ДЕТОНАЦИОННАЯ КАМЕРА

Полезная модель относится к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям с резонансными камерами сгорания.
Известны пульсирующие двигатели детонационного горения, в которых детонационная камера содержит плоскую или специальную форму передней стенки, переходящую в цилиндрическую форму, а противоположный (задний) конец камеры открыт и снабжен обычным соплом типа сопла ракетного двигателя (см. Р.И.Курзи-нер. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. М.: Машиностроение, 1989, с.214-215).
Известны детонационные камеры, предназначенные для более полного (ударного) дожигания продуктов сгорания ракетного топлива и обеспечения наиболее благоприятных условий для возникновения детонации. Одним из вариантов конструктивного воплощения этого эффекта является «Реактивное сопло пульсирующего двигателя детонационного горения с центральным телом» (патент РФ №2066779, МПК F 02 К 7/04, 1996). Оно содержит полузамкнутую полость, расположенную в центральном теле камеры двигателя, узел подвода рабочего тела, а также насадок и устройство для создания ударных волн. При этом насадок выполнен в виде закритической части сопла Лаваля, внутренняя поверхность которого является продолжением поверхности полузамкнутой полости, а устройство для создания ударных волн - в виде полого обтекаемого тела, узел подачи рабочего тела - в виде кольцевой щели, образованной корпусом камеры двигателя и центральным телом.
При поступлении рабочего тела через узел подвода в детонационную камеру происходит се заполнение. По мере заполнения камеры она перекрывается плоской сверхзвуковой сходящейся к центру струей. Одновременно часть рабочего тела поступает в насадок. В процессе заполнения полузамкнутой полости, давление и температура в ней скачкообразно увеличиваются, что приводит к образованию детонации. Одновременно часть плоской сверхзвуковой сходящейся к центру струи, которая не участвовала в рабочем процессе, проходящем в детонационной камер, устремляется в сопло и натекает на устройство для создания ударных волн. Образуется система скачков уплотнений, которая сходится в фокусе детонационной камеры и в которой происходит резкое повышение температуры и давления. В свою очередь это приводит к детонационному дожиганию рабочего тела в насадке и дальнейшему его истечению.
Однако для данного устройства характерен существенный недостаток, заключающийся в низкой надежности работы устройства, связанный с малой вероятностью возникновения детонации. Данный недостаток устранен в тех устройствах, в которых осуществляется дополнительный подвод энергии, необходимый для возникновения детонационного процесса, например патент РФ №20548 «Устройство для детонационного сжигания топливных смесей», 2001. В нем в районе центра донной части резонатора установлен датчик давления пьезоэлектрического типа, соединенный с инициатором через усилительно-преобразующее устройство.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту к предлагаемому техническому решению является «Pulse detonation engine having an aerodynamic valve» (патент США №6584765, МПК F 02 K 7/02, 2004.). В нем объединены оба эффекта: ввода дополнительной энергии за счет ввеедния электрической свечи и подачи компонентов топлива таким образом, что они пересекаются в фокусе, расположенном на оси камеры.
Однако для данного устройства также характерны недостатки, заключающие в
- подаче в детонационную камеру раздельных компонентов топлива (за последние годы ведущие специалисты в области детонационных двигателей пришли к мнению о необходимости подачи в камеру уже готовой топливно-воздушной смеси);
- невозможности организации непрерывного детонационного процесса, т.к. процессы, проходящие в детонационной камере, сопровождаются пересечением областей подаваемых компонентов топлива и продуктами их детонации;
- завимости частоты детонационных процессов от частоты срабатывания электрической свечи и которая может возбудить детонационный процесс только при наличии свежей порции топливно-воздушной смеси, что трудно сделать без организации системы продувки.
Для устранения данных недостатков необходимо обеспечить наиболее благоприятных условий для возникновения и поддержания детонации.
Задачей полезной модели является повышение надежности работы детонационной камеры.
Техническим результатом предложенной детонационной камеры является повышение вероятности организации непрерывного детонационного процесса, а также в надежном разделении подаваемых компонентов топлива и продуктами их детонации.
Поставленная задача достигается тем, что детонационная камера содержит расположенные в едином корпусе систему топливоподачи, сверхзвуковое сопло и расположенный с ним соосно резонатор, обращенный открытым концом в сторону истечения продуктов
детонации. При этом внутренняя поверхность резонатора выполнена в виде конуса, а система топливоподачи представляет собой кольцевое сопло Лаваля, выполненное в корпусе устройства и обращенное в сторону резонатора.
На чертеже показана детонационная камера,
где: 1 - устройство для подачи топливно-воздушной смеси;
2 - резонатор;
3 - сверхзвуковое сопло;
4 - кольцевое сопло Лаваля;
5 - корпус.
Детонационная камера состоит из состоит из устройства для подачи топливно-воздушной смеси 1, резонатора 2 и сверхзвукового сопла 3, собранных в единое устройство.
Устройство подачи топливно-воздушной смеси 1 предназначено для разгона рабочей смеси до сверхзвуковых скоростей (М>1) и направления ее во внутрь резонатора 2. Оно представляет собой кольцевое сопло Лаваля 4, выполненное в корпусе 5 детонационной камеры 2.
Резонатор 2 предназначен для создания ударных волн и возбуждения детонационного процесса. Он имеет коническую формы, замкнутой с одного конца и обращенной открытым концом в сторону сопла 3.
Сверхзвуковое сопло 3 предназначено для разгона газов (продуктов детонации), истекающих из полости резонатора и создающих тягу двигателя.
Работает детонационная камера следующим образом.
Топливно-воздушная смесь, истекая через кольцевое сопло Лаваля 4, приобретает сверхзвуковую скорость. Разогнанная до сверхзвуковой скорости рабочая смесь натекает на внутреннюю полость резонатора 2. Отражаясь от внутренней поверхности резонатора 2 образуются отраженные ударные волны
Эти волны фокусируются на оси устройства, образуя стоячую фокусирующую осевую линию, протяженность которой Х определяется выражением
Х=L cosα,
где: L - длина конической части резонатора 2;
α - угол полуарствора резонатора 2.
При этом на фокусирующей осевой линии происходит резкое повышение температуры и давления (эффект Шпрингера), что приводит к возникновению детонационной волны в рабочей смеси и ее детонационному восплаемнению. Пульсация давления в резонаторе 2 зависят от глубин резонатора и определяются только числом М набегающей струи.
Частота колебаний определяется глубиной резонатора L и скоростью распространения в нем волн.
Таким образом возбуждается высокочастотный колебательный процесс с образованием ударных и детонационных волн.
Повышение эффективности устройства заключается в том, что при детонационном сжигании топливной смеси значения температуры и давления значительно выше аналогичных параметров, получаемых при обычном сжигании одного и того же количества рабочей смеси. Следовательно, работа, совершаемая продуктами детонации, будет больше, чем работа, совершаемая продуктами сгорания.
Продукты детонации, истекающие из полости резонатора, через сверхзвуковое сопло 3 устремляются к его выходу и создают тягу двигателя.
Сила тяги создается за счет взаимодействия детонационной волны с внутренней конической поверхностью резонатора 2, а также за счет реактивной силы, образованной истекающей через сопло газовой сверхзвуковой струей. Суммарный импульс тяги детонационной камеры прямо пропорционален частоте пульсации и величине давления на стенки резонатора 2. Изменяя эти параметры можно осуществлять регулирование модуля вектора тяги.
Для разработанной детонационной камеры характерны: возможность организации непрерывного детонационного процесса, высокая надежность работы за счет разделения областей подаваемых компонентов топлива и продуктами их детонации; меньшие геометрические размеры резонатора, отсутствие систем инициирования и продувки.
Предложенная конструкция детонационной камеры позволяет получить максимальную частоту детонационных процессов.