Бесклапанная детонационная трубка импульсного детонационного двигателя
VALVELESS DETONATION TUBE OF A PULSE DETONATION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиации в импульсных детонационных двигателях (ИДД) для получения тяги и обеспечения движения транспортных систем гражданского назначения (доставка грузов в труднодоступные районы, помощь в чрезвычайных ситуациях и пр.).
Перспективным способом сжигания топлива в воздушно-реактивных двигателях (ВРД) являются ИДД, в которых за счет детонационного сжигания топлива реализуется более эффективный термодинамический цикл, чем в турбореактивных двигателях (ТРД) и прямоточных ВРД (ПВРД) и которые, в отличие от ПВРД, работают при дозвуковых скоростях полета, но имеют гораздо более простую и дешевую конструкцию, чем ТРД.
При этом есть и существенные трудности, которые необходимо преодолеть для практической реализации ИДД. Кроме проблем стабильного инициирования детонации, достижения равномерности тяги и минимизации шума двигателя, наиболее существенными проблемами являются: поддержание циклического рабочего процесса, эффективное преобразование импульса детонации в тягу, минимизация внешнего сопротивления двигателя и надежность конструкции при нестационарных механических и тепловых нагрузках.
Известно техническое решение (Hinkey J., Williams J., Henderson S., Bussing T. Rotary-valved, multiple-cycle, pulse detonation engine experimental demonstration. //33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit. - 1997. - P. 2746), в котором в тракт ВРД с общим воздухозаборником (ВЗ) и соплом установлено несколько детонационных трубок (ДТ). Каждая ДТ периодически заполняется воздухом и топливом, производится поджиг с помощью искры и формируется детонация. Характерными особенностями такой ДТ являются движение детонации в направлении от ВЗ к соплу и использование вращающегося клапана, который периодически открывает и закрывает входы в детонационные камеры сгорания, повышая равномерность тяги ИДД. Недостатком данной ДТ является использование клапана, периодически перегораживающего тракт ДТ и находящегося в области максимальных температур и давлений, что ограничивает надежность и долговечность конструкции. Известно, что на импульсном двигателе "Фау-1" клапаны прогорали приблизительно после получаса полета.
Известна принятая за прототип бесклапанная ДТ, входящая в состав ИДД, концепция которого была разработана в ЦАГИ в 1991 г. проф. И.С. Симоновым. Эта концепция описана, например, в статье: Н.Х. Ремеев, B.В.Власенко, Р.А. Хакимов. Численное моделирование и экспериментальное исследование рабочего процесса в модели импульсного детонационного двигателя прямоточной схемы. // В кн.: Импульсные детонационные двигатели. Под ред. С.М. Фролова, ISBN 5-94588-043-4. - Москва, "Торус-пресс", 2006. - C. 311-348. В Приложении даны страницы 311-313, содержащие описание концепции ИДД И.С. Симонова и бесклапанной ДТ (которая в данной статье названа "детонационной камерой"). В общем тракте с ВЗ и соплом устанавливается несколько бесклапанных ДТ, каждая из которых содержит входной отсек, перепускной отсек с перфорированными стенками и перепускными кожухами для разворота высоконапорных газов, инжекторы топлива и расположенный в конце ДТ инициатор детонации. Существенные особенности данной концепции - отсутствие механических клапанов, перегораживающих канал ДТ, а также движение детонации в направлении от сопла к ВЗ.
Основные недостатки прототипа:
- перфорированные стенки, прикрытые сверху перепускными кожухами, быстро теряют эффективность по мере движения ударной волны вдоль перепускного отсека. Поэтому при помощи одного перепускного отсека невозможно осуществить гашение детонационной волны;
- постоянная подача топлива приводит к тому, что горячие газы, созданные детонацией, поджигают свежее топливо с формированием стационарного факела диффузионного пламени, который делает невозможным циклический режим работы двигателя;
- расположение инжекторов топлива после перепускного отсека приводит к слишком большой длине детонационной трубки и, как следствие, к большим потерям тяги на этапе заполнения трубки свежим топливом, когда детонационная трубка создает сопротивление вместо тяги.
Технический результат данного изобретения заключается в достижении устойчивой циклической работы бесклапанной ДТ и обеспечении эффективного гашения возникающих ударных волн с преобразованием импульса, переносимого волнами, в тягу ИДД, за счет возникновения продольной силы, приложенной к поверхности перепускных кожухов ДТ.
Технический результат достигается тем, что в бесклапанной детонационной трубке импульсного детонационного двигателя, содержащей входной отсек, перепускной отсек с перфорированными стенками и кожухами для разворота высоконапорных газов, инжекторы топлива и инициатор детонации, перепускной отсек содержит не менее двух поясов перепуска, каждый из которых содержит перфорированные стенки и кожухи, инжекторы топлива расположены в поперечном сечении детонационной трубки между 1-м и 2-м, считая от входного отсека, поясами перепуска, а также дополнительно содержит устройство управления инжекцией топлива с прекращением инжекции топлива при приближении волны детонации к инжекторам топлива и возобновлением инжекции топлива при падении температуры потока в окрестности инжекторов топлива ниже температуры самовоспламенения.
Отверстия перфорации наклонены так, что угол между направлением вдоль оси отверстий перфорации от канала бесклапанной детонационной трубки к кожуху и направлением от входного отсека к выходу из бесклапанной детонационной трубки равен 90-150°. Суммарная площадь отверстий перфорации в стенках пояса перепуска составляет 25-40% от площади стенок пояса перепуска. Длина бесклапанной детонационной трубки составляет 14-16 диаметров канала бесклапанной трубки. Первый пояс перепуска по длине составляет 30-50% от длины любого из остальных поясов перепуска.
На фигуре 1 изображена схема предлагаемой бесклапанной детонационной трубки импульсного детонационного двигателя.
Бесклапанная детонационная трубка импульсного детонационного двигателя содержит входной отсек 1, перепускной отсек со стенками, в которых сделаны отверстия перфорации 2, и с кожухами 3 для разворота высоконапорных газов, инжекторы топлива 4 и инициатор детонации 5, а также устройство управления инжекцией топлива с прекращением инжекции топлива при приближении волны детонации к инжекторам топлива и возобновлением инжекции топлива при падении температуры в окрестности инжекторов ниже температуры самовоспламенения, размещенное в корпусе двигателя, вне детонационной трубки. По опыту авторов, данное устройство работает в строго циклическом режиме с постоянной частотой цикла, которая может быть определена экспериментально на опытном образце ДТ. Поэтому специальных датчиков температуры потока не требуется. При включении двигателя и периодическом включении и выключении подачи топлива с определенной в испытаниях частотой двигатель сам переходит к циклическому режиму работы после кратковременного переходного этапа.
На фигуре 1 показана возможная конструкция ДТ в сечении А-А, проходящем через инжекторы топлива 4, и в сечении В-В, проходящем через инициатор детонации 5. ДТ может быть установлена в ИДД при помощи пилонов (стоек), закрашенных серым цветом. В сечении А-А в этих пилонах могут быть проложены трубки для подачи топлива, и топливо может инжектироваться в поток через ряд отверстий в этих пилонах. В сечении В-В в пилонах могут располагаться, например, электрические кабели для подачи напряжения на инициатор детонации 5, если в качестве инициатора детонации используется электрическая свеча. Конструкция устройств для крепления ДТ в ИДД, а также конструкция инжекторов топлива и инициаторов детонации может быть различной (например, инициирование детонации может осуществляться впрыском продуктов сгорания из соседней ДТ, работающей со сдвигом по времени) и к данному изобретению отношения не имеет.
Перепускной отсек содержит не менее двух поясов перепуска, каждый из которых содержит стенки, в которых сделаны отверстия перфорации 2, и кожухи 3 для разворота высоконапорных газов. На фигуре показано три пояса перепуска.
Инжекторы топлива 4 расположены в поперечном сечении детонационной трубки между 1-м и 2-м, считая от входного отсека, поясами перепуска.
Угол ос между направлением вдоль оси отверстий перфорации 2 перепускного отсека от канала бесклапанной ДТ к кожуху 3 и направлением от входного отсека 1 к выходу из бесклапанной детонационной трубки равен 90-150°.
Суммарная площадь отверстий перфорации 2 в стенках пояса перепуска составляет 25-40% от площади стенок пояса перепуска.
Длина бесклапанной ДТ составляет 14-16 калибров (диаметров канала D) бесклапанной ДТ.
Первый пояс перепуска по длине составляет 30-50% от длины любого из остальных поясов перепуска.
Бесклапанная детонационная трубка работает следующим образом.
Воздух из общего тракта ИДД втекает в ДТ через входной отсек 1. Инжекторы 4 подмешивают к воздушному потоку топливо, обеспечивая по возможности равномерное смешение. Когда трубка заполнена до конца горючей топливо-воздушной смесью, инициатор детонации 5 поджигает смесь, и возникает волна детонации, которая движется к входному отсеку 1, сжигая топливо-воздушную смесь. При движении волны вдоль отверстий перфорации 2 высоконапорные газы за фронтом ударной волны перепускаются через отверстия перфорации в кожухи 3, где происходит их разворот и вытекание в окружающее пространство, с образованием суммарной реактивной силы, направленной вдоль оси ДТ и действующей на внутреннюю поверхность отверстий перфорации 2 и кожухов 3. Когда волна детонации достигает сечения инжекторов 4, инжекция топлива прекращается при помощи устройства управления инжекцией топлива, а волна детонации превращается в ударную волну, которая продолжает движение к входному отсеку 1, частично ослабляется в первом поясе перепуска и выходит из входного отсека в общий канал ИДД. (Предполагается, что дальнейшее гашение ударных волн происходит в общем канале ИДД.) После выхода ударной волны из ДТ втекание воздуха в ДТ через входной отсек 1 возобновляется. Когда температура газов около инжекторов топлива 4 становится ниже температуры самовоспламенения, подача топлива возобновляется при помощи устройства управления инжекцией топлива. Далее цикл работы ДТ повторяется.
Наличие в предлагаемом устройстве бесклапанной ДТ не менее двух поясов перепуска обеспечивает эффективное гашение возникающих ударных волн, достаточное для предотвращения выхода сильных ударных волн из воздухозаборника ИДД, с эффективным преобразованием импульса детонации в тягу ИДД.
Инжекторы топлива 4 расположены в поперечном сечении бесклапанной ДТ между 1-м и 2-м, считая от входного отсека, поясами перепуска для сокращения длины бесклапанной ДТ, что уменьшает длительность этапа заполнения ДТ горючей смесью и, как следствие, повышает частоту работы и тягу бесклапанной ДТ.
Чтобы предотвратить прекращение циклического детонационного горения и формирование стационарного диффузионного пламени, устройство управления инжекцией топлива автоматически прекращает подачу топлива при приближении детонации и возобновляет подачу топлива при падении температуры потока ниже температуры самовоспламенения.
Чтобы на этапе движения ударной волны вверх по потоку улучшить перепуск высоконапорных газов, а на этапе заполнения ДТ свежим воздухом уменьшить утекание топлива через перфорацию, отверстия 2 в перфорированных стенках выполняются так, чтобы угол а между направлением вдоль оси отверстий перфорации 2 от канала бесклапанной ДТ к кожуху 3 и направлением от входного отсека 1 к выходу из бесклапанной детонационной трубки равен 90-150°. Для тех же целей суммарная площадь отверстий перфорации 2 составляет 25-40% от площади боковых стенок на перфорированном участке.
Для достижения хорошего сочетания между внутренней тягой (интеграл от которой растет с при удлинении ДТ) и внешним сопротивлением (интеграл от которого также растет при удлинении ДТ), длина ДТ выбирается равной 14-16 калибров (диаметров канала/)) бесклапанной ДТ.
Первый пояс перепуска завершает гашение движущейся ко входному отсеку 1 ударной волны, перепуская высоконапорные газы. Остальные пояса перепуска не только перепускают высоконапорные газы, но и создают тягу ДТ. Поэтому длина первого пояса перепуска составляет 30-50% от длины любого из остальных поясов перепуска.
Достижимость поставленного технического результата при помощи предложенного изобретения доказывается результатами численного расчета упрощенного модельного варианта данного ИДД - сверхзвукового ПВРД с одной бесклапанной детонационной трубкой внутри, которые были выполнены авторами изобретения для числа Маха полета М=3 на базе нестационарных уравнений Рейнольдса (с моделированием пограничных слоев и турбулентности потока в ИДД) и показали, что при длине около 3 м частота работы двигателя составляет около 150 Гц, удельный импульс равен примерно 3460 сек, и внутренняя тяга в 3 раза превосходит внешнее сопротивление ИДД. Данные характеристики уступают характеристикам эквивалентного ПВРД обычной конструкции (без ДТ). Поэтому был сделан вывод, что ИДД с бесклапанными ДТ внутри следует использовать для дозвуковых скоростей полета, где ПВРД является неэффктивным, а ТРД слишком дороги из-за сложной конструкции. Работоспособность и эффективность ИДД на дозвуковых скоростях полета подтверждается успешными исследованиями, выполненными специалистами Центра детонационного горения при ФИЦ ХФ РАН (для другой конструкции ИДД). Условия течения в области расположения ДТ в ИДД, предназначенном для дозвуковых скоростей полета, и в ИДД, предназначенном для сверхзвуковых скоростях полета, достаточно близки (они обеспечиваются конструкцией воздухозаборного устройства ИДД), поэтому расчеты, проведенные для сверхзвукового ИДД, гарантируют работоспособность и заявленные характеристики предложенной конструкции ДТ и для дозвуковых скоростей полета.