Бесклапанная детонационная трубка импульсного детонационного двигателя Российский патент 2021 года по МПК F02K7/04 F23R7/00 

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.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в авиации в импульсных детонационных двигателях для получения тяги и обеспечения движения транспортных систем гражданского назначения (доставка грузов в труднодоступные районы, помощь в чрезвычайных ситуациях и пр.). Предлагается в бесклапанной детонационной трубке импульсного детонационного двигателя делать перепускной отсек, содержащий не менее двух поясов перепуска, каждый из которых содержит перфорированные стенки и кожухи, инжекторы топлива располагать в поперечном сечении детонационной трубки между 1-м и 2-м, считая от входного отсека, поясами перепуска, а также дополнительно использовать устройство автоматического управления инжекцией топлива с прекращением инжекции топлива при приближении волны детонации и возобновлением инжекции топлива при падении местной температуры потока ниже температуры самовоспламенения. 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. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Бесклапанная детонационная трубка импульсного детонационного двигателя, содержащая входной отсек, перепускной отсек с перфорированными стенками и кожухами для разворота высоконапорных газов, инжекторы топлива и инициатор детонации, отличающаяся тем, что 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 в окрестности инжекторов ниже температуры самовоспламенения.

2. Бесклапанная детонационная трубка импульсного детонационного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что отверстия перфорации наклонены так, что угол между направлением вдоль средней линии отверстий перфорации от канала бесклапанной детонационной трубки к кожуху данного пояса перепуска и направлением от входного отсека к выходу из бесклапанной детонационной трубки равен 90-150°.

3. Бесклапанная детонационная трубка импульсного детонационного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что суммарная площадь отверстий перфорации в стенках пояса перепуска составляет 25-40% от площади стенок пояса перепуска.

4. Бесклапанная детонационная трубка импульсного детонационного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что длина бесклапанной детонационной трубки составляет 14-16 диаметров канала бесклапанной детонационной трубки.

5. Бесклапанная детонационная трубка импульсного детонационного двигателя по п. 1, отличающаяся тем, что первый пояс перепуска по длине составляет 30-50% от длины каждого из остальных поясов перепуска.