СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ДЕТОНАЦИОННОГО ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF OPERATING PULSATING DETONATION ENGINE (VERSIONS)

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к силовым установкам, и может быть использовано для получения тяги и обеспечения движения транспортных средств различного назначения на воде и под водой.
Известен способ работы детонационного гидрореактивного двигателя (RU 2069776, F02B 71/04, 27.11.1996), предназначенного в качестве силовой установки для судов на подводных крыльях и глиссирующих судов. Двигатель содержит камеру сгорания с форсункой и дополнительным объемом - детонатором. Камера сгорания сообщается с атмосферой посредством продувочных окон через поплавковую камеру с кольцевым поплавком, сообщающимся с водной средой через сопло. После впрыска форсункой топлива происходит его воспламенение в детонаторе и инициирование детонации, переходящей в камеру сгорания. Давление горячих газов выталкивает воду через сопло, создавая реактивную тягу.
В данном способе при работе двигателя используется в качестве горючего углеводородное топливо, а в качестве окислителя - воздух. Недостатком данного способа является малая мощность двигателя на единицу объема и низкий КПД.
Известен способ функционирования гидрореактивного двигателя на горении, в камеру сгорания которого подается вода или водяной пар и порошок металла, например алюминия. При оптимальном соотношении компонентов температура продуктов сгорания, состоящих из водорода, водяного пара и частиц оксида алюминия, достигает 2000-3000 К, при этом удельный импульс тяги достигает 1500 кгс·с/л (Сборник «Физика аэродисперсных систем». Изд. ВШ, Одесса, N 17, 1978).
Недостатком данного способа функционирования гидрореактивного двигателя является недостаточно высокий удельный импульс тяги, поскольку реализуется процесс горения, а не детонации.
Известен способ получения тяги на основе процесса детонации (RU 2179254, F02K 7/04, 10.02.2002), заключающийся в том, что в детонационную резонансную камеру тягового устройства подают топливо и воздух с коэффициентом избытка окислителя (воздуха) 0,8-1,2 и осуществляют детонационный процесс сжигания топлива в пульсирующем режиме, при этом топливо и воздух подают в детонационную камеру двумя потоками: потоком воздуха при давлении 0,2 МПа, нагретого до 200-500°С, и потоком активированного газообразного топлива (горючей смеси), полученного окислением топлива воздухом с коэффициентом избытка окислителя <0,1 при температуре воздуха 200-450°С и давлении более 0,2 МПа.
Этому способу получения тяги присущи недостатки, связанные с необходимостью подготовки активированного топлива, предварительного подогрева воздуха и разделения его на два потока: воздух, нагретый до 200-500°С, подается в детонационную камеру, а воздух, нагретый до 200-450°С, используется для активирования топлива путем образования холодных пламен. При подаче топлива и воздуха в детонационную камеру двумя потоками происходит диффузионное перемешивание двух потоков, что не обеспечивает полное химическое превращение топлива. Кроме того, данный способ неэффективен для создания тяги транспортных средств на воде и под водой, так как вода не используется ни в качестве окислителя, ни в качестве рабочего тела.
Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому способу функционирования пульсирующего детонационного двигателя является принятый за прототип способ функционирования гиперзвукового пульсирующего детонационного двигателя по патенту RU 2347097, F02K 7/02, опубл. 20.02.2009. Способ заключается в подготовке топливной смеси на основе водорода, подаче ее в полузамкнутую детонационную камеру сгорания, осуществлении газовой детонации топливной смеси в пульсирующем режиме и получении тяги. Для подготовки топливной смеси на основе водорода используют устройство, в котором водород получают реакцией порошкообразного алюминия с водой. Порошкообразный алюминий микрокапсулирован водорастворимым полимерным покрытием и хранится в топливном баке. Полузамкнутая детонационная камера выполнена таким образом, что топливную смесь можно подавать в детонационную камеру либо через перфорированную стенку, либо через регулируемое кольцевое щелевое сопло. Приготовленную топливную смесь на основе водорода подают в полузамкнутую детонационную камеру сгорания периодически в пульсирующем режиме двумя потоками: в первом потоке топливную смесь с коэффициентом избытка кислорода менее 0,1 подают через перфорированную стенку, а во втором - с коэффициентом избытка кислорода более 0,85 - подают через регулируемое кольцевое щелевое сопло и осуществляют процесс газовой детонации топливной смеси в диапазоне частот от 200 до 27000 герц.
Способу-прототипу также присущи недостатки, связанные с необходимостью разделения потока топливной смеси на два потока, при этом также возможна неполнота химического превращения топлива, химическая реакция превращения которого происходит при диффузионном перемешивании двух потоков. Данный способ не может быть эффективно использован для обеспечения движения транспортных средств на воде и под водой, так как вода используется только для предварительного приготовления горючего компонента топливной смеси - водорода - и не используется ни в качестве окислителя в детонационном процессе, ни в качестве рабочего тела.
Задачей заявляемого изобретения является создание эффективного способа функционирования пульсирующего детонационного двигателя для получения тяги и обеспечения движения транспортных средств различного назначения на воде и под водой.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении термического кпд, топливной эффективности, удельной тяги и надежности работы силовой установки.
Предлагаемый способ функционирования пульсирующего детонационного двигателя предпочтительнее использовать для обеспечения движения подводных и надводных судов, так как применение детонационных двигателей в ракетной и авиационной технике неизбежно приводит к проблемам, связанным с оптимизацией весовых и акустических параметров двигателя. Предлагаемый способ отличается высокой степенью интегрирования используемого в нем пульсирующего детонационного двигателя с транспортными средствами различного назначения на воде и под водой.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются предлагаемым способом функционирования пульсирующего детонационного двигателя, включающим подачу топливной смеси в полузамкнутую детонационную камеру сгорания, осуществление детонации топливной смеси в пульсирующем режиме и получение тяги, при использовании которого для обеспечения движения подводных и надводных транспортных средств в полузамкнутую детонационную камеру сгорания подают порошкообразный металл и забортную воду, распыленную или в виде водяного пара, в пульсирующем или квазинепрерывном режиме, одновременно подают забортную воду внутрь детонационной камеры сгорания на ее стенку в виде тонкой пленки и осуществляют процесс детонации гетерогенной топливной смеси в детонационной камере сгорания.
Процесс детонации гетерогенной топливной смеси в детонационной камере сгорания можно осуществлять от детонационной волны, получаемой при детонации газовой смеси водорода с кислородом или воздухом в небольшом дополнительном объеме, присоединенном к детонационной камере сгорания.
Размер небольшого дополнительного объема для детонации смеси водорода с кислородом или воздухом составляет не более 1-3% от размера детонационной камеры сгорания.
Водород можно получать в результате детонации гетерогенной топливной смеси в детонационной камере сгорания.
Водород можно получать во вспомогательном устройстве взаимодействием порошкообразного металла с забортной водой, распыленной или в виде водяного пара.
Кислород можно подавать из резервуара, установленного на транспортном средстве.
Кислород можно получать разложением перекиси водорода.
При использовании способа для обеспечения движения надводных транспортных средств воздух забирают из атмосферы.
В качестве порошкообразного металла можно использовать алюминий.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются также предлагаемым способом функционирования пульсирующего детонационного двигателя, включающим подачу топливной смеси в полузамкнутую детонационную камеру сгорания, осуществление детонации топливной смеси в пульсирующем режиме и получение тяги, в котором при использовании способа для обеспечения движения надводных транспортных средств в полузамкнутую детонационную камеру сгорания подают аэровзвесь порошкообразного металла в воздухе в пульсирующем или квазинепрерывном режиме, одновременно подают забортную воду внутрь детонационной камеры сгорания на ее стенку в виде тонкой пленки и осуществляют процесс детонации аэровзвеси в детонационной камере сгорания.
Воздух можно забирать из атмосферы.
В качестве порошкообразного металла можно использовать алюминий.
Предлагаемый способ (в двух вариантах) был разработан на основе теоретических расчетов и детальных экспериментальных исследований процесса детонации гетерогенных топливных смесей на основе высокоэнергетичного металлического топлива.
Принципиальным результатом проведенных испытаний является установление возможности организации детонационного или детонационно-подобного процесса в гетерогенной смеси твердого энергоемкого горючего - мелкодисперсного металлического порошка - с жидким или газообразным окислителем в детонационной камере сгорания ограниченного размера (длиной не более 10 м). Наиболее эффективным и надежным приемом, особенно для гетерогенной смеси порошка металла с водой, оказалось возбуждение детонации (взрыва) гетерогенной смеси от детонационной волны, получаемой при детонации вспомогательной газовой смеси водорода с кислородом или воздухом, при этом уменьшаются габариты детонационной камеры сгорания.
Детонационное сгорание гетерогенной топливной смеси возможно при периодической дозированной подаче компонентов смеси в камеру сгорания в пульсирующем режиме или квазинепрерывно в саморегулирующемся режиме. Соотношение количеств жидкого окислителя (воды) или газообразного окислителя (воздуха) и мелкодисперсного металлического порошка (твердого горючего) выбиралось из условия достижения максимального энерговыделения.
Были исследованы возможности получения максимального удельного импульса (для подводных аппаратов силы тяги, отнесенной к расходу топлива) - выше 1500 кгс·с/л - при детонационном сгорании гетерогенной топливной смеси. Было установлено, что для достижения максимального удельного импульса в продукты реакции за фронт детонационной волны необходимо подавать дополнительное рабочее тело - воду, тогда рабочим телом становится смесь водорода с парами воды. Для обеспечения этого одновременно с подачей порошкообразного металла и окислителя внутрь детонационной камеры сгорания подают забортную воду на ее стенку в виде тонкой пленки. В таком случае детонационная волна будет распространяться в камере сгорания с «водяными стенками». Это приведет к тому, что в результате гидродинамической неустойчивости и интенсивного потока излучения от конденсированной фазы продуктов сгорания водяная пленка на стенке камеры будет диспергироваться и испаряться при радиационном и конвективном нагреве за фронтом детонационной или детонационно-подобной волны, увеличивая массовый расход рабочего тела и тягу.
Количество забортной воды, подаваемой внутрь камеры сгорания на ее стенку в виде тонкой пленки, выбиралось из условия достижения максимального импульса. До настоящего времени такой способ функционирования пульсирующего детонационного двигателя не предлагался, и нельзя было заранее предвидеть возможность практической реализации идеи.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Компоненты топливной смеси: твердое металлическое топливо и окислитель - вода или воздух - подаются в полузамкнутую детонационную камеру сгорания в пульсирующем или квазинепрерывном режиме, одновременно подается забортная вода внутрь детонационной камеры сгорания на ее стенку в виде тонкой пленки, и осуществляется процесс детонации гетерогенной топливной смеси в детонационной камере сгорания.
Для повышения надежности возбуждения детонации гетерогенной топливной смеси и уменьшения габаритов детонационной камеры сгорания можно использовать детонационную волну от детонации вспомогательной газовой смеси водорода с кислородом или воздухом в небольшом дополнительном объеме, присоединенном к детонационной камере сгорания. Необходимое количество вспомогательной газовой смеси незначительно - не превышает 1-3% от объема основной гетерогенной смеси в детонационной камере сгорания. Водород получают либо в результате детонации основной гетерогенной смеси в детонационной камере сгорания, либо во вспомогательном устройстве взаимодействием порошкообразного металла с забортной водой, распыленной или в виде водяного пара. Если транспортное средство движется под водой, используют кислород из резервуара, установленного на транспортном средстве, или получают его при разложении перекиси водорода. Если транспортное средство движется вблизи поверхности воды или по ее поверхности, то становится доступным использование атмосферного воздуха в качестве окислителя водорода в газовой вспомогательной смеси.
В первом варианте предлагаемого способа функционирования пульсирующего детонационного двигателя при обеспечении движения подводных транспортных средств различного назначения использование атмосферного воздуха в качестве окислителя твердого металлического топлива недоступно, поэтому окислителем является вода. Реакция металла, например алюминия, с водой протекает согласно уравнению:
2
2
3
2
2Al+3HO→AlO+3H,
при этом выделяется 15,2 кДж тепла на 1 г горючего, температура продуктов реакции достигает 3000 К и более.
Во втором варианте предлагаемого способа, используемого для обеспечения движения транспортных средств различного назначения вблизи поверхности или на поверхности воды, в качестве окислителя твердого топлива используется атмосферный воздух, забортная вода используется в качестве дополнительного рабочего тела, подаваемого за фронт детонационной волны в продукты сгорания (детонации). В полузамкнутую детонационную камеру сгорания подают аэровзвесь порошкообразного металла и воздуха в пульсирующем или квазинепрерывном режиме и одновременно подают забортную воду внутрь детонационной камеры сгорания на ее стенку в виде тонкой пленки. В данном случае надежно развивается прямая детонация (взрыв) аэровзвеси в детонационной камере сгорания ограниченного размера без использования детонационной волны от детонации вспомогательной газовой смеси водорода с кислородом или воздухом.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение термического кпд, топливной эффективности, удельной тяги и надежности работы силовой установки, так как используются высококалорийное металлическое топливо, сжигаемое в эффективном детонационном режиме, и забортная вода в качестве окислителя и дополнительного компонента рабочего тела. Подача топлива и окислителя (воды или воздуха) одним потоком в камеру сгорания существенно упрощает конструкцию двигателя, обеспечивает полноту химического превращения. Подача воды в продукты реакции за фронт детонационной волны обеспечивает достижение максимального удельного импульса при работе двигателя. Способ отличается высокой степенью интегрирования используемого в нем двигателя с транспортными средствами различного назначения на воде и под водой.