СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ДЕТОНАЦИИ БЕЗ ДЕФЛАГРАЦИИ
METHOD FOR FORMING CONTINUOUS DETONATION WITHOUT DEFLAGRATION IN A COMBUSTION CHAMBER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к двигателестроению и силовым установкам, а именно к детонационным энергоустановкам. Оно может применяться при создании наземных и судовых энергоустановок и двигателей летательных аппаратов различных типов и назначений.
Уровень техники
Важной частью энергоустановки на основе сжигания топлива является камера сгорания. Известны два основных режима горения горючей смеси: дефлаграция, при которой волна медленного горения распространяется за счет молекулярных и турбулентных процессов диффузии и теплопроводности при почти постоянном давлении, и детонация, при которой горючую смесь нагревает сильная ударная волна, которая инициирует химические реакции горения и поддерживается их энергией. Камеры сгорания с дефлаграционным горением в настоящее время наиболее распространены. Однако детонационное горение теоретически является значительно более термодинамически выгодным способом преобразования химической энергии топлива в полезную работу (см., например, [Булат П.В., Ильина Е.Е. О проблеме создания детонационного двигателя - термодинамический цикл // Фундаментальные исследования. 2013. №10-10. C. 2143-2146. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/o-probleme-sozdaniya-detonatsionnogo-dvigatelya-termodinamicheskiy-tsikl]). Это означает, что для повышения кпд на десятки процентов целесообразно разрабатывать энергоустановки, в камерах сгорания которых реализуется именно детонационный механизм горения.
Известны импульсные (или пульсирующие) детонационные двигатели, в которых формируют, по крайней мере, одну детонационную камеру сгорания, имеющую форму канала Г (см., например, обзор [Kailasanath, K., "Review of Propulsion Applications of Detonation Waves, " AIAA Journal, Vol. 39, No. 9, pp. 1698-1708, 2000.]). Пример камеры сгорания импульсного детонационного двигателя изображен упрощенно на фиг. 1 (здесь 1 - камера сгорания, 2, 3 - входной и выходной торцы объема камеры сгорания, 4 - место инициирования горения, 5 - клапан напуска воздуха в открытом состоянии, 6 - клапан напуска компонент горючей смеси в открытом состоянии). Объем Г гидродинамически соединяют с источниками компонент горючей смеси через, по крайней мере, один механический клапан напуска компонент горючей смеси, который открывают, формируют в Г горючую смесь и закрывают; инициируют горение у входного торца; организуют детонацию, фронт которой перемещается вдоль Г (показан стрелкой); эвакуируют продукты сгорания через выходной торец; обеспечивают отсутствие дефлаграции инжектируемой горючей смеси на следующем цикле тем, что перед формированием горючей смеси снижают температуру среды в объеме Г до температуры ниже температуры возгорания горючей смеси Т*, инжектируя в него воздух с температурой ниже Т*.
Форма оси канала Г не обязательно прямая, возможны изгибы и даже формы типа спирали [F.K. Lu, P.K. Panicker, D.R. Wilson, J.M. Li. System and method for power production using a hybrid helical detonation device. US 2009/0322102, 2009], что позволяет управлять габаритами, формой камеры сгорания и направлением вектора тяги.
В составе импульсных детонационных двигателей часто присутствует несколько идентичных детонационных камер сгорания, чтобы набрать достаточный общий рабочий объем, обеспечивающий необходимую тягу.
Способ организации детонационного горения в таком двигателе основан на хорошо изученном экспериментально и теоретически термодинамическом цикле, который имеет значительно больший, и теоретический, и практический кпд, чем циклы, основанные на медленном, дефлаграционном горении. Однако сначала в каждом цикле в таких двигателях инициируется именно дефлаграционное горение; обычно для этого применяются импульсные электрические искровые разряды, инициирующие горение в каждом канале в начале каждого рабочего цикла. Отметим, что в [Zhiliang Wang; Haili Xu. Multi-tube detonation lateral wave ignition device. CN 101858278, 2012] описано устройство, в котором детонационные камеры сгорания объединены кольцевым каналом, по которому дефлаграционное горение последовательно инициируется в соседней камере сгорания, что позволяет инициировать горение только при включении двигателя.
Детонация в каналах камер сгорания импульсных детонационных двигателей, как правило, получается при ускорении волны дефлаграции, т.е. значительная часть горючей смеси сгорает в менее эффективном дефлаграционном режиме. Т.о., детонационный термодинамический цикл реализуется только для части элементов массы горючей смеси. Это не позволяет полностью использовать возможности детонационного горения и является недостатком таких двигателей.
Существенно ускорить переход дефлаграции в детонацию, уменьшить (вплоть до нуля) объем горючей смеси, сгорающей в дефлаграционном режиме, и тем самым повысить кпд двигателя можно, создавая в горючей смеси сильную ударную волну. Для этого можно применить мощные микросекундные электрические плазмодинамические разряды, в которых возникают большие электромагнитные силы, ускоряющие среду в определенном направлении и формирующие мощную ударную волну [Чувашев С.Н., Тимофеев Б.И. Плазмодинамические разряды и перспективы их применения для импульсно-периодического инициирования горения и детонации и создания проводящих слоев в сверхзвуковых потоках // Труды Симпозиума "Термохимические процессы в плазменной аэродинамике". - С-Пб, "Ленинец", 2000. С. 73-79]. При этом тратится энергия, соответствующая всего 0.1 г горючего. Но для обеспечения достаточной средней мощности двигателя необходимо инициировать детонацию очень часто (порядка сотни циклов в секунду), что соответствует высокой электрической мощности, которую обычно непросто обеспечить. Это не позволяет применять такой метод обеспечения детонации, что также является недостатком таких двигателей.
Применяемые реально способы уменьшить объем горючей смеси, сгорающей в дефлаграционном режиме, связаны с формированием препятствий движению смеси [Мигалин К.В., Сиденко А.И., Мигалин К.К., Амброжевич А.В., Ларьков С.Н. Пульсирующий воздушно-реактивный детонационный двигатель. Патент РФ RU 2443893, 2010], [F.K. Lu, J.M. Meyers, and D.R. Wilson. Experimental study of a pulse detonation rocket with Shchelkin spiral // AIAA Paper 2003-6974, 2003. 6 pp.], [Lee, S-Y, Watts, J., Saretto, S., Pal, S., Conrad, C., Woodward R. and Santoro R. "Deflagration to detonation transition processes by turbulence-generating obstacles in pulse detonation engines," Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, No. 6, pp. 1026-1036, 2004.]. Это, однако, повышает энтропию и снижает механическую энергию потока. Кроме того, формирование детонационной волны связано со случайными процессами крупномасштабной турбулентности, что затрудняет синхронизацию рабочих процессов.
В результате при указанных выше способах организации детонационного горения его преимущества используются не полностью.
Известен способ организации детонационного горения в ротационных детонационных двигателях (см., например, обзор [F.K. Lu, E.M. Braun, L. Massa, D.R. Wilson. Rotating detonation wave propulsion: experimental challenges, modeling, and engine concepts//47-th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint propulsion conference & excibit. San Diego, 2011. (AIAA 2001-6043)]), в которых камера сгорания имеет неодносвязный объем Ω в форме кольцевого канала между цилиндрическими стенками. Пример камеры сгорания импульсного детонационного двигателя изображен упрощенно на фиг. 2 (здесь ω - средняя окружность поперечного сечения, O - ее центр, 1 - камера сгорания, 2, 3 - входной и выходной торцы объема камеры сгорания, 4 - место инициирования горения, 7 - непрерывная подача горючей смеси). Форма объема Ω такова, что средняя окружность поперечного сечения - замкнутая кривая ω, проходящая через точки, наиболее удаленные от противоположных стенок камеры сгорания двигателя, имеет длину ω, по крайней мере, в 10 раз больше, чем расстояние между ω и стенкой камеры сгорания двигателя в направлении r от центра тяжести замкнутого контура ω, т.е. от центра окружности ω. В камере сгорания двигателя формируют горючую смесь путем непрерывной подачи горючей смеси через один из торцов объема Ω, который гидродинамически соединяют с источниками компонент горючей смеси. В такой камере сгорания формируют, по крайней мере, одну спиновую детонационную волну, фронт которой перемещается непрерывно по замкнутому контуру ω и практически нормален к нему. Со стороны другого торца объема Ω организуют выход продуктов сгорания из камеры сгорания двигателя.
Преимущество ротационных детонационных двигателей в том, что детонация непрерывна, т.е. ее инициирование происходит не при каждом цикле, а только при запуске двигателя. Соответствующие потери на дефлаграцию при инициировании детонации пренебрежимо малы, могут быть применены указанные разряды, обеспечивающие снижение этих потерь до нуля.
Данный способ наиболее близок к вновь предложенному, он выбран за прототип.
Способ организации детонационного горения в ротационных детонационных двигателях имеет следующие недостатки.
На большой площади границы продуктов сгорания и горючей смеси происходит дефлаграционное горение. В результате большая часть смеси сгорает в менее эффективном дефлаграционном режиме.
Форма камеры сгорания двигателя - кольцевой зазор между цилиндрами - такова, что занимает много места и накладывает жесткие ограничения на конструкцию аппарата в целом.
Скорость детонационной волны достаточно высока (например, для горючей смеси углеводородного топлива и воздуха - около 1.8 км/с), и при реальных диаметрах двигателя время цикла (равное времени прохода детонационной волны по окружности ω камеры сгорания) слишком мало для того, чтобы можно было применить механические клапаны. Поэтому объем камеры сгорания все время гидродинамически соединен с источниками компонент горючей смеси, и необходимое для устойчивой работы двигателя давление компонент подаваемой горючей смеси оказывается весьма высоким (порядка давления за детонационной волной). Это требует затрат энергии на компрессию компонент горючей смеси, кратных мощности всего двигателя.
Продукты сгорания ускоряются в детонационной волне в азимутальном направлении, в результате поток продуктов сгорания выходит из камеры сгорания со значительной закруткой. Число детонационных волн может самопроизвольно меняться, что меняет и угол закрутки. Это затрудняет использование кинетической энергии потока.
В результате указанных недостатков энергетическая эффективность ротационных детонационных двигателей оказывается не только ниже теоретического кпд детонационного двигателя, но и ниже, чем у реально существующих двигателей традиционных схем на основе дефлаграции [Булат П.В., Денисенко П.В., Волков К.Н. Тенденции разработки детонационных двигателей для высокоскоростных воздушно-космических летательных аппаратов и проблема тройных конфигураций ударных волн. Часть I - исследования детонационных двигателей // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. №1. С. 1-21. URL: http://cyberleninka.ru/article/n/tendentsii-razrabotki-detonatsionnyh-dvigateley-dlya-vysokoskorostnyh-vozdushno-kosmicheskih-letatelnyh-apparatov-i-problema-troynyh#ixzz4GneiIE1O].
Целью данного изобретения является повышение эффективности детонационных энергоустановок с непрерывной детонацией путем снижения практически до нуля объема горючей смеси, сгорающей в дефлаграционном режиме, снижения потерь на компрессию инжектируемой горючей смеси, оптимизации формы камеры сгорания, управления направлением выхода продуктов сгорания.
Сущность представленного изобретения заключается в способе формирования непрерывной детонации в камере сгорания двигателя, при котором, как и в прототипе, формируют камеру сгорания двигателя, содержащую неодносвязный объем Ω, в котором имеется замкнутая кривая ω, проходящая через точки, наиболее удаленные от противоположных стенок камеры сгорания двигателя, причем длина ω, по крайней мере, в 10 раз больше, чем расстояние между ω и стенкой камеры сгорания двигателя в направлении r от центра тяжести замкнутого контура ω, гидродинамически соединяют камеру сгорания двигателя с источниками компонент горючей смеси, формируют в камере сгорания двигателя горючую смесь, организуют в объеме Ω детонационную волну, фронт которой перемещается непрерывно по замкнутому контуру ω, и организуют эвакуацию продуктов из камеры сгорания двигателя.
Однако в отличие от прототипа, объем Ω ограничивают еще с двух сторон, т.е. формируют в виде замкнутого канала, стенки которого находятся от ω на расстояниях Δh, которые, по крайней мере, в 5 раз меньше длины ω (чтобы можно было удлинить кривую ω и при этом вписать ее в ограниченные объемы аппарата),
Большее время прохода детонационной волны по Ω позволяет формировать механические клапаны, гидродинамически связанные с объемом камеры сгорания двигателя и источниками компонент горючей смеси, каждый из механических клапанов закрывают при приближении к его окрестности детонационной волны и открывают после эвакуации из его окрестности продуктов сгорания (что позволяет изолировать пик давления в детонационной волне от источников компонент горючей смеси, тем самым снижая энергозатраты на компрессию компонент горючей смеси).
Используя возможность применения клапанов и возможность организации практически независимых газодинамических процессов в различных частях удлиненного объема Ω, обеспечивают отсутствие дефлаграции формируемой горючей смеси во всем объеме камеры сгорания тем, что в каждом элементе Δ объема камеры сгорания, в котором формируют горючую смесь, перед ее формированием в Δ снижают температуру среды в Δ до температуры ниже температуры возгорания горючей смеси Т*, в частности, инжектируя в Δ одну из компонент горючей смеси с температурой ниже Т*, например, холодного воздуха.
Эвакуацию продуктов сгорания из объема замкнутого канала Ω производят через отверстия в его стенках, что позволяет обеспечить заданное направление выхода продуктов сгорания и устраняет соответствующие потери.
Если выход из камеры сгорания расположен сразу за отверстиями в стенке канала Ω, то для обеспечения рабочих процессов надо формировать клапаны, каждый из которых перекрывает выход на всех фазах цикла, кроме эвакуации продуктов сгорания из окрестности данного клапана. Вместо этого предпочтительно сформировать в составе объема камеры сгорания, по крайней мере, два канала Г, каждый из которых гидродинамически соединен с замкнутым каналом Ω и гидродинамически соединен с выходом из камеры сгорания; тогда клапаны на выходе не понадобятся. В этих каналах Г можно тоже формировать горючую смесь, тогда часть фронта детонационной волны, перемещающегося вдоль замкнутого канала Ω, в каждом месте газодинамического соединения замкнутого канала Ω с каналом Г можно направлять в канал Г.
Для начала работы детонационной камеры сгорания по данному изобретению необходимо инициировать начальную детонационную волну и направить ее в объем замкнутого канала Ω. Она должна быть синхронизована с положением клапанов, что наиболее удобно сделать с помощью вышеописанного плазмодинамического разряда в горючей смеси.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
Сущность данного изобретения поясняется чертежами фиг. 3…5.
На фиг. 3, 4 представлены эскизы, поясняющие сущность изобретения на примерах, подтверждающих возможность осуществления данного изобретения и не ограничивающих собой изобретение.
На фиг. 3 показан эскиз одного из возможных вариантов детонационной камеры сгорания по предложенному способу, у которой выход продуктов сгорания производят через отверстия в стенках объема Ω.
На фиг. 4 показан эскиз другого возможного варианта детонационной камеры сгорания по предложенному способу, у которой выход продуктов сгорания производят через каналы Г, газодинамически связанные с объемом Ω.
На фиг. 5 показаны результаты математического моделирования прохода детонационной волны с ее разделением и выходом в каналы Ω и Г.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Возможность осуществления описанного способа следует из фиг. 3-5.
На фиг. 3, 4 О - центр тяжести замкнутого контура ω, 1 - камера сгорания, 5, 5'- клапан напуска воздуха в открытом и закрытом состоянии, 6, 6' - клапан напуска компонент горючей смеси в открытом и закрытом состояниях, 7 - непрерывная подача горючей смеси, 8, 8' - клапан эвакуации продуктов сгорания в открытом и закрытом состоянии, 9 - устройство формирования плазмодинамического разряда, А' - увеличенное изображение места А гидродинамического соединения канала Г с замкнутым каналом Ω, черные стрелки указывают направление движения детонационной волны.
D
D
На фиг. 3 показан эскиз одного из возможных вариантов детонационного двигателя по предложенному способу, у которого выход продуктов сгорания производят через отверстия в стенках объема Ω. Длина центральной кривой ω узкого канала Ω при ограниченных размерах аппарата может быть сделана достаточно большой, в т.ч. за счет искривления канала, например, в форме спирали, синусоиды и пр. Т.о., время цикла t=ω/v может также быть достаточно большим, чтобы можно было применять механические клапаны для инжекции компонент горючей смеси. Например, рассмотрим клапан в виде полосы с отверстиями, которые при возвратно-поступательном движении открывают и закрывают впускные отверстия объема камеры сгорания. Для v≈1800 м/с (что характерно для горючих смесей углеводородов с воздухом) при L=10 м время цикла больше 5 мс, что для массы полосы 0.1 кг и перемещении в течение цикла 2 мм соответствует усилиям менее 160 Н; если же время цикла равно 1 мс, усилия растут почти до 4000 Н. В данном примере в стенках канала Ω сформированы клапаны напуска воздуха, каждый из которых открывают на фазе снижения температуры в окрестности данного клапана напуска воздуха, и закрывают на остальных фазах цикла, и сформированы клапаны инжекции горючего, каждый из которых открывают на фазе формирования горючей смеси в окрестности данного клапана инжекции горючего, и закрывают на остальных фазах цикла. На фазах цикла с повышенным давлением указанные клапаны закрыты, и для работы двигателя энергоемкая существенная компрессия компонентов горючей смеси не требуется.
В стенках объема Ω в данном примере имеются выходные клапаны, каждый из которых перекрывает выход на всех фазах цикла, кроме фазы эвакуации продуктов сгорания из окрестности данного клапана (на фиг. 3 показаны условно). После прохода детонационной волны в окрестности данного выходного клапана там поднимается давление, выходной клапан открывают, продукты сгорания эвакуируют, совершая полезную работу. Когда давление в окрестности данного клапана выходного спадает, его закрывают, температуру остаточных продуктов сгорания снижают до уровня менее T*, например, напуская относительно холодный воздух, и формируют в ΔΩ горючую смесь, инжектируя горючее.
Следует отметить, что давление в удаленных друг от друга частях объема камеры сгорания может существенно отличаться  из-за достаточно большой длины ω и малой скорости горючей смеси относительно скорости перемещения по ω точек данной фазы цикла (равной скорости движения детонационной волны). Поэтому в канале Ω рабочие процессы напуска компонент горючей смеси, охлаждения газов до температуры ниже Т*, эвакуации продуктов сгорания могут осуществляться аналогично таковым для импульсных детонационных двигателей, т.е. могут использоваться известные и отработанные технические решения.
Нагрев стенок объема Ω ограничен тем, что, во-первых, они контактируют с горячими продуктами сгорания с внутренней стороны только в течение времени их эвакуации до охлаждения ниже температуры Т*; во-вторых, тем, что с внешней стороны они контактируют с холодными компонентами горючей смеси.
Форма контура ω может быть различной, что позволяет встраивать объем Ω в конструкцию аппарата. Например, объем Ω может находиться в крыльях, а выход продуктов сгорания может осуществляться у задних кромок крыльев. Можно также встраивать Ω в стенки аппарата, используя спиралевидные формы контура ω, можно делать компактные камеры сгорания с параллельными частями ω, и др.
На фиг. 4 показан эскиз другого возможного варианта детонационного двигателя по предложенному способу, у которого выход продуктов сгорания происходит через каналы Г, газодинамически связанные с объемом Ω. По крайней мере, часть каждого из каналов Г заполняется горючей смесью в процессе формировании горючей смеси в части объема Ω, прилежащей к данному каналу Г, и детонационная волна в месте соединения объемов Г и Ω делится на две детонационные волны, одна из которых продолжает движение по замкнутому каналу Ω, а другая движется по каналу Г на выход из камеры сгорания. Клапаны на выходе отсутствуют, как и во многих известных конструкциях импульсных детонационных двигателей.
Возможность осуществления описанного способа продемонстрирована также с помощью математического моделирования. Моделировались рабочие процессы напуска горючей смеси, прохода детонационной волны, эвакуации продуктов сгорания и др. Вычисления производились с помощью пакета ANSYS для горючей смеси воздуха с углеводородным топливом. Некоторые результаты показаны на фиг. 5. Представлены распределения давления, Па (а, b) и температуры, К (с, d) в моменты времени до разделения детонационной волны (а, с) и через 72 мкс (b, d); линейный масштаб в см. Видно, что происходит разделение фронта детонационной волны без перехода в дефлаграцию - одна из новых черт рабочих процессов.
Из расчетов следует, что процессы в объемах каналов в остальном идентичны процессам в импульсных детонационных двигателях (кроме перехода дефлаграции в детонацию), т.е. эти процессы хорошо изучены экспериментально и теоретически и известны как эффективные рабочие процессы организации детонационного горения и использования кинетической энергии продуктов сгорания.
Технический результат данного изобретения заключается в способе формирования непрерывной детонации в двигателе, обеспечивающем преимущества по сравнению с прототипом в том, что он
- исключает горение в менее эффективном режиме дефлаграции,
- позволяет реализовать хорошо изученные экспериментально и теоретически эффективные рабочие процессы детонации и использования кинетической энергии продуктов сгорания в каналах, характерные для импульсных детонационных двигателей,
- позволяет придать камере сгорания двигателя форму, оптимальную с точки зрения конструкции в целом,
- позволяет использовать относительно инерционные клапаны и тем самым снизить необходимость энергоемкой компрессии компонентов горючей смеси перед двигателем,
- и в результате обеспечивает более полное использование преимуществ детонационного горения.