Способ организации процесса сгорания в камере воздушно-реактивного двигателя Российский патент 2023 года по МПК F02K9/62 F02K9/64 

Изобретение относится к способам организации процессов сгорания в камерах воздушно-реактивных двигателей, в том числе, основанных на детонационном принципе сжигания топлива.

Вопрос о разработке двигателя, основанного на детонационном сжигании топлива, в настоящее время получил широкое распространение. Детонационный режим представляет существенные преимущества по сравнению с классическими схемами в части скорости энерговыделения, которая на три порядка превышает скорость энерговыделения в классических камерах сгорания. Поэтому детонационный режим может также оказаться эффективным при организации процессов сгорания в сверхзвуковом потоке. Вопрос о реализации детонационного устройства с рабочим циклом, основанном на сгорании топлива в постоянном объеме, возник еще относительно давно, однако, из-за проблем в реализации, а также из-за развития и совершенствования двигателей с дефлаграционным режимом сжигания топлива при постоянном давлении, данный вопрос до сих пор не был решен. При достижении эффективности классических двигательных установок близкой к своему теоретическому пределу возник вопрос о разработке устройств, основанных на термодинамически более эффективном детонационном способе сжигания топлива. Детонационные энергетические установки являются потенциальными рекордсменами по КПД среди всех тепловых систем. В настоящее время разделяют два основных типа детонационных двигателей: пульсирующий (или импульсный) детонационный двигатель и детонационный двигатель непрерывного принципа действия.

Цикл работы импульсного детонационного двигателя состоит из нескольких основных стадий, состоящих в воспламенении горючей смеси с образованием детонационной волны, вытеснении продуктов реакции и их замещение свежей горючей смесью, после чего цикл повторяется. Такой тип обладает рядом достоинств, такие как простота конструкции, простота охлаждения, простота масштабирования за счет изменения количества труб. При этом существует и ряд существенных недостатков такой конфигурации, к примеру, низкая частота циклов.

В патенте RU 2524591 С1 (11.12.2012) предложено дальнейшее развитие и совершенствование работы детонационно-пульсирующих тяговых модулей. Авторы предлагают использовать разреженное пространство, образующееся после отражения ударной волны от рабочей поверхности полусферического резонатора (известный эффект Гартмана-Шпренгера), с тем чтобы увеличить рабочий объем разрежения для последующего его заполнения паровоздушной или другой газовой топливной смесью во взрывоопасной концентрации с целью получения нескольких взрывных объемов подряд с их взаимно усиливающим наложением друг на друга в продольном направлении летательного аппарата, с целью дальнейшего осуществления возможности одновременного самовоспламенения части топливной смеси в замкнутом объеме одного из них, которое обеспечивает условную возможность роста скорости распространения пламени в сторону бесконечного увеличения.

К недостаткам данного тягового модуля следует отнести сложность конструкции и необходимость предварительных процедур для запуска двигателя.

В патенте RU 2296876 С2 (14.03.2005) представлен способ конструирования энергетической установки, основанный на использовании детонационной резонансной камеры, в которой горючая смесь горит в пульсирующем режиме. При этом полузамкнутая детонационная резонаторная камера сгорания и газогенератор топливной смеси разделены перфорированной или пористой стенкой.

В описанном способе конструирования энергетической установки отсутствует описание системы охлаждения и очистки камеры.

В патенте RU 2754834 С1 (07.09.2020) предложена конструкция двигателя роторного типа, использующего детонационный режим сжигания топлива. Корпус выполнен в форме двух пустотелых цилиндров, соединенных друг с другом со сближением их осей. Для охлаждения предусмотрены полости охлаждения, проходящие под корпусом устройства и в перегородках секций. Корпус выполнен из материала, выдерживающего сверхвысокие механические и температурные нагрузки, возникающие при детонационном сгорании.

К недостаткам конструкции можно отнести необходимость предварительной раскрутки устройства и наличие подвижных частей, что при детонационном принципе работы устройства может приводить к повышенной вероятности поломки устройства.

Цикл работы детонационного двигателя непрерывного принципа действия состоит из одного полного оборота детонационной волны в кольцевой камере сгорания. За время этого оборота часть камеры, в которой начался процесс, должна заполниться свежей смесью настолько, чтобы поддержать распространение подошедшей детонационной волны. Такая конструкция позволяет обеспечить довольно высокую частоту циклов работы, однако, она не лишена и недостатков. Среди основных недостатков таких устройств являются сложность охлаждения и необходимость использования компрессора или турбонасосного агрегата. Большинство современных отечественных и зарубежных экспертов считают, что указанные типы двигателей являются перспективными.

В патенте RU 2714582 С1 (09.04.2019) предложен способ организации рабочего процесса в воздушно-реактивных двигателях с непрерывно-детонационным горением и устройство для его осуществления. Предложено частичное торможение набегающего сверхзвукового воздушного потока в косых скачках уплотнения и в пристеночном пограничном слое перед поступлением в кольцевую камеру сгорания, непрерывную подачу топлива в зону смешения с воздухом, инициирование непрерывно-детонационного горения топливной смеси, истечение продуктов детонации из кольцевой камеры сгорания через кольцевое сопло со сверхзвуковой скоростью с образованием реактивной струи и созданием реактивной тяги. Охлаждение стенок камеры осуществляется за счет направления части входного потока в обход кольцевой камеры сгорания.

К недостаткам можно отнести необходимость разгона двигателя до рабочих скоростей.

Важным вопросом при конструировании камер сгорания детонационных силовых установок является проблема охлаждения ее стенок. Существуют различные способы ее решения. В настоящее время в большинстве случаев охлаждение камер сгорания современных двигателей производится за счет пропускания горючего в каналах внутри стенок камеры. Горючее за счет собственного нагрева охлаждает стенки, происходит конвективный отвод тепла. Однако этого недостаточно для эффективного охлаждения камеры.

В патенте RU 2511921С1 (07.12.2012) предложена конструкция гиперзвукового прямоточного воздушно реактивного двигателя, у которого задняя стенка и часть боковой стенки газоструйного резонатора выполнены пористыми с управляемой скважностью. При этом нанодисперсное топливо, содержащее углеродные нанотрубки с капсулированным в них водородом, подается в камеру сгорания через вход газоструйного резонатора навстречу набегающему потоку воздуха и через его пористые стенки.

К недостаткам можно отнести недостаточное охлаждение стенки камеры сгорания, а также закоксовывание каналов подачи топлива и значительные тепловые напряжения стенок камеры сгорания.

Техническим результатом патентуемого способа является улучшение охлаждения стенки камеры сгорания, а также исключение закоксовывания каналов подачи топлива и снижение тепловых напряжений стенок камеры сгорания.

Указанные технические результаты достигаются способом организации процесса сгорания в камере воздушно-реактивного двигателя, включающем подачу топлива в камеру сгорания через пористый материал, отличающийся тем, что топливо в камеру сгорания подают через систему форсунок, установленных по всей наружной поверхности камеры сгорания, через пористый материал, из которого выполнены стенки камеры сгорания или который выполнен в виде съемной вставки, размещенной на внутренней стенке камеры сгорания.

А также тем, что процесс сгорания основан на детонационном принципе сжигания топлива.

А также тем, что часть топлива подают напрямую в камеру сгорания через часть форсунок минуя пористый материал.

А также тем, что в качестве пористого материала используют твердое топливо с пористой структурой.

А также тем, что в качестве пористого материала используют проницаемый пористый сетчатый материал на металлической основе или пористый металлокерамический материал на основе углеродных нанотрубок.

А также тем, что пористые стенки камеры сгорания выполняют из составных частей с различными свойствами.

Улучшение охлаждения стенок камеры происходит за счет подачи холодного топлива и его испарения с внутренней поверхности. Использование пористой структуры стенки в области подачи топлива позволяет уменьшить нагрев стенки за счет подачи холодного топлива и его испарения с внутренней поверхности, что значительно увеличивает эффективность охлаждения, так как удельная теплота испарения на порядки превышает удельную теплоемкость (удельная теплота испарения примерно в 100 раз больше удельной теплоемкости для керосина).

Также в патентуемом способе отсутствует проблема закоксовывания каналов, так как система является саморегулирующейся: в случае, когда произошло коксование и увеличилась температура стенки, кокс сгорает, а за счет капиллярных сил происходит пропитка пористого материала и его охлаждение при испарении.

Еще одно преимущество такой камеры сгорания - возможность конструктивно влиять на тепловые напряжения. Дело в том, что возникающие термические напряжения могут оказывать существенное влияние на прочность материала и приводить к его разрушению. За счет сбора пористой стенки камеры из составных частей с различными свойствами можно добиться снятия тепловых нагрузок с материала.

Среди других преимуществ использования пористого материала в конструкции камеры сгорания можно выделить возможность производить материал с оптимальной проницаемостью для эффективного охлаждения за счет регулирования пористости, уменьшение веса конструкции, что позволяет эффективно эксплуатировать камеру сгорания без критических повреждений материала даже при воздействии локальных пиков термохимической нагрузки и более однородного распределения потока охлаждающей жидкости через стенку.

В качестве дополнительного варианта может быть рассмотрено использование в качестве пористого материала твердого топлива, которое в дополнение к горению жидкого или газообразного, также подвержено воспламенению, что дополнительно может увеличить тяговые характеристики такого устройства.

Использование пористой вставки подразумевает возможность ее замены в случае работы в двигателях длительной эксплуатации. В патентуемом способе топливо подается через всю или большую часть поверхности камеры сгорания, а наличие пористой вставки позволяет заменять ее и тем самым регулировать характеристики камеры сгорания за счет этого.

В настоящее время существует множество разработанных пористых материалов для различных целей. Среди них можно выделить пористые материалы на металлической основе, к которым можно отнести пористые порошковые материалы, пористые волокнистые материалы, пористые сетчатые материалы, пористые материалы из проволочных спиралей, высокопористые ячеистые материалы, комбинированные пористые проницаемые материалы, пеноалюминий. Такого рода материалы могут обладать определенными свойства по минимизации или максимизации теплопроводимости в определенных направлениях, равномерной микроструктуре и стабильной проницаемости, а также высокими прочностными характеристики и низкой стоимостью производства. Разработаны технологии получения толстостенных пористых осесимметричных оболочек. Среди указанных типов материалов можно выделить пористые материалы из металлических сеток, обладающие высокой прочностью.

Температура стенки камеры сгорания может достигать тысяч градусов. Применение холодного горючего для ее охлаждения путем его пропускания через специальные каналы позволяет снизить ее. Использование при этом пористой структуры позволяет значительно повысить эффективность охлаждения за счет увеличения полезной площади соприкосновения, причем, расположенной непосредственно в камере сгорания. Проходящее холодное горючее через каналы пористой структуры нагревается, причем, температура нагрева, в большинстве случаев, приближается к температуре кипения горючего, и даже превосходит ее. Это позволяет получить дополнительный эффект охлаждения за счет его испарения, которое происходит при постепенном нагреве от горячей поверхности при работе.

В качестве пористого материала может быть использован, к примеру, какой-нибудь проницаемый пористый сетчатый материал на металлической основе, пористый металлокерамический материал или материал на основе углеродных нанотрубок. В качестве примера может быть выбран пористый проницаемый металлокерамический материал, полученный с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и имеющий в своем составе легированную сталь, оксид хрома, хром, никель, алюминий и монацид и со следующими свойствами: проницаемость по воздуху - 1,0-2,0 Дарси, пористость - 30-60%, средний приведенный диаметр пор - 120-170 мкм, предел прочности при сжатии - 4,5-11 МПа, предел прочности при изгибе - 3,5-8 МПа. Или сетчатый пористый материал, выполненный с применением хромоникелевой стали 12Х18Н10Т, обладающий пористостью от 20 до 60%, теплопроводностью вдоль плоскости сеток около 8,19 Вт/(м⋅К).

Приведенные параметры материала не ограничивают применение пористых структур с другими свойствами. Наоборот, тип используемого материала и его характеристики зависят от параметров и условий, при которых должно функционировать двигательное устройство. Способы производства пористых структур выходят за рамки предложенного способа организаций процессов в камере сгорания двигателей.

На фиг. 1 представлен вид с торца камеры сгорания.

На фиг. 2 - вид с сбоку камеры сгорания.

На виде сбоку камеры сгорания (фиг. 2) заштрихованная область серого цвета представляет собой пористый материал, являющийся стенкой 1 или вставкой 2 из пористого материала, устанавливаемой внутри камеры сгорания на всей внутренней его поверхности. Пористая стенка 1 камеры сгорания для снятия тепловых нагрузок может быть выполнена из составных частей с различными свойствами (проницаемости, теплопроводности и т.п.). По всей наружной поверхности камеры сгорания на стенках 1, как на боковой поверхности 3, так и на торцевой поверхности 4 расположены форсунки 5, через которые подаются горючие компоненты, как в раздельном виде, так и в виде горючей смеси. Форсунки 5 в основном сообщаются с каналами пористого материала, но часть форсунок может сообщаться непосредственно с пространством внутри камеры сгорания минуя пористый материал для подачи горючего сразу в камеру сгорания. Схемы подачи и расположение форсунок могут быть различными. Оптимальные параметры подачи могут быть определены с помощью проведения вычислительного моделирования. Предполагается, что предложенная детонационная камера сгорания с данной конструкцией может быть использована в двух различных режимах работы: в режиме импульсной детонации и в режиме непрерывной детонации. И в том, и в другом случае для обеспечения высоких характеристик работы возможно объединение данной конструкции в блок камер из двух и более единиц со схожими конфигурациями.

Для импульсного режима работы на первом этапе после включения происходит подача реагентов через систему форсунок для заполнения камеры сгорания. Подаваемые реагенты проходят через пористую среду, тем самым пропитывая ее. В зависимости от выбранного метода подачи реагентов, заполнение камеры сгорания занимает различное время. После заполнения камеры сгорания производится инициирование детонации. Данный процесс может быть осуществлен за счет организации перехода горения в детонацию в специальном канале, соединяющемся с основной камерой, в котором будет инициировано горение специальной смеси. После прохождение детонации, происходит очистка камеры сгорания за счет подачи холодной смеси нейтральных газов. В дальнейшем происходит повторение цикла, повторное заполнение камеры реагентами, причем, за счет предварительного прогрева пористой структуры, подаваемое горючее испаряется и дополнительно охлаждает стенки камеры. В дальнейшем происходит повторение происходящих в камере процессов.

Для режима непрерывной детонации, начало подачи горючей смеси происходит рядом с местом инициирования детонации. После поступления достаточного количества горючего, происходит инициирование детонации. Далее, в зависимости от выбранного направления вращения детонации в соответствующую сторону происходит подача необходимых реагентов перед распространяющейся детонационной волной, тем самым производя ее закручивание. Боковая система форсунок в данном случае помогает доставлять в камеру сгорания необходимое количество дополнительного окислителя и/или горючего из-за ограничения пропускной способности пористого вещества в торцевой поверхности камеры. Выброс продуктов реакции и очистка камеры в данном случае происходят автоматически за счет подачи свежих реагентов. Функции пористой пристеночной структуры аналогично импульсному режиму работы.

Изобретение относится к способам организации процессов сгорания в камерах воздушно-реактивных двигателей, в том числе, основанных на детонационном принципе сжигания топлива. Техническим результатом патентуемого способа является улучшение охлаждения стенки камеры сгорания, а также исключение закоксовывания каналов подачи топлива и снижение тепловых напряжений стенок камеры сгорания. Для этого в способе организации процесса сгорания в камере воздушно-реактивного двигателя, включающем подачу топлива в камеру сгорания через пористый материал, в отличие от способа прототипа, топливо в камеру сгорания подают через систему форсунок, установленных по всей наружной поверхности камеры сгорания, через пористый материал, из которого выполнены стенки камеры сгорания или который выполнен в виде съемной вставки, размещенной на внутренней стенке камеры сгорания. Процесс сгорания основан на детонационном принципе сжигания топлива. Часть топлива подают напрямую в камеру сгорания через часть форсунок, минуя пористый материал. А в качестве пористого материала используют твердое топливо с пористой структурой или проницаемый пористый сетчатый материал на металлической основе или пористый металлокерамический материал на основе углеродных нанотрубок. Кроме того, пористые стенки камеры сгорания выполняют из составных частей с различными свойствами. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ организации процесса сгорания в камере воздушно-реактивного двигателя, включающий подачу топлива в камеру сгорания через пористый материал, отличающийся тем, что топливо в камеру сгорания подают через систему форсунок, установленных по всей наружной поверхности камеры сгорания, через пористый материал, из которого выполнены стенки камеры сгорания или который выполнен в виде съемной вставки, размещенной на внутренней стенке камеры сгорания.

2. Способ организации процесса сгорания по п. 1, отличающийся тем, что процесс сгорания основан на детонационном принципе сжигания топлива.

3. Способ организации процесса сгорания по п. 1, отличающийся тем, что часть топлива подают напрямую в камеру сгорания через часть форсунок, минуя пористый материал.

4. Способ организации процесса сгорания по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пористого материала используют твердое топливо с пористой структурой.

5. Способ организации процесса сгорания по п. 1, отличающийся тем, что в качестве пористого материала используют проницаемый пористый сетчатый материал на металлической основе или пористый металлокерамический материал на основе углеродных нанотрубок.

6. Способ организации процесса сгорания по п. 1, отличающийся тем, что пористые стенки камеры сгорания выполняют из составных частей с различными свойствами.