СПОСОБ ДЕТОНАЦИОННОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ И ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2025 года по МПК F02K7/04 F23R7/00 

Изобретение относится к области машиностроения и двигателестроения, а именно к детонационным воздушно-реактивным двигателям [F02K 7/00, F02K 7/02, F02K 7/04, F02K 7/08, F02K 7/10, F02K 7/20].

Из уровня техники известна КОЛЬЦЕВАЯ КАМЕРА СГОРАНИЯ С НЕПРЕРЫВНОЙ ВОЛНОЙ ДЕТОНАЦИИ [FR 20160054570, 23.05.2016], позволяющая использовать смесь топлива и окислителя, впрыскиваемую в осевом направлении F, для обеспечения непрерывного производства горячего газа из волн детонации, причем камера сгорания содержит множество пар электродов, которые равномерно распределены по углу в двух концентрических кольцах на верхних концах внешней и внутренней стенок указанной кольцевой камеры сгорания, причем два электрода данной пары принадлежат каждому из разных колец и находятся в радиальном выравнивании и электрогенератор, управляемый устройством управления для последовательного генерирования электрических разрядов NRP между указанным множеством пар электродов, причем указанный электрогенератор сконфигурирован для питания по меньшей мере первой пары электродов электрическим способом с целью создания по меньшей мере одной первой зоны разряда, а затем последовательно для питания по одной за другой каждой из указанных следующих пар электродов указанных колец, тем самым позволяя детонационной волне непрерывно перемещаться вокруг указанной кольцевой камеры сгорания, при этом электроды представляют собой Т-образную секцию с первой токопроводящей частью, образующей пластину, заподлицо с внутренней поверхностью указанной кольцевой камеры сгорания, и второй токопроводящей частью, перпендикулярной первой части, в электрическом контакте с ней и простирающейся радиально поперек указанной кольцевой камеры сгорания для обеспечения электрического соединения между указанной токопроводящей пластиной и указанным электрогенератором.

Недостатком аналога является низкий КПД двигателя, обусловленный направлением перемещения детонационной волны по кругу, а не вдоль камеры сгорания, что требует значительных затрат топлива.

Также известен ДЕТОНАЦИОННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ [PL 43977621 A, опубл. 07.12.2021], содержащий кольцевую детонационную камеру, соединенную с соплом Aerospike, выполненного в форме усеченного конуса и магистрали подачи компонентов топлива, соединенные с детонационной камерой, причем детонационная камера имеет дно, соединяющее внутреннюю стенку и наружную стенку, между которыми образовано выходное отверстие, отличающийся тем, что на выходе детонационной камеры размещены по меньшей мере три равномерно распределенных центрирующих элемента, соединяющих внутреннюю стенку и наружную стенку детонационной камеры, причем центрирующие элементы имеют охлаждающие каналы, соединенные с одной из магистралей, подающих компоненты топлива в детонационную камеру, в сопле Aerospike образованы дополнительные каналы охлаждения, подключенные к одной из магистралей подачи компонентов топлива.

Недостатком аналога является низкая надежность устройства, обусловленная сложностью конструкции, в которой магистрали подачи топлива смонтированы внутри детонационной камеры.

Наиболее близким по технической сущности является ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ [RU 2249121 C1, опубл. 27.03.2005], содержащий камеру сгорания, реактор, детонационный резонатор и воздушный канал второго контура, отличающийся тем, что камера сгорания, реактор и детонационный резонатор выполнены в виде отдельных модулей, последовательно соединенных между собой с возможностью замены, а воздушный канал второго контура размещен внутри камеры сгорания и реактора вдоль продольной оси двигателя.

Основной технической проблемой прототипа является низкая функциональность двигателя, обусловленная его большими массогабаритными характеристиками, что не позволяет его использовать в качестве двигателя для небольших летательных аппаратов, водных и наземных устройств. Кроме того, двигатель обладает низкой надежностью из-за его сложной конструкции, а КПД двигателя снижен за счет выброса в атмосферу несгоревшей части топливовоздушной смеси.

Задача изобретения состоит в устранении недостатков аналогов и прототипа.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении дожигания топливовоздушной смеси и газов, образовавшихся при ее сгорании и повышении функциональности двигателя.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ детонационного сжигания топлива для получения движущей силы, характеризующийся подачей топливной смеси в кольцевую детонационную камеру, образованную между повторяющими друг друга по форме и обращенными друг к другу вогнутыми поверхностями внешнего и внутреннего корпусов, в которой инициируют непрерывную детонацию, продолжающуюся по мере поступления в камеру компонентов упомянутой смеси, а для поддержания детонации в кольцевом канале детонационной камеры за детонационной волной в области ионизации газа с максимально высокой температурой сгорания топливной смеси между кольцевыми электродами, смонтированными в детонационной камере на обращенных друг к другу поверхностях внешнего и внутреннего корпусов, формируют разряды с возможностью следования их за задним фронтом детонационной волны, которые разогревают несгоревшие остатки топливной смеси и газы, образованные при сгорании топливной смеси, что приводит к повышению давления в хвосте детонационной волны, при этом мощностью разряда регулируют скорость прохождения детонационной волны в кольцевой детонационной камере и стабилизируют ее появление, при этом управление детонацией осуществляют изменением объема детонационной камеры перемещением внутреннего корпуса внутри внешнего корпуса, а часть кинетической энергии детонационной волны передают потокам воздуха, проходящим через центральный эжекционный канал, образованный внутри внутреннего корпуса.

Указанный технический результат достигается за счет того, что детонационный двигатель, содержащий повторяющие друг друга по форме обращенных друг к другу вогнутых поверхностей внешний и внутренний корпусы, смонтированные один в другом на одной продольной оси с образованием между обращенными друг к другу поверхностями кольцевого канала кривой формой, образующего детонационную камеру изменяемого объема за счет перемещения внутреннего корпуса внутри внешнего корпуса, внутренний объем внутреннего корпуса образует эжекционный канал, внешний корпус выполнен по длине больше внутреннего корпуса, образуя на выходе сопло, внутренний корпус смонтирован на осевом опорном стержне, детонационная камера со стороны оснований корпусов выполнена закрытой, а выход из детонационной камеры сообщается со смесительной камерой, образованной внутренней поверхностью внешнего корпуса за торцом внутреннего корпуса, в основании детонационной камеры по кругу смонтирован ряд топливных форсунок с возможностью подачи топливной смеси в детонационную камеру, с возможностью поддержания ударной волны в кольцевом канале детонационной камеры на обращенных друг к другу поверхностях корпусов смонтированы кольцевые электроды, форсунки и электроды подключены к электронному блоку управления.

В частности, сопло выполнено регулируемым по диаметру на выходе.

В частности, обращенные друг к другу поверхности корпусов в детонационной камере, выполнены с диэлектрическим жаропрочным покрытием, с возможностью исключения пробоя разряда на корпус и обеспечения контролируемого заряда в наиболее ионизированной части раскаленных газов, следующей позади детонационной волны.

На фиг. 1 показан детонационный двигатель в разрезе, на которой обозначено: 1 – внешний корпус, 2 – внутренний корпус, 3 – детонационная камера, 4 – эжекционный канал, 5 – сопло, 6 – опорный стержень, 7 – смесительная камера, 8 – форсунки, 9 – электроды, 10 – эксцентрики.

Осуществление изобретения

Детонационный двигатель содержит внешний корпус 1 и смонтированный внутри внешнего корпуса 1 на одной с ним продольной оси внутренний корпус 2, основания которых ориентированы в одну сторону.

Внешний 1 и внутренний 2 корпусы выполнены полыми внутри вогнутой конической формой. В одном из вариантов реализации внешний 1 и внутренний 2 корпусы выполнены овальными или прямоугольными со скругленными углами в поперечном сечении формой.

Между обращенными друг к другу поверхностями при размещении внутреннего корпуса 2 внутри внешнего корпуса 1 образован кольцевой канал кривой формой, образующий детонационную камеру 3.

Внутренний объем внутреннего корпуса 2, ограниченный его внутренней поверхностью, образует эжекционный канал 4.

Внешний корпус 1 выполнен по длине больше внутреннего корпуса 2, образуя на выходе сопло 5, которое может быть выполнено регулируемым по диаметру на выходе.

Внутренний корпус 2 смонтирован на осевом опорном стержне 6.

Детонационная камера 3 со стороны оснований корпусов 1, 2 выполнена закрытой, а выход из детонационной камеры 3 сообщается со смесительной камерой 7, образованной внутренней поверхностью внешнего корпуса за торцом внутреннего корпуса 2.

В основании детонационной камеры 3 по кругу смонтирован ряд топливных форсунок 8 с возможностью подачи топливной смеси в детонационную камеру 3. Упомянутые форсунки 8 могут быть смонтированы в отверстиях во внешнем корпусе 1.

Обращенные друг к другу поверхности корпусов 1, 2, по крайней мере, в детонационной камере 3, выполнены с диэлектрическим жаропрочным покрытием, например, керамическим, с возможностью исключения пробоя разряда на корпус и обеспечения контролируемого заряда в наиболее ионизированной части раскаленных газов, следующей позади детонационной волны.

Для поддержания детонационной волны в кольцевом канале детонационной камеры 3 детонационного двигателя, образованным обращенными друг к другу внешним 1 и внутренним 2 корпусам, используют импульсный разряд, возникаемый между кольцевыми электродами 9, смонтированными в детонационной камере 3. Упомянутые кольцевые электроды 9 смонтированы на обращенных друг к другу поверхностях внешнего 1 и внутреннего 2 корпусов внутри детонационной камеры 3 по кругу. Упомянутые электроды 9 могут быть выполнены с заостренными вершинами, например, треугольными или трапецеидальными в поперечном сечении и расположены напротив друг друга так, что вершины направлены навстречу друг к другу с возможностью сужения области возникновения разрядов и повышения контроля за процессами, происходящими в детонационной камере. Упомянутые электроды 9 обеспечивают формирование ряда электроискровых разрядов, следующих за фронтом ударной волны. Разряд разогревает газы, возникающие в процессе горения позади детонационной волны, двигающейся в кольцевом канале детонационной камеры 3.

За детонационной волной в области максимально высокой температуры сгорания топливной смеси образуется область ионизации газа. Разряд, подаваемый в эту ионизационную область, где сопротивление ионизированного газа будет минимальным, дополнительно разогревает газ в области разряжения детонационной волны, которая возникает при сверхзвуковом детонационном горении топливной смеси. Это приводит к повышению давления в хвосте детонационной волны, при этом мощностью разряда регулируют скорость прохождения детонационной волны в кольцевой детонационной камере 3 и стабилизируют ее появление.

Из уровня техники известно, что ионизация газов в области максимально высокой температуры сгорания топливной смеси позади детонационной волны происходит благодаря термической ионизации. На практике она начинается уже при температурах около 2000 °С. При детонации химическая реакция окисления горючего протекает при более высоких значениях температуры и давления за сильной ударной волной, бегущей с высокой сверхзвуковой скоростью. Температура горения при детонации достигает 3000–4000 °С. Таким образом, волну детонационного горения можно представить как частично ионизированный газ, который является источником упорядоченного периодического движения носителей электрического заряда [http://www.sciteclibrary.ru/yabb26/Attachments/2_S_R_S_S_S__R_R_S__S_R_S_R_R_R_R_R_RjoRjo.pdf].

Для регулирования высоты детонационной камеры 3 и расстояния между электродами 9 с возможностью поддержания и оптимизации процесса детонационного горения в кольцевая детонационная камера 3 выполнена регулируемой по высоте, которая обусловлена расстоянием между обращенными друг к другу поверхностями внешнего 1 и внутреннего 2 корпусов. Регулирование по высоте детонационной камеры 3 осуществляется путем перемещения внутреннего корпуса 2 во внешнем 1 вдоль центральной оси симметрии. Средства регулировки могут быть выполнены, например, в виде эксцентриков 10, расположенных по кругу между обращенными друг к другу поверхностями детонационной камеры 3. Кроме того, в одном из вариантов реализации, регулирование величины детонационной камеры 3 осуществляют путем перемещения внутреннего корпуса 2 по опорному стержню 6 или вместе с ним.

Управление впрыском топливной смеси из форсунок 8 осуществляют с помощью электронного блока управления (на фигурах не показан), к которому также подключены электроды 9 с возможностью управления процессами подачи топливовоздушной смеси в детонационную камеру 3, воспламенения смеси от разряда, возникающего между электродами 9, вытеснения детонационной волны за счет формирования разряда в хвосте детонационной волны 3 между электродами 9.

В качестве топливной смеси может применяться топливовоздушная, газовоздушная, паровоздушная смесь.

Параметры тока, подаваемого на электроды 9, подбирают в зависимости от типа топливной (газовоздушной, паровоздушной) смеси а так, чтобы пробой между электродами 9 наступал только при определенной температуре и в этом случае возникновение разрядов будет зависеть от ширины зоны ударной волны, а ширина этой зоны зависит, в свою очередь, от мощности разрядов.

Использование электронного управления впрыском топливной смеси из форсунок 8 и электродами 9 позволяет обеспечить автоматическое следование разрядов за самой ионизированной частью взрывной волны.

Местоположение волны и ее форму рассчитывают эмпирически или используя данные от датчиков давления, которыми может быть оснащена детонационная камера 3.

Кроме того, данными для определения параметров тока, подаваемого на электроды 9, может быть магнитное поле. И тогда для определения местоположения детонационной волны используют магнитные катушки.

В другом варианте реализации для определения параметров тока, подаваемого на электроды 9, могут использовать вольтметры, измеряющие падение напряжения между точкой в детонационной камере 3 и конкретной точкой на поверхности внешнего 1 или внутреннего 2 корпуса. Зная удельное сопротивление материала, из которого изготовлен двигатель рассчитывают ток между этими двумя точками. Соответственно, в области разряда этот ток будет максимальным.

Летательный аппарат, подвижный водный (подводный) или наземное устройство, оснащенное заявленным детонационным двигателем с совмещением реактивного потока, образованного детонационной (ударной) волной в детонационной камере 3 с прямоточным потоком за счет эжекции воздуха детонационной волной 3 в смесительной камере 7, способен осуществлять движение при использовании топливовоздушной, газовоздушной или паровоздушной, взрывоопасной концентрации, топливной смеси. Движение обеспечивается подачей упомянутой смеси через форсунки 8 в детонационную камеру 3 и поджигом этой смеси разрядом, возникающим между кольцевыми электродами 9 в основании упомянутой камеры 3 при подаче тока. При этом производится прогрев, продувка смесительной камеры 7 и продувка эжекционного канала 4.

По мере продвижения детонационной волны в детонационной камере 3 в сторону сопла 5 обеспечивают возникновение разрядов между кольцевыми электродами 9 последовательной подачей тока на эти электроды 9.

Образовавшаяся детонационная волна с фронтом пламени и областью разрежения, пройдя в смесительную камеру 7, передает кинетическую энергию потокам воздуха, проходящим через центральный эжекционный канал 4, заставляя их двигаться быстрее. Несгоревшая при первичной детонации часть топливной смеси и газы от сгоревшей части топливной смеси дожигаются в хвостовой части детонационной волны разрядами, возникающими между электродами 9 и фронтом пламени, сопровождающим следующую детонационную волну при последующем сжигании топлива.

Заявленное решение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как оно характеризуется новой совокупностью признаков, таких как:

- дожиганием несгоревшей части топливной смеси и газов, образовавшихся при ее сгорании при детонации фронтом пламени, сопровождающим последующую детонационную волну и последовательно возникающими разрядами между электродами 9 при следовании детонационной волны, что также позволяет расширить фронт детонационной волны, так как дополнительный нагрев при дожигании несгоревшей части топливной смеси и газов позволяет формировать увеличить зону ионизации; Бегущий фронт разрядов позволит точно контролировать положение волны в камере без сложных датчиков давления. Это повысит управляемость, что приведет к более точному контролю тяги;

- обеспечением возникновения множества последовательных взаимно усиливающих друг друга взрывных объемов в детонационной камере;

- эжекцией через центральный эжекционный канал 4 потоков воздуха в смесительной камере 4 передачей кинетической энергии этим потокам воздуха от детонационной волны, что обеспечивает возникновение на выходном сопле 5 двойного реактивного потока – в детонационной камере 3 и эжекционном канале 4;

- управлением детонацией топливной смеси за счет управления разрядами и объемом детонационной камеры 3 за счет перемещения вогнутых внутреннего корпуса 2 во внешнем 1, что позволяет снизить расход топливной смеси при уменьшении объема детонационной камеры 3 и тем самым управлять мощностью двигателя;

- простотой конструкции двигателя и отсутствием сложных узлов и навесных агрегатов, что позволяет уменьшить его массогабаритные размеры и адаптировать двигатель под небольшие объекты для обеспечения их движущей силой, что, в свою очередь, говорит о возможности повышения функциональности, надежности двигателя заявленной конструкции.

Изобретение относится к области машиностроения и двигателестроения, а именно к детонационным воздушно-реактивным двигателям. Способ детонационного сжигания топлива для получения движущей силы, характеризующийся подачей топливной смеси в кольцевую детонационную камеру, образованную между повторяющими друг друга по форме и обращенными друг к другу вогнутыми поверхностями внешнего и внутреннего корпусов, в которой инициируют непрерывную детонацию, продолжающуюся по мере поступления в камеру компонентов упомянутой смеси, а для поддержания детонации в кольцевом канале детонационной камеры за детонационной волной в области ионизации газа с максимально высокой температурой сгорания топливной смеси между кольцевыми электродами, смонтированными в детонационной камере на обращенных друг к другу поверхностях внешнего и внутреннего корпусов, формируют разряды с возможностью следования их за задним фронтом детонационной волны, которые разогревают несгоревшие остатки топливной смеси и газы, образованные при сгорании топливной смеси, что приводит к повышению давления в хвосте детонационной волны, при этом мощностью разряда регулируют скорость прохождения детонационной волны в кольцевой детонационной камере и стабилизируют ее появление, при этом управление детонацией осуществляют изменением объема детонационной камеры перемещением внутреннего корпуса внутри внешнего корпуса, а часть кинетической энергии детонационной волны передают потокам воздуха, проходящим через центральный эжекционный канал, образованный внутри внутреннего корпуса. Технический результат - обеспечение дожигания топливовоздушной смеси и газов, образовавшихся при ее сгорании и повышении функциональности двигателя. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ детонационного сжигания топлива для получения движущей силы, характеризующийся подачей топливной смеси в кольцевую детонационную камеру, образованную между повторяющими друг друга по форме и обращенными друг к другу вогнутыми поверхностями внешнего и внутреннего корпусов, в которой инициируют непрерывную детонацию, продолжающуюся по мере поступления в камеру компонентов упомянутой смеси, а для поддержания детонации в кольцевом канале детонационной камеры за детонационной волной в области ионизации газа с максимально высокой температурой сгорания топливной смеси между кольцевыми электродами, смонтированными в детонационной камере на обращенных друг к другу поверхностях внешнего и внутреннего корпусов, формируют разряды с возможностью следования их за задним фронтом детонационной волны, которые разогревают несгоревшие остатки топливной смеси и газы, образованные при сгорании топливной смеси, что приводит к повышению давления в хвосте детонационной волны, при этом мощностью разряда регулируют скорость прохождения детонационной волны в кольцевой детонационной камере и стабилизируют ее появление, при этом управление детонацией осуществляют изменением объема детонационной камеры перемещением внутреннего корпуса внутри внешнего корпуса, а часть кинетической энергии детонационной волны передают потокам воздуха, проходящим через сквозной эжекционный канал, образованный внутри внутреннего корпуса.

2. Детонационный двигатель, содержащий повторяющие друг друга по форме обращенных друг к другу вогнутых поверхностей внешний и внутренний корпусы, смонтированные один в другом на одной продольной оси с образованием между обращенными друг к другу поверхностями кольцевого канала кривой формой, образующего детонационную камеру изменяемого объема за счет перемещения внутреннего корпуса внутри внешнего корпуса, внутренний объем внутреннего корпуса образует эжекционный канал, внешний корпус выполнен по длине больше внутреннего корпуса, образуя на выходе сопло, внутренний корпус смонтирован на осевом опорном стержне, детонационная камера со стороны оснований корпусов выполнена закрытой, а выход из детонационной камеры сообщается со смесительной камерой, образованной внутренней поверхностью внешнего корпуса за торцом внутреннего корпуса, в основании детонационной камеры по кругу смонтирован ряд топливных форсунок с возможностью подачи топливной смеси в детонационную камеру, с возможностью поддержания ударной волны в кольцевом канале детонационной камеры на обращенных друг к другу поверхностях корпусов смонтированы кольцевые электроды, форсунки и электроды подключены к электронному блоку управления.

3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что сопло выполнено регулируемым по диаметру на выходе.

4. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что обращенные друг к другу поверхности корпусов в детонационной камере выполнены с диэлектрическим жаропрочным покрытием, с возможностью исключения пробоя разряда на корпус и обеспечения контролируемого заряда в наиболее ионизированной части раскаленных газов, следующей позади детонационной волны.