МАЯТНИКОВО-ШИБЕРНОЕ УСТРОЙСТВО РЕАКТИВНОГО ДЕТОНАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ

Заявленное техническое решение относится к областям энергетики, машиностроения и двигателестроения и конкретно к устройствам и установкам, в которых рабочее тело используется для создания сверхзвуковой реактивной высокотемпературной плазменной струи в процессе детонационного горения смеси топлива с воздухом для универсального и высокоэффективного использования в различных конструкциях устройств реактивного детонационного горения, например: роторных детонационных двигателей, крутящий момент на валу которых формируется реактивной тягой, расположенных по краям ротора маятниково-шиберных устройств реактивного детонационного горения, прямоточных реактивных двигателей разных диапазонов скоростей, детонационных воздушно-реактивных двигательных гибридных установок, а также в конструкциях устройств детонационного высокоэффективного сжигания топлива в энергетических системах высокой экологии различного назначения и в разных областях применения.
Из уровня техники известны схемы детонационного горения - условно называемые «клапанная» и «бесклапанная» для пульсирующих двигателей и так называемая «спиновая» схема для ротационных детонационных двигателей отличающуюся от пульсирующих тем, что детонационное горение топливной смеси в них происходит непрерывно - фронт горения перемещается в кольцевой камере сгорания, в которой топливная смесь постоянно обновляется в «двигателях непрерывной детонации».
Основное отличие этих схем детонационного горения заключается в способе управления процессами наполнения камеры сгорания топливовоздушной смесью и освобождения от продуктов сгорания. В клапанных многокамерных схемах эти процессы управляются с помощью вращающихся клапанов или клапанов иных типов. Недостатки клапанных пульсирующих детонационных двигателей: обязательное использование дорогих материалов несгораемых стенок и клапанов, малая частота повторения циклов, связанная с трудностью обеспечения заданного ресурса работы, при котором клапаны в таком двигателе должны работать с высокой частотой (порядка 100 Гц), сложность конструкции синхронизации работы клапанов, которые отвечают за подачу топливной смеси, а также непосредственно самими циклами детонационного горения.
В известных бесклапанных схемах детонационного горения эти процессы связаны только с динамикой изменения давления в камере сгорания, Недостатки: сложность систем регулирования, поддержания или изменения детонационного горения и режимов их работы при сохранении прежней экономичности работы устройства, отсутствие «тяговой стенки», когда ударная детонационная волна, достигая тяговой стенки, рикошетирует от нее и значительно ускоряет большую часть продуктов детонации в сторону сопла для эффективного использования отраженной ударной детонационной волны и отсутствие универсальности применения в различных вариантах конструкций реактивных устройств, например: роторных детонационных двигателей, прямоточных реактивных двигателей разных диапазонов скоростей, детонационных воздушно-реактивных двигательных гибридных установок, а также в конструкциях устройств детонационного высокоэффективного сжигания топлива в энергетических системах различного назначения и в разных областях применения.
В 2012 году Научно-исследовательская лаборатория ВМС США объявила о намерении разработать спиновый детонационный двигатель, который должен будет заменить на кораблях обычные газотурбинные силовые установки, однако в настоящее время спиновый детонационный двигатель серийно не выпускается.
Предлагаемое техническое решение «маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения» можно также условно отнести к следующему принципиальному варианту схемы детонационного горения - «маятниково-шиберной» схеме детонационного горения, в которой фронт детонационного горения топливовоздушной смеси инициируется и перемещается в не-охлаждаемой керамической камере сгорания с высокой частотой более 100 Гц из одной области в другую под действием качающегося маятникового керамического шибера при постоянном обновлении топливовоздушной смеси.
Наиболее близким по технической сущности в области способа создания ударных детонационных волн к заявленному техническому решению и поэтому принятым за прототип, является патент на изобретение RU 2080466 «Комбинированная камера пульсирующего двигателя детонационного горения (ПДДГ)» авторы Поршнев В.А., Федорец О.Н., Сорокин В.Н.
Прототип содержит камеру ПДДГ, также содержащую устройство для создания ударных волн, выполненное в виде струйного ускорителя и соосно с ним расположенного твердого обтекаемого тела, закрепленного в насадке и имеющего осевую и угловую степень свободы, задняя профилированная часть которого образует с насадком сопло внешнего расширения, а кольцевой канал подключен к узлу продуктов газогенерации и сфокусирован на передней профилированной части твердого обтекаемого тела. Недостатки устройства прототипа: трудность регулирования или изменения режима их работы при сохранении экономичности в условиях сверхвысокой температуры работы твердого обтекаемого тела, закрепленного в насадке и имеющего осевую и угловую степени свободы, общая низкая эффективность из-за отсутствия запираемого (неизменного объема) на время начала «детонационного взрыва» паров рабочей смеси и отсутствие универсальности применения в различных вариантах конструкций реактивных устройств детонационного горения, например: роторных детонационных двигателей, прямоточных реактивных двигателей разных диапазонов скоростей, детонационных воздушно-реактивных двигательных гибридных установок, а также в конструкциях устройств детонационного высокоэффективного сжигания топлива в энергетических системах различного назначения и в разных областях применения.
Таким образом, остается актуальной задача создания устройства детонационного горения, способного весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную топливовоздушную смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха в неохлаждаемой керамической камере сгорания, доведенной до «белого каления» с температурой стенки в 1300-1500°C, где в условиях запираемого (неизменного объема) на время начала «детонационного взрыва» паров топливовоздушной смеси, гарантированно и полноценно будет сгорать очень бедная топливовоздушная смесь при средней степени ее предварительного (до начала рабочего цикла) сжатия, с общей возможностью универсального и высокоэффективного использования устройства детонационного горения для разных конструкций устройств и установок детонационного горения различного назначения.
10 з.п. ф-лы, 1 ил.
Задачей достижения технического результата, на который направлено заявленное техническое решение, является создание устройства детонационного горения, способного весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную топливовоздушную смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха в неохлаждаемой керамической камере сгорания, доведенной до «белого каления» с температурой стенки в 1300-1500°C, где в условиях запираемого (неизменного объема) на время «детонационного взрыва» паров топливовоздушной смеси, гарантированно и полноценно будет сгорать очень бедная топливовоздушная смесь при средней степени ее предварительного (до начала рабочего цикла) сжатия и при этом способного универсально работать в разных вариантах конструкций устройств детонационного горения, например: роторных детонационных двигателей, прямоточных реактивных двигателей разных диапазонов скоростей, детонационных воздушно-реактивных двигательных гибридных установках, а также в конструкциях устройств детонационного высокоэффективного сжигания топлива в энергетических системах различного назначения и в разных областях применения.
Для решения поставленной задачи (достижения технического результата) предлагается маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, характеризующееся тем, что включает в себя систему подачи воздуха, использующую, как минимум один источник предварительно сжатого воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении.
Другим отличием исполнения является то, что подвижный маятниковый керамический шибер работает с минимальным зазором без трения между торцевыми поверхностями керамической камеры сгорания без уплотнений.
Следующим отличием исполнения является то, что подвижный маятниковый керамический шибер работает с зазором между торцевыми поверхностями керамической камеры сгорания при наличии уплотнений.
Следующим отличием исполнения является то, что форма продольного сечения системы детонационного горения выполнена профилированной, а маятниковый керамический шибер выполнен несимметричным относительно своей оси поворотов.
Следующим отличием исполнения является то, что форма продольного сечения системы детонационного горения выполнена непрофилированной, а маятниковый керамический шибер выполнен симметричным относительно своей оси поворотов.
Следующим отличием исполнения является то, что устройства запуска процесса детонационного горения в керамической камере сгорания содержат дополнительную топливную систему с отдельным баком дополнительного легковоспламеняющегося топлива.
Следующим отличием исполнения является то, что система подачи воздуха содержит дозвуковой воздухозаборник и общий декомпрессор, состоящий из шибера на входе дозвукового воздухозаборника и шибера на выходе системы детонационного горения.
Следующим отличием исполнения является то, что динамичное выходное сопло содержит водяные форсунки и систему подачи воды к водяным форсункам.
Следующим отличием исполнения является то, что система подачи воздуха содержит дозвуковой воздухозаборник и воздушный компрессор, с приводом от теплового или электрического двигателя, а также систему шиберов, позволяющих подавать воздух от воздушного компрессора и/или дозвукового воздухозаборника.
Следующим отличием исполнения является то, что выходное сопло содержит МГД генератор.
Следующим отличием исполнения является то, что выходное сопло содержит дополнительное устройство для крекинга органического топлива и дополнительное устройство подачи газовой фазы, переработанного крекингом органического топлива в основную систему подачи топлива.
Полезная модель иллюстрируется чертежами фиг.1 (а), (b), (с).
Сущность, предлагаемой полезной модели, наглядно поясняется чертежами фиг. 1 (а), (b), (с) на примере варианта маятниково-шиберного устройства реактивного детонационного горения, в котором подвижный маятниковый керамический шибер работает с минимальным зазором без трения между торцевыми поверхностями керамической камеры сгорания без уплотнений, форма продольного сечения системы детонационного горения выполнена профилированной, а маятниковый керамический шибер выполнен несимметричным относительно своей оси поворотов и на чертеже фиг.1 (а) полезная модель, которая может быть использована в конструкции дозвукового прямоточного реактивного двигателя, содержит дозвуковой воздухозаборник системы подачи воздуха 2, топливную систему с выходной форсункой 1, динамичную камеру газогенерации 4, разделенную профилем сужения 3 на секторы (А 1, А 2, В 1, В 2), керамическую камеру сгорания 7 с секторами (С 1, С 2, D 1, D 2) и с двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения 9 и 10, выходное сопло 11 и маятниковый керамический шибер 12, жестко закрепленный на своей оси 5, подключенной к стартерному устройству, например, в виде электродвигателя постоянного тока с ограничителями поворота ротора и фиксатором среднего нейтрального положения (на чертеже не показаны).
Работа маятниково-шиберного устройства реактивного детонационного горения по схемам фиг. 1 (а), (b), (с) осуществляется следующим образом.
Перед непосредственным началом работы маятниково-шиберного устройства реактивного детонационного горения система подачи воздуха формирует предварительно сжатый воздух на выходе воздухозаборника 2, а система подачи топлива с топливной форсункой 1 формирует топливовоздушную смесь при определенной степени ее предварительного сжатия (до начала рабочего цикла) на входе динамичной камеры газогенерации 4 секторы (А 1, В 1)„ где в области сужения профиля 3 при увеличении давления формируются продукты газогенерации в секторах (А 2, В 2), при фиксированном среднем положении подвижного маятникового керамического шибера 12, разделяющего симметрично систему детонационного горения в продольном сечении на две равные незапертые области 6 с секторами (А 2, С 1, С 2) и 8 с секторами (В 2, D 1, D 2) на схеме фиг. 1 (а) - нерабочий режим.
Непосредственный запуск работы, маятниково-шиберного устройства реактивного детонационного горения начинается при работе стартерного устройства, которое поворачивая в одну из сторон подвижный маятниковый керамический шибер 12 образует динамично запираемые противофазные области системы детонационного горения, и на примере схемы фиг. 1 (b) - рабочий режим, первую по ходу движения воздушно-топливной смеси динамично запертую область (А 1, В 1, А 2, С 1) системы детонационного горения, которая в начале хода движения воздушно-топливной смеси формирует предварительное ее сжатие в зоне сужения (А 1, В 1) динамичной камеры газогенерации 5 и дополнительное сжатие продуктов газогенерации при торможении потока в зоне сужения области (А 2, С 1) с максимальным увеличением температуры и давления продуктов газогенерации у соответствующего устройства запуска процесса детонационного горения 10 керамической камеры сгорания 7, которое инициирует детонационную волну, например в детонационной трубке электрическим разрядом необходимой для этого мощности с последующим общим «детонационным взрывом» паров рабочей топливовоздушной смеси в запертой области (А 2, С 1) (неизменного объема) на время начала «детонационного взрыва», что приводит под действием детонационной волны к быстрому повороту подвижного маятникового керамического шибера 12 в противоположную сторону с образованием уже двух других запертых областей системы детонационного горения: область (А 2, С 1, С 2, D 2, выходное сопло 11) после произведенного «детонационного взрыва», которая обеспечивает эффективную реактивную тягу сверхзвукового выхода продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси с использованием боковой поверхности маятникового керамического шибера 12 в качестве «тяговой стенки» на схеме фиг. 1 (с) - рабочий режим, а при этом с противоположной стороны боковой поверхности маятникового керамического шибера 12 образуется новая первая по ходу движения обновляемой топливовоздушной смеси запертая область (А 1, В 1, В 2, D 1) системы детонационного горения со своим устройством запуска процесса детонационного горения 9 и процесс «детонационного взрыва» повторяется аналогично вышеописанному процессу в запертой области (А 1, В 1, А 2, С1) системы детонационного горения на схеме фиг. 1 (b), а далее процесс детонационного горения переходит в автоколебательный режим с последующим отключением стартерного устройства и устройств запуска процесса детонационного горения 9 и 10 при достижении режима «белого каления» керамической камеры сгорания 7, доведенной до температуры стенки в 1300-1500°C с эффектом калильного зажигания для паров рабочей топливовоздушной смеси, что позволяет весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную рабочую топливовоздушной смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха.
Описанный вариант исполнения маятниково-шиберного устройства реактивного детонационного горения по схеме фиг. 1 может быть использован в конструкциях дозвуковых прямоточных детонационных реактивных двигателей для летательных аппаратов, а также для конструкций роторных детонационных двигателей, роторы которых получают крутящий момент за счет реактивной тяги маятниково-шиберных устройств реактивного детонационного горения, расположенных по краям ротора такого двигателя и эффективность таких двигателей будет достаточно высока при взрывном (детонационном) сгорании - скорость около 2000 м/сек, по сравнению с нормальным горением - фронт горения имеет скорость 20-40 м/сек.
Также для конструкций роторных детонационных двигателей, общая эффективность маятниково-шиберных устройств реактивного детонационного горения может быть значительно улучшена при варианте использовании водяных форсунок перед зоной сужения в области конфузора выходного сопла, когда давление рабочего тела на выходе сопла будет увеличено за счет дополнительной работы при расширении водяного пара, образованного при мгновенном испарении воды в зоне высокой температуры детонационной волны и это особенно актуально для конструкций прямого и высокоэффективного преобразования энергии топлива непосредственно в электрическую энергию, без использования промежуточных паровых или других малоэффективных систем топливной энергетики не детонационного горения топлива, и для этого может быть использована простая схема в виде мощного электрического генератора, расположенного на одном валу с многосекционным роторным детонационным двигателем, роторы каждой секции которого получают крутящий момент за счет реактивной тяги маятниково-шиберных устройств реактивного детонационного горения, расположенных по краям ротора такого двигателя. Также для этого варианта использования целесообразно использовать вариант исполнения, когда система подачи воздуха содержит дозвуковой воздухозаборник и общий декомпрессор, состоящий из шибера на входе дозвукового воздухозаборника и шибера на выходе системы детонационного горения - это позволит эффективно регулировать мощность и снизить потери многосекционного роторного детонационного двигателя.
Для вариантов исполнения маятниково-шиберного устройства реактивного детонационного горения, использующих в работе режимы разной степени предварительного сжатия основной рабочей смеси, в режиме малой степени предварительного сжатия основной рабочей смеси высокая эффективность системы запуска процесса детонационного горения может быть достигнута за счет использования комбинированных устройств запуска процесса детонационного горения в керамической камере сгорания, которые содержат дополнительную топливную систему с отдельным баком дополнительного легковоспламеняющегося топлива для возможности инициации и запуска общего процесса детонационного горения в режиме низкой степени предварительного сжатия основной топливовоздушной смеси.
Также возможен вариант использования полезной модели, при котором система подачи воздуха содержит дозвуковой воздухозаборник и воздушный компрессор, с приводом от теплового или электрического двигателя, а также систему шиберов, позволяющих подавать воздух от воздушного компрессора и/или дозвукового воздухозаборника и это позволит создавать высокоэкономичные и мощные детонационные воздушно-реактивные гибридные двигательные установки для летательных аппаратов, позволяющие производить взлет, полет, и посадку летательных аппаратов в очень широком диапазоне скоростей, от нулевой до максимальной.
Также интересные варианты использования полезной модели возможны в большой энергетике, в системах сжигания топлива в котлоагрегатах тепловых электростанций и в конструкциях устройств детонационного высокоэффективного сжигания топлива в энергетических системах различного назначения и в разных областях применения, например, с использованием в выходном сопле МГД генератора, а также дополнительных устройств для крекинга органического топлива с подачей газовой фазы, переработанного крекингом органического топлива в основную систему подачи топлива полезной модели, что поможет значительно увеличить эффективность, экономичность и экологию существующих тепловых электростанций с переводом их котлоагрегатов на детонационное горение. И это особенно актуально для видов топлива, наносящих ущерб экологии при прямом сжигании. При этом маятниково-шиберные устройства реактивного детонационного горения в схемах тепловых электростанций способны работать на любом топливе (угольная пыль, природный газ, мазут и т.п.), используемом для существующих тепловых электростанций с простым переходом на любой из указанных видов топлива непосредственно в процессе эксплуатации.
Таким образом, полезная модель охватывает несколько десятков возможных вариантов исполнения маятниково-шиберных устройств реактивного детонационного горения, которые могут быть универсально использованы в различных конструкциях: прямоточных реактивных двигателей разных диапазонов скоростей, детонационных воздушно-реактивных двигательных гибридных установок, роторных детонационных двигателей, крутящий момент на валу которых формируется реактивной тягой, расположенных по краям ротора маятниково-шиберных устройств реактивного детонационного горения, а также в конструкциях устройств детонационного высокоэффективного сжигания топлива в энергетических системах высокой экологии различного назначения и в разных областях применения.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является создание устройства детонационного горения, способного весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную топливовоздушную смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха в неохлаждаемой керамической камере сгорания, доведенной до «белого каления» с температурой стенки в 1300-1500°C, где в условиях запираемого (неизменного объема) на время «детонационного взрыва» паров топливовоздушной смеси, гарантированно и полноценно будет сгорать очень бедная топливовоздушная смесь при средней степени ее предварительного (до начала рабочего цикла) сжатия и при этом способного универсально работать в разных вариантах конструкций устройств детонационного горения, например: роторных детонационных двигателей, прямоточных реактивных двигателей разных диапазонов скоростей, детонационных воздушно-реактивных двигательных гибридных установках, а также в конструкциях устройств детонационного высокоэффективного сжигания топлива в энергетических системах различного назначения и в разных областях применения.
Список литературы
1. А.А. Васильев. Особенности применения детонации в двигательных установках, с. 129, 141-145.
2. Ф.А. Быковский и др. Инициирование детонации в потоках водородно-воздушных смесей, с. 521-539 / Импульсные Детонационные Двигатели. Под редакцией д.ф.м.н. С.М. Фролова. ТОРУС-ПРЕСС, М., 2006).
3. В.А. Левин и др. Инициирование газовой детонации электрическими разрядами / Импульсные Детонационные Двигатели. Под редакцией д.ф.м.н. С.М. Фролова. ТОРУС-ПРЕСС, 2006, М., с. 235-254.