перестраиваться в пространстве, фокусируя лазерное излучение на разных участках тракта через одно и то же оптическое окно, без изменения геометрии тракта. Таким образом, предлагаемый способ инициирования импульсной детонации может быть использован в импульсном детонационном двигателе, характеризующемся многорежимностью по давлению, частоте следования импульсов детонации, для летательных аппаратов в различных слоях атмосферы с забортным источником кислорода.
Для однорежимного двигателя (применим на крейсерском режиме полета в связке с другим двигателем для взлета/посадки) вместо множества датчиков давления и малоинерционной управляющей оптической системы в программе управления может быть создан банк рассчитанных или экспериментально определенных данных по локализации срыва детонации во времени и в пространстве.