СПОСОБ ДЕТОНАЦИОННОГО СЖИГАНИЯ ВОДОРОДА В СТАЦИОНАРНОМ СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ
METHOD OF DETONATION COMBUSTION OF HYDROGEN IN STEADY-STATE SUPERSONIC FLOW

Заявляемое изобретение может быть использовано в машиностроении, в частности в авиационном двигателестроении.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ сжигания топлива в пульсирующей волне детонационного горения, которая со сверхзвуковой скоростью поступает в рабочую часть соплового конвергентно-дивергентного канала плоской конфигурации [1]. Основным недостатком прототипа является отказ от реализации стационарных режимов детонационного сжигания топливных смесей, наиболее выгодных с энергетической точки зрения при создании прямоточного сверхзвукового детонационного двигателя.
Заявляемое изобретение направлено на создание сверхзвуковой прямоточной камеры непрерывного сгорания топливно-воздушных смесей (ТВС) в стационарной самоподдерживающейся волне детонации и представляет собой один из способов получения высокоэнтальпийного сверхзвукового потока, используемого при движении тел в воздухе.
Указанный результат достигается тем, что сверхзвуковой поток ТВС направляется в конвергентно-дивергентный сопловой канал, где в детонационной волне, стационарно расположенной и самоподдерживающейся в расширяющейся части осесимметричного соплового канала с монотонно меняющейся по длине формой сужающегося и расширяющегося участков, сгорает смесь водорода с воздухом постоянного во времени состава, поступающая параллельно оси канала со скоростью, большей скорости детонации Чепмена-Жуге в стехиометрической водородовоздушной смеси.
Отличительными признаками заявляемого изобретения являются
- использование в качестве топлива водородовоздушной смеси постоянного во времени состава,
- наличие осесимметричного конвергентно-дивергентного соплового канала,
- монотонно меняющаяся по длине форма сужающегося и расширяющегося участков канала,
- сверхзвуковой поток водорода с воздухом, направленный параллельно оси симметрии соплового канала,
- наличие самоподдерживающегося стационарного фронта детонационного горения в расширяющейся части соплового канала при выполнении следующего условия:
- значение скорости газа на входе в канал превосходит значение скорости детонации Чепмена-Жуге в стехиометрической водородовоздушной смеси.
Водород выбран в качестве топлива из-за его сравнительно высокой детонационной способности. Минимальная энергия инициирования детонационного горения водорода в воздухе при нормальных условиях равна 4.2 МДж в открытом пространстве [2]. Метан, являющийся основным компонентом природного газа, как и широко используемый в авиации керосин, вообще не детонируют в воздухе при нормальных условиях. Теплота сгорания водорода в расчете на один моль кислорода Q=480 кДж, в то время как для метана Q=400 кДж/моль, для ацетилена Q=500 кДж/моль [3]. Таким образом, водородовоздушная смесь по теплотворной и детонационной способности не уступает газообразным углеводородам, но предпочтительнее в экологическом плане, поскольку его сжигание происходит без образования сажи и различных окислов углерода. Постоянный во времени состав является необходимым условием генерации стационарного детонационного горения смеси.
Воспламенение газообразного топлива может быть принудительным, то есть в результате подвода внешней энергии к газу, либо самопроизвольным, или спонтанным, например, при адиабатическом сжатии газа поршнем в теплоизолированном сосуде или за ударной волной. В предлагаемом способе детонационного сжигания сверхзвуковой поток водородовоздушной смеси адиабатически сжимается в конвергентной (сужающейся) части соплового канала и цилиндре минимального радиуса при его наличии. Достаточно высокая степень сжатия ведет к самовоспламенению, то есть спонтанному воспламенению газа. Если этого сжатия недостаточно, повышение температуры и давления уменьшает энергию, необходимую для вынужденного воспламенения смеси.
Наличие дивергентного (расширяющегося) участка соплового канала обусловлено двумя причинами. Во-первых, на этом участке происходит рост скорости заторможенного в конвергентной части канала сверхзвукового потока до значений, отвечающих условиям формирования самоподдерживающегося стационарного фронта детонации, в каждой точке которого должны выполняться условия Чепмена-Жуге для скорости газа, направленной по нормали к криволинейному, в общем случае, детонационному фронту. Во-вторых, этот участок необходим для создания тяги, которая представляет собой продольную составляющую сил давления, направленных вдоль оси соплового канала навстречу потоку. Она растет с ростом давления за детонационным фронтом и площади поперечного сечения дивергентного сопла, поскольку в этой части давление действует на стенки соплового канала в сторону, противоположную направлению набегающего потока. Осевая симметрия позволяет осуществить заданное сжатие сверхзвукового потока на более коротком расстоянии, чем в случае плоского соплового канала.
Монотонность профиля сужающегося и расширяющегося участков канала уменьшает вероятность формирования косых скачков уплотнения, которые приводят к дополнительным потерям полного давления и, как следствие, к снижению тяги, а в конвергентной секции способны инициировать преждевременное воспламенению газа.
Поступление смеси параллельно оси симметрии канала, во-первых, также снижает вероятность формирования косых скачков уплотнения на входе в канал или их интенсивность в случае неудачно выполненной обечайки сопла, а во-вторых, имитирует движение соплового канала со сверхзвуковой скоростью в покоящемся газе.
Стационарное детонационное горение может существовать только в режиме самоподдерживающейся детонационной волны Чепмена-Жуге (см., например, [4]). Сжатие сверхзвукового потока ведет к падению его скорости. При скорости потока на входе, близкой к скорости детонации Чепмена-Жуге на участке сужения канала и в некоторой начальной части его расширения инициирование детонации происходит в потоке со скоростью, меньшей скорости Чепмена-Жуге, что приводит к распространению волны навстречу потоку, выходу детонации в сужающуюся часть и срыву тяги. Поэтому скорость поступающей в сопловой канал водородовоздушной смеси ограничена снизу.
Заявляемое изобретение поясняется фиг.1-4 и нижеследующим описанием. На фиг.1-3 представлен результат сжатия газа (формирование области EF с повышенной температурой газа, фиг.1) в конвергентной части соплового канала одной из возможных конфигураций, фронт самоподдерживающегося детонационного горения CD в дивергентной части канала (фиг.2) и силовое воздействие продуктов горения на внутреннюю поверхность канала (фиг.3) в установившемся потоке после принудительного инициирования детонации водородовоздушной смеси, поступающей в сопло со скоростью, большей скорости детонации Чепмена-Жуге в стехиометрической водородовоздушной смеси. На фиг.4 показано поле температур установившегося течения в сопловом канале с укороченной конвергентной частью, которая обеспечивает спонтанное инициирование самоподдерживающегося детонационного горения водородовоздушной смеси.
Сущность заявляемого изобретения поясняется нижеследующим описанием. В современных камерах сгорания сжигание ТВС происходит после торможения потока до дозвуковых скоростей с тем, чтобы снизить потери полного давления. При высоких скоростях полета такое торможение приводит к прогреву газа до температуры термического разложения топлива, что снижает эффективность тепловыделения. Детонационное горение происходит без торможения сверхзвукового потока до дозвуковых скоростей и поэтому может обеспечить более высокую эффективность тепловыделения несмотря на некоторые потери полного давления в ударном фронте детонационной волны.
В [1] предложено осуществлять сжигание топлива в детонационной волне, пульсирующей в плоской рабочей части соплового канала. Теоретические исследования, проведенные в одномерном приближении на основе модели бесконечно тонкой детонации, позволили рассчитать оптимальные параметры детонационной камеры сгорания, в которой пульсации обеспечены периодическим изменением состава смеси. В работе отмечено, что максимум удельного импульса и тяги достигается при использовании детонационных режимов, близких к стационарным.
Заявляемое изобретение позволяет в непрерывном самоподдерживающемся стационарном режиме преобразовать тепловую энергию химических реакций в дополнительную кинетическую энергию сверхзвукового газового потока. Водородовоздушная смесь, поступающая в осесимметричное конвергентно-дивергентное сопло со скоростью, большей скорости детонации Чепмена-Жуге в стехиометрической водородовоздушной смеси, направляется в сужающейся части к оси симметрии канала. В ограниченной области EF (фиг.1), локализованной у оси симметрии в окрестности минимального сечения, повышаются давление и температура газа. Складываются условия, которые приводят к самовоспламенению или способствуют вынужденному воспламенению смеси и, как следствие, формированию, вообще говоря, криволинейного фронта самоподдерживающегося детонационного горения CD в дивергентной части канала (фиг.2). Положение и форма детонационного фронта обеспечивают выполнение условий Чепмена-Жуге в каждой точке его поверхности, то есть стационарность детонационного горения, постоянство и непрерывность тепловыделения. Положение и форма этого самоподдерживающегося детонационного фронта, в свою очередь, определяются параметрами набегающего потока, компонентным составом газа и геометрией соплового канала.
0
1
0
2
0
e
0
0
c
0
d
0
c
0
1
0
c
0
0
d
0
2
0
0
d
Принципиальная возможность реализации заявляемого изобретения может быть проиллюстрирована на примере использования конвергентно-дивергентного осесимметричного соплового канала с центральной цилиндрической частью (фиг.1). На рисунке длины отнесены к радиусу центрального цилиндра r=0.1 м. Радиус входного сечения R=1.6r, радиус сопла на выходе R=5r, входной и центральный цилиндры имеют одинаковую длину L=L, равную r, длины сужающейся и расширяющейся частей канала равны L=5r и L=13r соответственно. Профиль конвергентной части задается участком синусоиды, монотонно убывающим при изменении x от -L до 0: y=r-(R-r)sin(0.5πx/L), контур дивергентной части задается синусоидой, монотонно возрастающей на отрезке от L до L+L: y=r+(R-r)sin(0.5π(x-L)/L). Геометрия канала и параметры набегающего потока удовлетворяют изложенным выше условиям. В [5] численно показано, что вынужденное воспламенение позволяет реализовать стационарное самоподдерживающееся детонационное горение водородовоздушных смесей и получить высокоэнтальпийный сверхзвуковой поток на выходе из соплового канала.
В [6] доказана устойчивость полученных стационарных самоподдерживающихся режимов детонационного горения к периодическим возмущениям концентрации водорода в поступающей смеси в широком диапазоне изменения параметров течения. Срыв стационарного детонационного горения происходит из-за длительного отсутствия достаточного количества водорода в зоне воспламенения в случае низкочастотных длинноволновых возмущений с высокой амплитудой. К потере устойчивости приводит также выход детонации в конвергентную часть сопла, обусловленный неоптимальным выбором состава смеси. Все это говорит не столько о неустойчивости рассматриваемых стационарных режимов детонационного горения, сколько о трудностях реализации пульсирующих режимов в рассматриваемом сопловом канале.
Инициирование детонационного горения предварительно нагретой водородовоздушной смеси в сверхзвуковом потоке экспериментально реализовано в [7] путем импульсной фокусировки лазерного излучения.
c
0
Стационарное самоподдерживающееся детонационное горение водородовоздушных смесей при спонтанном воспламенении численно получено в сопловом канале с укороченным конвергентным участком L=-3r (фиг.4).
Численное моделирование и эксперименты подтверждает возможность реализации заявляемого изобретения. Заявляемый способ позволяет в непрерывном самоподдерживающемся режиме преобразовывать тепловую энергию химических реакций в дополнительную кинетическую энергию газового потока, избегая контрпродуктивного термического разложения топлива путем детонационного сжигания водородовоздушной смеси, направляемой с высокой сверхзвуковой скоростью в осесимметричное конвергентно-дивергентное сопло. Предлагаемый способ допускает оптимизацию формы соплового канала для уменьшения энергии инициирования детонации и получения высокоэнтальпийного сверхзвукового потока с заданными параметрами.
Источник информации
1. Крайко А.Н. Теоретическое и экспериментальное обоснование концепции пульсирующего двигателя с детонационной волной, движущейся против сверхзвукового потока // Импульсные детонационные двигатели / Под ред. С.М.Фролова. М.: Торус Пресс, 2006. С.569-590.
2. Нетлетон М. Детонация в газах. М.: Мир. 1989. - 280 с.
3. Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А. и др. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание. Т.1. Кн.2. М.: Наука, 1978. 327 с.
4. Черный Г.Г. Газовая динамика. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1988. - 424 с.
5. Туник Ю.В. Численное моделирование детонационного горения водородовоздушных смесей в сопле Лаваля // Изв. РАН. МЖГ. 2010. №2. С.107-114.
6. Туник Ю.В. Устойчивость детонационного горения к изменению концентрации водорода на входе в сверхзвуковое сопло // Изв. РАН. МЖГ. 2011. №1. С.128-135 (в печати).
th
7. V.A.Pavlov, O.P.Shatalov, Yu.V.Tunik. Laser-based ignition of supersonic hydrogenous flows in a shock tube. Technical Program and Abstracts. 7 International Colloquim on Pulsed and Continuous Detonations. St. Petersburg, 2010, p 10.