Способ функционирования детонационного двигателя и устройство для его реализации

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано для получения тяги и обеспечения движения транспортных средств различного назначения.

По сравнению с традиционными авиационными двигателями детонационные двигатели обеспечивают существенное улучшение тягово-экономических и массогабаритных показателей, упрощение конструкции (Импульсные детонационные двигатели / Под ред. С.М. Фролова, М.: Торус пресс, 2006).

Известны различные варианты способа функционирования двигателя с непрерывно вращающейся детонацией, основанные на исследованиях, описанных в книге Ф.А. Быковского и С.А. Ждана "Непрерывная спиновая детонация" (Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2013). Начало исследований восходит к экспериментам Б.В. Войцеховского 1959 г.

Известен способ работы пульсирующего детонационного двигателя (патент RU 2034996, 1995), использованный при разработке турбореактивной или прямоточной силовой установки. Способ получения тяги заключается в сжигании горючего с избытком окислителя, последующей подаче горючего в полученные продукты сгорания, получении рабочего тела и преобразовании его внутренней энергии в работу силы тяги, посредством периодически повторяющегося процесса детонации в газодинамическом резонаторе.

Недостатком рассматриваемого способа работы пульсирующего детонационного двигателя является то, что для сжатия воздуха и топливовоздушной смеси при ее подаче в специальные тяговые модули используется генератор сжатого воздуха, представляющий собой обычный газотурбинный двигатель, что нерационально, так как снижает КПД силовой установки.

Известен способ работы воздушно-реактивного двигателя с тяговыми модулями пульсирующего детонационного сгорания (патент RU 2375601, 2009), заключающийся в том, что горючее активируют перед подачей его в детонационную камеру сгорания в специальных теплообменниках, которые нагревают от источника тока.

Недостатком приведенного способа работы пульсирующего детонационного модуля является необходимость применения специальных теплообменников, что усложняет конструкцию и ухудшает тяговую отдачу двигателя.

Известна система и способ сжигания для поддержания непрерывной детонационной волны с нестационарной плазмой (заявка US 61/245034, 2009; патент RU 2537659, МПК F02K 7/04, 2009), способ содержит подачу компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, их перемешивание и горение с созданием непрерывной вращающейся волны детонации с последующим истечением продуктов сгорания в тяговое устройство. Изобретение позволяет поддерживать непрерывную, стабильную детонационную волну, которая обеспечивает низкое давление подачи и высокую эффективность сжигания топлива.

Способ реализации непрерывной детонации наиболее близок к предлагаемому изобретению, и может быть принят за прототип.

Ключевой особенностью известных способов использования непрерывно вращающейся детонации является движение компонентов топливной смеси через кольцевую камеру сгорания с вращающейся детонацией вдоль оси кольцевой камеры. Это ограничивает область применения этих способов турбореактивными и прямоточными силовыми установками, снижает их КПД, топливную эффективность и удельную тягу.

Известны различные устройства пульсирующего детонационного двигателя с резонатором.

Известна камера сгорания пульсирующего детонационного двигателя (RU 2084675 C1, МПК F02K, 7/02), содержащая в корпусе сверхзвуковое сопло и расположенный соосно с ним резонатор в виде трубки, открытый конец которой обращен в сторону истечения рабочего тела, а другой замкнут. Полость между корпусом и поверхностью сопла является камерой смешения, выходная часть которой представляет собой сверхзвуковое сопло.

Недостатком рассмотренной камеры детонационного горения является необходимость применения генератора сжатого воздуха в виде турбокомпрессорного агрегата из-за нерационального сжигания горючего при малых рабочих давлениях.

Теоретическое исследование возможных характеристик пульсирующего детонационного двигателя с резонатором было выполнено в работах В.А. Левина с соавторами, например: Levin V.A, Nechaev J.N, Tarasov A.I. A new approach to organizing operation cycles in pulsed detonation engines. High-Speed Deflagration and Detonation: Fundamentals and Control. Eds. G.D. Roy, S.M. Frolov, R.W. Netzer, and A.A. Borisov. Moscow, ELEX-KM Publishers, 2001, pp. 223-238. Описанное в этой статье устройство детонационного двигателя, содержащее систему подачи компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, тяговое устройство, резонаторную полость и выходное сопло, наиболее близко к предлагаемому в настоящем изобретении техническому решению, и оно может быть принято за прототип устройства для реализации предлагаемого способа функционирования детонационного двигателя.

Недостатками известного устройства являются, низкие КПД, топливная эффективность, удельная тяга и надежность работы силовой установки

Задачей и техническими результатами заявляемого изобретения являются создание эффективного способа функционирования детонационного двигателя с вращающейся детонацией для получения тяги, обеспечивающего повышение КПД, топливной эффективности, удельной тяги и надежности работы силовой установки.

Решение поставленной задачи и технические результаты достигаются тем, что в предлагаемом способе функционирования детонационного двигателя, содержащем подачу компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, их перемешивание и горение с созданием непрерывной вращающейся волны детонации с последующим истечением продуктов сгорания в тяговое устройство, компоненты топлива предварительно подают в кольцевой коллектор, где осуществляют их перемешивание и подачу в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси. Истечение продуктов сгорания осуществляют к оси тягового устройства, с дополнительным сжатием продуктов сгорания за счет движения их к оси и фокусирования возмущений, отражающихся от стенки тягового устройства, и проводят дожигание.

Технический результат достигается также тем, что компоненты топлива формируют путем предварительной активации углеводородного топлива посредством кислородной конверсии в термохимическом реакторе с получением продуктов конверсии (конвертина) и дополнительной подачи кислорода.

Технический результат достигается также тем, что кислород получают в результате разложения твердотопливного элемента на основе хлоратных или перхлоратных соединений в генераторе кислорода.

Технический результат достигается также тем, что кислород используют для получения конвертина в термохимическом реакторе, и для осуществления процесса детонации в кольцевой камере сгорания.

Технический результат достигается также тем, что отношение расхода кислорода через реактор Gr к расходу кислорода через камеру сгорания Go составляет величину

Технический результат достигается также тем, что горение топлива инициируют электрическим разрядом.

В устройстве для реализации способа функционирования детонационного двигателя, содержащем кольцевую камеру сгорания, систему подачи в нее компонентов топлива, тяговое устройство с отражающей стенкой и выходное сопло, оно дополнительно содержит расположенный на внешней стороне кольцевой камеры сгорания кольцевой топливный коллектор для перемешивания компонентов топлива. Стенка между кольцевым коллектором и кольцевой камерой сгорания имеет отверстия для истечения смешанных компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси.

Технический результат достигается также тем, что система подачи компонентов топлива содержит генератор кислорода, соединенный с кольцевым топливным коллектором, а через трубку Вентури, термохимический реактор и трубопровод продуктов конверсии соединен с противоположной стороной кольцевого топливного коллектора.

Технический результат достигается также тем, что кольцевая камера сгорания в поперечном сечении выполнена прямоугольной.

Технический результат достигается также тем, что отражающая стенка выполнена выпуклой с точки зрения внешнего наблюдателя, например, в форме параболоида.

Технический результат достигается также тем, что отношение площади критического сечения трубки Вентури к площади сечения кислородного трубопровода составляет

Техническая сущность изобретения поясняется описанием и чертежами, где на фиг. 1-3 показаны:

на фиг. 1 - принципиальная схема детонационного двигателя (продольный разрез), реализующего предлагаемый способ.

на фиг. 2 - поперечный разрез детонационного двигателя с вращающейся волной детонации.

на фиг. 3 приведена зависимость коэффициента избытка окислителя в детонационной камере сгорания α_кс от коэффициента избытка окислителя в реакторе α_R.

Детонационный двигатель содержит кольцевую камеру сгорания 1, генератор кислорода 2, термохимический реактор 3, топливный коллектор 4 с отверстиями 5 для подачи горючей смеси, твердотопливный элемент 6, кислородный трубопровод 7, трубопровод продуктов реакции термохимической конверсии 8, трубку Вентури 9, отверстие 10 для подачи углеводородного топлива в реактор, отражающую тяговую стенку 11, резонаторную полость 12 и выходное сопло 13.

В отличие от описанных выше двигателей с вращающейся детонацией, в предлагаемом способе функционирования двигателя компоненты топлива предварительно подают в кольцевой коллектор, где осуществляют их перемешивание и подачу в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси. Истечение продуктов сгорания осуществляют к оси тягового устройства с дополнительным сжатием продуктов сгорания за счет движения их к оси и фокусирования возмущений, отражающихся от стенки тягового устройства, и проводят дожигание.

Отличительными особенностями предлагаемого способа функционирования детонационного двигателя также являются:

1) использование предварительной активации углеводородного топлива посредством его кислородной конверсии в термохимическом реакторе с получением конвертина;

2) использование кислорода для получения конвертина в термохимическом реакторе и для осуществления процесса детонации в кольцевой камере сгорания.

3) отношение расхода кислорода через реактор G_r к расходу кислорода через камеру сгорания G₀₂ и составляет величину .

4) получение кислорода в результате разложения твердотопливного элемента на основе хлоратных или перхлоратных соединений в генераторе кислорода.

Кислородная конверсия углеводородного топлива осуществляется в термохимическом реакторе, причем кислород получают из твердотопливного элемента, размещенного в генераторе кислорода, например, хлората натрия, реакция разложения которого протекает по приближенному уравнению:

В присутствии в твердотопливном элементе других компонентов суммарная реакция протекает экзотермически, так что кислород на выходе из генератора может достигать высоких температур, что и определяет конверсию в термохимическом реакторе, причем отношение расхода кислорода через реактор G_r к расходу кислорода через камеру сгорания G₀ составляет величину .

Конверсия углеводородных топлив приводит к появлению в составе горючей смеси высокоактивных компонентов Н, Н₂, СО в виде конвертина, что обеспечивает снижение времени горения смеси в детонационной камере сгорания.

Получение кислорода методом технологического горения твердотопливных элементов имеет ряд ценных свойств, таких как автономность, постоянная готовность к применению, высокий выход кислорода с единицы массы и объема рабочего вещества, высокая безопасность и надежность при длительном хранении и эксплуатации.

Использование в детонационной камере сгорания топливной смеси в виде продуктов кислородной конверсии в виде конвертина приводит к повышению КПД, топливной эффективности, увеличению идеальной тяги двигателя и улучшению характеристик процесса в детонационной камере сгорания двигателя.

При работе детонационного двигателя запускается генератор кислорода 2, который производит кислород в процессе разложения твердотопливного элемента 6, кислород с высоким давлением и высокой температурой по трубке Вентури 9 поступает в термохимический реактор 3, в который через отверстие 10 подается углеводородное топливо. В реакторе 3 происходит кислородная конверсия и продукты конверсии в виде конвертина по трубопроводу 8 поступают в кольцевой коллектор 4. По трубопроводу 7 с противоположной стороны кольцевого коллектора 4 из генератора кислорода поступает кислород. В кольцевом коллекторе 4 происходит смешение компонентов топлива, которые через отверстия 5 подаются в кольцевую камеру сгорания 1 в радиальном направлении к ее оси. Кольцевая камера сгорания 1 в поперечном сечении выполнена прямоугольной. Горение топлива в кольцевой камере сгорания 1 инициируется электрическим разрядом. Продукты сгорания истекают в радиальном направлении в резонаторную полость 12 с выпуклой отражающей стенкой 11, например, в форме параболоида и через сопло 13 выходят в атмосферу, создавая тягу двигателя.

Как показали исследования реактора, исходя из совокупности основных показателей процесса можно рекомендовать некоторые оптимальные условия работы реактора

Тогда согласно фиг. 3 оптимальному режиму работы реактора соответствует относительный расход кислорода через ректор β≤0,4 (кривые 14, 15, 16)

где F_r - площадь критического сечения трубки Вентури, F_O - площадь сечения трубопровода кислорода.

Исходя из этих условий, выбирается площадь критического сечения трубки Вентури F_R и площадь сечения трубопровода кислорода F₀.

Предложенный способ функционирования детонационного двигателя и двигательное устройство для его реализации позволяют обеспечить повышение КПД, топливной эффективности, удельной тяги и надежности работы силовой установки, а также возможности реализации вращающейся детонации в ракетных двигателях.

1. Способ функционирования детонационного двигателя, содержащий подачу компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, их перемешивание и горение с созданием непрерывной вращающейся волны детонации с последующим истечением продуктов сгорания в тяговое устройство, отличающийся тем, что компоненты топлива предварительно подают в кольцевой коллектор, где осуществляют их перемешивание и подачу в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси, истечение продуктов сгорания осуществляют к оси тягового устройства с дополнительным сжатием продуктов сгорания за счет движения их к оси и фокусирования возмущений, отражающихся от стенки тягового устройства, и проводят дожигание.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компоненты топлива формируют путем предварительной активации углеводородного топлива посредством кислородной конверсии в термохимическом реакторе с получением продуктов конверсии и дополнительной подачи кислорода.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что кислород получают в результате разложения твердотопливного элемента на основе хлоратных или перхлоратных соединений в генераторе кислорода.

4. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что кислород используют для получения продуктов конверсии в термохимическом реакторе и для осуществления процесса детонации в кольцевой камере сгорания.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что отношение расхода кислорода через реактор G_R к расходу кислорода через камеру сгорания G₀₂ составляет величину

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горение топлива инициируют электрическим разрядом.

7. Устройство для реализации способа функционирования детонационного двигателя, содержащее кольцевую камеру сгорания, систему подачи в нее компонентов топлива, тяговое устройство с отражающей стенкой и выходное сопло, отличающееся тем, что дополнительно содержит расположенный на внешней стороне кольцевой камеры сгорания кольцевой топливный коллектор для перемешивания компонентов топлива, причем стенка между кольцевым коллектором и кольцевой камерой сгорания имеет отверстия для истечения смешанных компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что система подачи компонентов топлива содержит генератор кислорода, соединенный с кольцевым топливным коллектором, а через трубку Вентури, термохимический реактор и трубопровод продуктов конверсии соединен с противоположной стороной кольцевого топливного коллектора.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что кольцевая камера сгорания в поперечном сечении выполнена прямоугольной.

10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что отношение площади критического сечения трубки Вентури к площади сечения кислородного трубопровода составляет