RU2706870C1

RU2706870C1 - Air-jet detonation engine on solid fuel and method of its operation

Info

Publication number: RU2706870C1
Application number: RU2019105113A
Authority: RU
Inventors: Сергей Михайлович Фролов; Виктор Серафимович Аксёнов; Игорь Олегович Шамшин; Сергей Александрович Набатников; Константин Алексеевич Авдеев; Надежда Сергеевна Шулакова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Новые физические принципы"
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2019-11-21

Abstract

FIELD: aviation.

SUBSTANCE: invention relates to power plants of aircraft for various purposes operating on solid fuel (for example, synthetic polymer). Method of detonation combustion of pyrolysis gases in combustion chamber of air-jet engine, at that jet reactor throttling involves blowdown of pyrolyser reactor with granulated solid fuel by high-temperature or low-temperature gases from gas generator. Combustion of pyrolysis gases mixture with air in combustion chamber takes place in detonation wave, providing heat flow to pyrolysis reactor from combustion chamber, sufficient to achieve required rate of pyrolysis gases formation in this or that operating mode, and sufficient for reliable cooling of combustion chamber design elements due to endothermic pyrolysis of granular solid fuel. Method is realized in a device in which the pyrolyser reactor is separated from the annular combustion chamber by a wall made from a material with high heat conductivity. Inside the pyrolysis reactor there is a heat exchange frame made of material with high heat conductivity and in thermal contact with the wall separating the pyrolysis reactor from the annular combustion chamber. Granulated solid fuel in pyrolyser reactor is in thermal contact both with wall separating reactor-pyrolyser from annular combustion chamber, and with elements of heat exchange frame.

EFFECT: invention enables to obtain pyrolysis products with phase and chemical composition required for self-sustained detonation combustion and reliable cooling of combustion chamber design elements.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к силовым установкам летательных аппаратов различного назначения (беспилотных летательных аппаратов, летающих мишеней и т.п.), работающим на твердом топливе (например, синтетическом полимере).The invention relates to power plants of aircraft for various purposes (unmanned aerial vehicles, flying targets, etc.), operating on solid fuel (for example, synthetic polymer).

Главная проблема, стоящая на пути создания практических воздушно-реактивных двигателей, работающих на твердом топливе, заключается в необходимости обеспечения быстрой газификации (пиролиза) твердого топлива и последующего быстрого и полного сгорания образованной топливно-воздушной смеси в условиях полета с высокими скоростями, а также надежного охлаждения конструкции двигателя. Например, при пиролизе синтетического полимера, как правило, образуются газообразные и конденсированные продукты пиролиза: неконденсируемые пиролизные газы, конденсируемые пиролизные газы (жидкая фракция) и коксовый остаток, а сам процесс пиролиза представляет собой сложный комплекс протекающих одновременно последовательных и параллельных, как правило, эндотермических превращений. Реакции, протекающие при пиролизе, разделяют на первичные с разрывом полимерной цепи и с образованием свободного радикала и двойной связи, и вторичные, при которых взаимодействуют между собой продукты первичного распада. Хроматомасс-спектрометрический анализ жидкой фракции продуктов пиролиза показывает, что основными продуктами являются непредельные разветвленные углеводороды (алкены и диены) С₈-С₂₈, образующиеся в результате первичных реакций. Их содержание в жидкой фракции может составлять до 80%. Кроме того, идентифицируются группы соединений, образовавшиеся в результате вторичных реакций циклизации и конденсации: цикл о диены, циклоалкены, алкилбензолы и полициклические ароматические углеводороды. Поэтому для решения указанной проблемы предлагается использование детонационного горения (непрерывно-детонационного, продольно-пульсирующего или импульсно-детонационного) пиролизных газов, обеспечивающего высокую теплонапряженность рабочего процесса и относительно слабую чувствительность к типу применяемого топлива (см. Фролов С.М., Звегинцев В.И., Иванов В.С, Аксенов В.С, Шамшин И.О., Внучков Д.А., Наливайченко Д.Г., Берлин А.А., Фомин В.М., Шиплюк А.Н., Яковлев Н.Н. Модель детонационного прямоточного воздушно-реактивного двигателя: испытания в аэродинамической трубе при обтекании воздушным потоком с числом Маха 5,7 и температурой торможения 1500 К. Горение и взрыв, 2018, том 11, №1, с. 54-62).The main problem facing the creation of practical solid-propellant air-jet engines is the need to ensure rapid gasification (pyrolysis) of solid fuel and subsequent rapid and complete combustion of the formed fuel-air mixture in flight conditions at high speeds, as well as reliable cooling engine design. For example, during the pyrolysis of a synthetic polymer, as a rule, gaseous and condensed pyrolysis products are formed: non-condensable pyrolysis gases, condensable pyrolysis gases (liquid fraction) and coke residue, and the pyrolysis process itself is a complex set of simultaneously sequential and parallel, usually endothermic transformations. The reactions occurring during pyrolysis are divided into primary reactions with a polymer chain breaking and with the formation of a free radical and a double bond, and secondary reactions in which primary decomposition products interact with each other. Chromatomass spectrometric analysis of the liquid fraction of the pyrolysis products shows that the main products are unsaturated branched hydrocarbons (alkenes and dienes) C ₈ -C ₂₈ formed as a result of primary reactions. Their content in the liquid fraction can be up to 80%. In addition, groups of compounds formed as a result of secondary cyclization and condensation reactions are identified: o dienes, cycloalkenes, alkylbenzenes and polycyclic aromatic hydrocarbons. Therefore, to solve this problem, it is proposed to use detonation combustion (continuous-detonation, longitudinally pulsating or pulse-detonation) pyrolysis gases, which provides high heat stress of the working process and relatively low sensitivity to the type of fuel used (see Frolov S.M., Zvegintsev V. I., Ivanov V.S., Aksenov V.S., Shamshin I.O., Vnuchkov D.A., Nalyvaychenko D.G., Berlin A.A., Fomin V.M., Shiplyuk A.N., Yakovlev NN Model of a detonation ramjet engine: tests in a wind tunnel at a flow of an air stream with a Mach number of 5.7 and a temperature of 1500 K. braking combustion and explosion, 2018, Volume 11, №1, pp. 54-62).

Предшествующий уровень техникиState of the art

Известны способ и устройство, предложенные в патенте RU 2565131 C1, F02K 7/10 (2006.1), F02K 9/64 (2006.1), 20.10.2015. Способ функционирования устройства включает разгон посредством стартовой ступени до заданных параметров скорости и высоты, неполное торможение воздушного потока в воздухозаборнике, низкотемпературную газификацию твердого горючего в газогенераторе, высокотемпературное разложение продуктов газификации в охлаждающем тракте, смешение воздуха и продуктов разложения, воспламенение и сжигание смеси в камере дожигания, расширение продуктов сгорания в сопле. Устройство содержит воздухозаборник, газогенератор с зарядом твердого горючего в отдельном корпусе, камеру дожигания и сопло. К недостаткам способа и устройства следует отнести внешнее расположение газогенератора, что требует дополнительного источника тепла для поддержания температурного режима газогенератора.The known method and device proposed in the patent RU 2565131 C1, F02K 7/10 (2006.1), F02K 9/64 (2006.1), 10.20.2015. The method of operation of the device includes accelerating by means of the starting stage to the specified speed and altitude parameters, incomplete braking of the air flow in the air intake, low-temperature gasification of solid fuel in the gas generator, high-temperature decomposition of gasification products in the cooling path, mixing of air and decomposition products, ignition and burning of the mixture in the afterburner , expansion of combustion products in the nozzle. The device comprises an air intake, a gas generator with a charge of solid fuel in a separate housing, a afterburner and a nozzle. The disadvantages of the method and device include the external location of the gas generator, which requires an additional heat source to maintain the temperature regime of the gas generator.

Известно устройство, предложенное в патенте RU 2439358 С2, F02K 7/18 (2006.1), 10.01.2012. Устройство - прямоточный воздушно-реактивный двигатель на металлическом порошкообразном горючем - содержит систему запуска двигателя, систему подачи горючего, включающую топливный бак с металлическим порошкообразным горючим и перфорированным поршнем, камеру сгорания. В корпусе двигателя установлен газогенератор, обеспечивающий запуск системы подачи порошкообразного металлического горючего. Камера сгорания состоит из форкамеры, воспламенителя и камеры окончательного дожигания топлива. Форкамера и камера окончательного дожигания имеют каналы для подачи воздуха. В форкамере воздушный поток обеспечивает полноту газификации взвеси с коэффициентом избытка воздуха от 0,15 до 0,3. К недостаткам способа и устройства следует отнести необходимость постоянной работы газогенератора, обеспечивающего образование порошковой взвеси и ее вытеснение в форкамеру, что требует значительного запаса топлива и окислителя для работы газогенератора в случае длительного полета.A device is known, proposed in patent RU 2439358 C2, F02K 7/18 (2006.1), 01/10/2012. The device is a ramjet engine on a metal powder fuel - contains an engine start system, a fuel supply system including a fuel tank with a metal powder fuel and a perforated piston, a combustion chamber. A gas generator is installed in the engine casing, which enables the start-up of the powder metal fuel supply system. The combustion chamber consists of a pre-chamber, an igniter and a final fuel combustion chamber. The prechamber and afterburner have air ducts. In the prechamber, the air flow ensures the completeness of gasification of the suspension with a coefficient of excess air from 0.15 to 0.3. The disadvantages of the method and device include the need for continuous operation of the gas generator, ensuring the formation of powder suspension and its displacement in the prechamber, which requires a significant supply of fuel and an oxidizing agent for the gas generator to work in the case of a long flight.

Известно устройство, предложенное в патенте RU 2627310 C1, F02K 7/10 (2006.1), 07.08.2017. Устройство - прямоточный воздушно-реактивный двигатель с газогенератором открытого типа и регулируемым расходом твердого топлива - содержит воздухозаборник, систему подачи твердого топлива в камеру сгорания, газогенератор, камеру сгорания и установленный на выходе из камеры сгорания профилированный сопловой насадок. Газогенератор выполнен в виде барабана со сквозными продольными каналами, в которых размещены заряды твердого топлива с возможностью их перемещения в камеру сгорания. При этом барабан соединен с кольцевой перфорированной решеткой, отверстия которой направляют воздушный поток на поверхность зарядов твердого топлива. Основной недостаток устройства - использование пневмомеханического или гидромеханического устройства подачи твердого топлива, что усложняет конструкцию и, как следствие, снижает ее надежность.A device is known, proposed in patent RU 2627310 C1, F02K 7/10 (2006.1), 08/07/2017. The device is a ramjet engine with an open type gas generator and an adjustable solid fuel flow rate; it contains an air intake, a system for supplying solid fuel to the combustion chamber, a gas generator, a combustion chamber, and a profiled nozzle mounted at the outlet of the combustion chamber. The gas generator is made in the form of a drum with through longitudinal channels in which solid fuel charges are placed with the possibility of their movement into the combustion chamber. In this case, the drum is connected to an annular perforated lattice, the openings of which direct the air flow to the surface of solid fuel charges. The main disadvantage of the device is the use of a pneumomechanical or hydromechanical device for supplying solid fuel, which complicates the design and, as a result, reduces its reliability.

Известно устройство, предложенное в патенте RU 2315193 C1, F02K 7/18 (2006.1), 20.01.2008. Устройство - прямоточный воздушно-реактивный двигатель с распределенным по длине тепломассоподводом - содержит воздухозаборник, газогенератор с топливом, камеру сгорания с блоком горючего и выходное сопло. В камере сгорания установлены подсоединенные к блоку управления топливонесущие секции с соплами для истечения топливных струй из внутренних полостей секций во внутреннее пространство камеры сгорания. В каждой топливонесущей секции сопла распределены по периметру камеры сгорания, а их оси направлены под углом от 90° до 0° к оси камеры сгорания. В разных топливонесущих секциях размещены заряды топлив, различные по химическому составу и агрегатному состоянию. Одна или несколько топливонесущих секций установлены в сужающейся (дозвуковой) части выходного сопла двигателя. Основной недостаток устройства - сложность конструкции, что снижает его надежность.A device is known, proposed in patent RU 2315193 C1, F02K 7/18 (2006.1), 01/20/2008. The device is a ramjet engine with a heat and mass distribution distributed along the length of the device; it contains an air intake, a gas generator with fuel, a combustion chamber with a fuel block, and an output nozzle. In the combustion chamber, fuel-carrying sections connected to the control unit with nozzles are installed for the flow of fuel jets from the internal cavities of the sections into the internal space of the combustion chamber. In each fuel-carrying section, the nozzles are distributed around the perimeter of the combustion chamber, and their axes are directed at an angle from 90 ° to 0 ° to the axis of the combustion chamber. Different fuel-carrying sections contain fuel charges that differ in chemical composition and state of aggregation. One or more fuel-carrying sections are installed in the tapering (subsonic) part of the engine output nozzle. The main disadvantage of the device is the complexity of the design, which reduces its reliability.

Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности являются прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом топливе и способ функционирования двигателя, предложенные в статье «Испытания ПВРД твердого топлива с измерением тяговых характеристик в аэродинамических установках» / Д.А. Внучков, В.И. Звегинцев, Д.Г. Наливайченко, В.И. Смоляга, А.В. Степанов // Теплофизика и аэромеханика, 2018, №4, стр. 629-635.Closest to the proposed invention by technical essence are a ramjet solid-fuel jet engine and a method of engine operation, proposed in the article "Tests of solid fuel ramjet with measuring traction characteristics in aerodynamic installations" / D.A. Vnuchkov, V.I. Zvegintsev, D.G. Nalyvaichenko, V.I. Smolyaga, A.V. Stepanov // Thermophysics and Aeromechanics, 2018, No. 4, pp. 629-635.

Способ-прототип функционирования устройства-прототипа включает разгон устройства-прототипа посредством стартовой ступени до заданных параметров скорости и высоты, организацию горения смеси горючего с окислителем в газогенераторе, пиролиз твердого топлива, смешение воздуха с пиролизным газом, включающим газы из газогенератора, воспламенение и горение образованной смеси в камере сгорания и расширение продуктов горения в сопле для создания реактивной тяги.The prototype method of the functioning of the prototype device includes accelerating the prototype device through the starting stage to the specified speed and altitude parameters, organizing the combustion of the fuel mixture with the oxidizing agent in the gas generator, pyrolysis of solid fuel, mixing air with pyrolysis gas, including gases from the gas generator, ignition and combustion of mixtures in the combustion chamber and expansion of the combustion products in the nozzle to create reactive thrust.

Устройство-прототип содержит сверхзвуковой воздухозаборник, камеру сгорания с центральным телом с встроенным газогенератором, снабженным реактором-пиролизером, газовым коллектором и поясом радиальных отверстий для подачи газов из газогенератора в камеру сгорания с центральным телом, и реактивное сопло. К недостаткам устройства-прототипа следует отнести: (1) необходимость иметь на борту летательного аппарата такое количество горючего и окислителя, которое требуется для непрерывной работы газогенератора, обеспечивающего подвод тепла для эндотермического процесса пиролиза твердого топлива в реакторе-пиролизере; (2) пиролиз твердого топлива в реакторе-пиролизере происходит только благодаря поступлению тепла от газов из газогенератора; (3) пиролизные газы, поступающие в камеру сгорания, всегда разбавлены газами из газогенератора.The prototype device contains a supersonic air intake, a combustion chamber with a central body with a built-in gas generator, equipped with a pyrolysis reactor, a gas manifold and a belt of radial openings for supplying gases from the gas generator to the combustion chamber with a central body, and a jet nozzle. The disadvantages of the prototype device include: (1) the need to have on board the aircraft the amount of fuel and oxidizer that is required for continuous operation of the gas generator, providing heat for the endothermic process of pyrolysis of solid fuel in the pyrolyzer reactor; (2) the pyrolysis of solid fuel in a pyrolysis reactor occurs only due to the heat from gases from the gas generator; (3) The pyrolysis gases entering the combustion chamber are always diluted with the gases from the gas generator.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задача изобретения - создание способа организации детонационного горения пиролизных газов в камере сгорания воздушно-реактивного двигателя, который обеспечит (1) получение продуктов пиролиза с фазовым и химическим составом, требуемым для самоподдерживающегося детонационного горения и (2) надежное охлаждение элементов конструкции камеры сгорания.The objective of the invention is the creation of a method for organizing detonation combustion of pyrolysis gases in the combustion chamber of an aircraft engine, which will provide (1) the production of pyrolysis products with the phase and chemical composition required for self-sustaining detonation combustion and (2) reliable cooling of the structural elements of the combustion chamber.

Задача изобретения - создание устройства для осуществления способа организации детонационного горения пиролизных газов в камере сгорания воздушно-реактивного двигателя, который обеспечит (1) получение продуктов пиролиза с фазовым и химическим составом, требуемым для самоподдерживающегося детонационного горения и (2) надежное охлаждение элементов конструкции камеры сгорания.The objective of the invention is to provide a device for implementing a method for organizing detonation combustion of pyrolysis gases in a combustion chamber of an air-jet engine, which will provide (1) the production of pyrolysis products with the phase and chemical composition required for self-sustaining detonation combustion and (2) reliable cooling of the structural elements of the combustion chamber .

Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:The solution to this problem is achieved by the proposed:

- способом, включающим продувку реактора-пиролизера с твердым топливом газами из газогенератора, пиролиз твердого топлива в реакторе-пиролизере с образованием пиролизных газов, подачу пиролизных газов из реактора-пиролизера в камеру сгорания и их смешение с атмосферным воздухом, поступающим в камеру сгорания, с последующим сгоранием образованной горючей смеси в камере сгорания и истечением продуктов горения из камеры сгорания в атмосферу в виде реактивной струи, создающей реактивную тягу, в котором твердое топливо гранулировано, продувка реактора-пиролизера с твердым топливом газами из газогенератора используется только для дросселирования реактивной тяги путем перевода реактора-пиролизера на тот или иной рабочий режим с требуемой скоростью образования пиролизных газов, а при нарушении того или иного рабочего режима реактора-пиролизера - для его восстановления, причем требуемая скорость образования пиролизных газов в реакторе-пиролизере на рабочем режиме обеспечивается благодаря потоку тепла в реактор-пиролизер из камеры сгорания, находящейся в тепловом контакте с реактором-пиролизером, а сгорание смеси пиролизных газов с воздухом в камере сгорания происходит в детонационной волне, что обеспечивает поток тепла в реактор-пиролизер из камеры сгорания, достаточный для достижения требуемой скорости образования пиролизных газов в реакторе-пиролизере на том или ином рабочем режиме, а также достаточный для надежного охлаждения элементов конструкции камеры сгорания за счет эндотермического пиролиза гранулированного твердого топлива.- a method comprising flushing a solid fuel pyrolyzer reactor with gases from a gas generator, pyrolyzing solid fuel in a pyrolysis reactor to form pyrolysis gases, supplying pyrolysis gases from the pyrolysis reactor to the combustion chamber and mixing them with atmospheric air entering the combustion chamber, with subsequent combustion of the formed combustible mixture in the combustion chamber and the expiration of combustion products from the combustion chamber into the atmosphere in the form of a jet stream creating a jet propulsion in which solid fuel is granulated The injection of a solid fuel pyrolyzer reactor from the gas generator is used only for throttling reactive thrust by transferring the pyrolyzer reactor to one or another operating mode with the required rate of pyrolysis gas formation, and if one or another operating mode of the pyrolyzer reactor is violated, to restore it, moreover, the required rate of formation of pyrolysis gases in the pyrolyzer reactor in the operating mode is ensured by the flow of heat into the pyrolyzer reactor from the combustion chamber in thermal contact f with a pyrolyzer reactor, and the mixture of pyrolysis gases with air in the combustion chamber is burned in a detonation wave, which provides a heat flux into the pyrolyzer reactor from the combustion chamber, sufficient to achieve the required rate of pyrolysis gas formation in the pyrolyzer reactor at one or another working mode, as well as sufficient for reliable cooling of the structural elements of the combustion chamber due to the endothermic pyrolysis of granular solid fuel.

- устройством, содержащим сверхзвуковой воздухозаборник, камеру сгорания с центральным телом с встроенным газогенератором, снабженным реактором-пиролизером, газовым коллектором и поясом радиальных отверстий для подачи газов в камеру сгорания с центральным телом, и реактивное сопло, в котором реактор-пиролизер, встроенный в центральное тело и установленный между газогенератором и газовым коллектором, заполнен гранулированным твердым топливом, а реактор-пиролизер и газогенератор сообщаются друг с другом через расширяющийся канал, а реактор-пиролизер и газовый коллектор - через перфорированную перегородку, причем реактор-пиролизер отделен от кольцевой камеры сгорания стенкой, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, и граничит с той областью кольцевой камеры сгорания, где в основном происходит тепловыделение в детонационной волне, а внутри реактора-пиролизера расположен теплообменный каркас, выполненный из материала с высокой теплопроводностью и находящийся в тепловом контакте со стенкой, отделяющей реактор-пиролизер от кольцевой камеры сгорания, а гранулированное твердое топливо в реакторе-пиролизере находится в тепловом контакте как со стенкой, отделяющей реактор-пиролизер от кольцевой камеры сгорания, так и с элементами теплообменного каркаса, а кольцевая камера сгорания снабжена инициатором детонации, имеющим любую известную конструкцию.- a device containing a supersonic air intake, a combustion chamber with a central body with an integrated gas generator equipped with a pyrolysis reactor, a gas manifold and a belt of radial openings for supplying gases to the combustion chamber with a central body, and a jet nozzle in which a pyrolyzer reactor is integrated in the central the body and installed between the gas generator and the gas collector is filled with granular solid fuel, and the pyrolyzer reactor and gas generator communicate with each other through an expanding channel, and a ctor pyrolyzer and a gas collector through a perforated baffle, the pyrolyzer reactor being separated from the annular combustion chamber by a wall made of a material with high thermal conductivity, and is adjacent to the region of the annular combustion chamber where heat is generated in the detonation wave mainly and inside the reactor the pyrolyzer is located heat exchange frame made of a material with high thermal conductivity and is in thermal contact with the wall separating the pyrolyzer reactor from the annular combustion chamber, and gr the annulled solid fuel in the pyrolyzer reactor is in thermal contact with both the wall separating the pyrolyzer reactor from the annular combustion chamber and the elements of the heat exchange frame, and the annular combustion chamber is equipped with a knock initiator having any known construction.

Теплообменный каркас может быть выполнен в виде сборки из поперечных перфорированных дисков и продольных стержней, находящихся в тепловом контакте друг с другом и со стенкой, отделяющей реактор-пиролизер от кольцевой камеры сгорания.The heat exchange frame can be made in the form of an assembly of transverse perforated disks and longitudinal rods in thermal contact with each other and with the wall separating the pyrolyzer reactor from the annular combustion chamber.

Газогенератор может иметь любую известную конструкцию, обеспечивающую генерацию как низкотемпературных, так и высокотемпературных газов в температурном диапазоне, требуемом для дросселирования тяги предлагаемого устройства.The gas generator may be of any known design that provides the generation of both low-temperature and high-temperature gases in the temperature range required for throttling the thrust of the proposed device.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 приведена схема устройства воздушно-реактивного детонационного двигателя на твердом топливе с детонационным горением смеси пиролизных газов с воздухом: 1 - кольцевая камера сгорания, 2 - центральное тело, 3 - корпус, 4 - сверхзвуковой воздухозаборник, 5 - реактивное сопло, 6 - реактор-пиролизер, 7 - газогенератор, 8 - газовый коллектор, 9 - пояс радиальных отверстий, 10 - расширяющийся канал, 11 - перфорированная перегородка, 12 - стенка, 13 - теплообменный каркас, 14 - поперечный перфорированный диск, 15 - продольный стержень, ГТТ - гранулированное твердое топливо, ПГ - пиролизные газы, ИД -инициатор детонации, ДВ - детонационная волна, А - область кольцевой камеры сгорания (1), где в основном происходит тепловыделение в детонационной волне.In FIG. 1 shows a diagram of a device for an air-reactive detonation engine based on solid fuel with detonation combustion of a mixture of pyrolysis gases with air: 1 - an annular combustion chamber, 2 - a central body, 3 - a housing, 4 - a supersonic air intake, 5 - a jet nozzle, 6 - a reactor pyrolyzer, 7 - gas generator, 8 - gas manifold, 9 - radial hole belt, 10 - expanding channel, 11 - perforated partition, 12 - wall, 13 - heat transfer frame, 14 - transverse perforated disk, 15 - longitudinal rod, GTT - granular solid then livo, PG - pyrolysis gases ID -initsiator detonation ET - detonation wave, A - an annular region of the combustion chamber (1), wherein the heat dissipation occurs mainly in a detonation wave.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства с детонационным горением смеси пиролизных газов твердого топлива с воздухом.In FIG. 1 is a diagram of the proposed device with detonation combustion of a mixture of pyrolysis gases of solid fuel with air.

Основной элемент устройства - кольцевая камера сгорания (1), образованная центральным телом (2) и корпусом (3), снабженная инициатором детонации (ИД). К входному сечению кольцевой камеры сгорания (1) присоединен сверхзвуковой воздухозаборник (4). К выходному сечению кольцевой камеры сгорания (1) присоединено реактивное сопло (5). В центральное тело (2) встроены реактор-пиролизер (6) с гранулированным твердым топливом (ГТТ), газогенератор (7) и газовый коллектор (8), снабженный поясом радиальных отверстий (9) для подачи газа в кольцевую камеру сгорания (1). Реактор-пиролизер (6) установлен между газогенератором (7) и газовым коллектором (8). Реактор-пиролизер (6) и газогенератор (7) сообщаются друг с другом через расширяющийся канал (10). Реактор-пиролизер (6) и газовый коллектор (8) сообщаются друг с другом через перфорированную перегородку (11). Реактор-пиролизер (6) отделен от кольцевой камеры сгорания (1) стенкой (12), выполненной из материала с высокой теплопроводностью, и граничит с областью (А) кольцевой камеры сгорания (1), где в основном происходит тепловыделение в детонационной волне (ДВ). Внутри реактора-пиролизера (6) расположен теплообменный каркас (13), выполненный из материала с высокой теплопроводностью и находящийся в тепловом контакте со стенкой (12), отделяющей реактор-пиролизер (6) от кольцевой камеры сгорания (1). Гранулированное твердое топливо (ГТТ) в реакторе-пиролизере (6) находится в тепловом контакте как со стенкой (12), отделяющей реактор-пиролизер (6) от кольцевой камеры сгорания (1), так и с элементами теплообменного каркаса (13).The main element of the device is an annular combustion chamber (1), formed by the central body (2) and the housing (3), equipped with a knock initiator (ID). A supersonic air intake (4) is connected to the input section of the annular combustion chamber (1). A jet nozzle (5) is connected to the output section of the annular combustion chamber (1). A pyrolyzer reactor (6) with granular solid fuel (GTT), a gas generator (7) and a gas manifold (8) equipped with a belt of radial openings (9) for supplying gas to the annular combustion chamber (1) are built into the central body (2). The pyrolyzer reactor (6) is installed between the gas generator (7) and the gas manifold (8). The pyrolyzer reactor (6) and the gas generator (7) communicate with each other through an expanding channel (10). The pyrolyzer reactor (6) and the gas manifold (8) communicate with each other through a perforated partition (11). The pyrolyzer reactor (6) is separated from the annular combustion chamber (1) by a wall (12) made of a material with high thermal conductivity, and borders on the region (A) of the annular combustion chamber (1), where mainly heat is generated in the detonation wave (LW) ) Inside the pyrolyzer reactor (6) there is a heat exchange frame (13) made of a material with high thermal conductivity and in thermal contact with the wall (12) separating the pyrolyzer reactor (6) from the annular combustion chamber (1). Granular solid fuel (GTT) in the pyrolyzer reactor (6) is in thermal contact with both the wall (12) separating the pyrolyzer reactor (6) from the annular combustion chamber (1) and with the elements of the heat exchange frame (13).

Теплообменный каркас (13) может быть выполнен в виде сборки из поперечных перфорированных дисков (14) и продольных стержней (15), находящихся в тепловом контакте друг с другом и со стенкой (12), отделяющей реактор-пиролизер (6) от кольцевой камеры сгорания (1).The heat exchange frame (13) can be made in the form of an assembly of transverse perforated disks (14) and longitudinal rods (15) that are in thermal contact with each other and with the wall (12) separating the pyrolyzer reactor (6) from the annular combustion chamber (one).

Газогенератор (7) может иметь любую известную конструкцию, обеспечивающую генерацию как низкотемпературных, так и высокотемпературных газов в температурном диапазоне, требуемом для дросселирования тяги предлагаемого устройства.The gas generator (7) may have any known design that provides the generation of both low-temperature and high-temperature gases in the temperature range required for throttling the thrust of the proposed device.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Устройство (фиг. 1) разгоняется до требуемой сверхзвуковой скорости полета любым известным способом, так что атмосферный воздух проходит через сверхзвуковой воздухозаборник (4), кольцевую камеру сгорания (1) и выходит из устройства через реактивное сопло (5). Устройство запускается включением газогенератора (7), который генерирует высокотемпературную газовую струю. Газы из газогенератора (7) направляются в реактор-пиролизер (6), заполненный гранулированным твердым топливом, через расширяющийся канал (10), соединяющий газогенератор (7) и реактор-пиролизер (6). Расширяющийся канал (10) обеспечивает равномерность потока газов из газогенератора (7) на входе в реактор-пиролизер (6). Проходя через гранулированное твердое топливо, газы из газогенератора (7) равномерно разогревают твердое топливо и поступают через перфорированную перегородку (11) сначала в газовый коллектор (8), а затем в кольцевую камеру сгорания (1) через пояс радиальных отверстий (9) для подачи газов в кольцевую камеру сгорания (1), где смешиваются с воздухом и истекают из кольцевой камеры сгорания (1) в атмосферу через реактивное сопло (5). Перфорированная перегородка (11) предназначена для отделения неконденсируемых пиролизных газов от коксового остатка и жидкой фракции конденсируемых пиролизных газов, образующихся при пиролизе гранулированного твердого топлива. Пояс радиальных отверстий (9) для подачи газов в кольцевую камеру сгорания (1) обеспечивает быстрое и равномерное смешение газов с воздухом. Разогрев гранулированного твердого топлива газами из газогенератора (7) приводит к пиролизу твердого топлива с выделением пиролизных газов, которые поступают в кольцевую камеру сгорания (1) вместе с газами из газогенератора (7), смешиваются с воздухом и истекают из кольцевой камеры сгорания (1) в атмосферу через реактивное сопло (5). Газогенератор (7) работает до тех пор, пока скорость образования пиролизных газов не достигнет значения, требуемого для того или иного рабочего режима реактора-пиролизера (6). Рабочий режим реактора-пиролизера (6) определяется средней температурой стенок реактора-пиролизера (6) и элементов теплообменного каркаса (13). По достижении требуемого значения скорости образования пиролизных газов в реакторе-пиролизере (6) газогенератор (7) отключается и в кольцевой камере сгорания (1) инициируется самоподдерживающееся детонационное горение смеси пиролизных газов с воздухом. Инициирование детонационного горения и само детонационное горение осуществляются в соответствии с принципом, изложенным в патенте WO 2014/129920 А1, Устройство для сжигания топлива в непрерывной детонационной волне, F23R 7/00 (2006.01), опубликованном 28.08.2014 (авторы Фролов С.М., Фролов Ф.С.). Самоподдерживающееся детонационное горение смеси пиролизных газов с воздухом в кольцевой камере сгорания (1) сопровождается значительным тепловыделением и обеспечивает ускорение продуктов горения по направлению к реактивному соплу (5) и создание реактивной тяги, а также приводит к разогреву стенки (12), отделяющей кольцевую камеру сгорания (1) от реактора-пиролизера (6), который встроен в центральное тело (2) устройства и граничит с областью (А) кольцевой камеры сгорания (1), где в основном происходит тепловыделение в детонационной волне. Ввиду того, что температура продуктов горения в области (А) кольцевой камеры сгорания (1) значительно превышает среднюю температуру стенки (12) реактора-пиролизера (6) и элементов теплообменного каркаса (13), из кольцевой камеры сгорания (1) в реактор-пиролизер (6) поступает поток тепла, достаточный для обеспечения скорости образования пиролизных газов в реакторе-пиролизере (6), требуемой для того или иного рабочего режима реактора-пиролизера (6). Тому или иному режиму работы реактора-пиролизера (6) соответствуют определенный расход пиролизных газов через кольцевую камеру сгорания (1) и определенная величина реактивной тяги, развиваемой предлагаемым устройством, т.е. изменение режима работы реактора-пиролизера (6) обеспечивает дросселирование тяги предлагаемого устройства.The device (Fig. 1) accelerates to the required supersonic flight speed by any known method, so that atmospheric air passes through a supersonic air intake (4), an annular combustion chamber (1) and leaves the device through a jet nozzle (5). The device is started by turning on the gas generator (7), which generates a high-temperature gas stream. Gases from the gas generator (7) are sent to the pyrolyzer reactor (6) filled with granular solid fuel through an expanding channel (10) connecting the gas generator (7) and the pyrolyzer reactor (6). The expanding channel (10) ensures uniform gas flow from the gas generator (7) at the inlet to the pyrolyzer reactor (6). Passing through granular solid fuel, the gases from the gas generator (7) uniformly heat the solid fuel and enter through the perforated baffle (11) first into the gas manifold (8) and then into the annular combustion chamber (1) through the belt of radial openings (9) for supplying gases into the annular combustion chamber (1), where they are mixed with air and flow from the annular combustion chamber (1) into the atmosphere through a jet nozzle (5). The perforated partition (11) is designed to separate non-condensable pyrolysis gases from the coke residue and the liquid fraction of condensed pyrolysis gases generated during the pyrolysis of granular solid fuel. The belt of radial openings (9) for supplying gases to the annular combustion chamber (1) provides a quick and uniform mixing of gases with air. The heating of granular solid fuel with gases from the gas generator (7) leads to the pyrolysis of solid fuel with the release of pyrolysis gases that enter the annular combustion chamber (1) together with the gases from the gas generator (7), mix with air and flow out of the annular combustion chamber (1) into the atmosphere through a jet nozzle (5). The gas generator (7) operates until the rate of pyrolysis gas formation reaches the value required for a particular operating mode of the pyrolysis reactor (6). The operating mode of the pyrolyzer reactor (6) is determined by the average temperature of the walls of the pyrolyzer reactor (6) and the elements of the heat exchange frame (13). Upon reaching the desired value of the rate of formation of pyrolysis gases in the pyrolysis reactor (6), the gas generator (7) is turned off and in the annular combustion chamber (1) self-sustaining detonation combustion of the mixture of pyrolysis gases with air is initiated. The initiation of detonation combustion and the detonation combustion itself is carried out in accordance with the principle set forth in patent WO 2014/129920 A1, Device for burning fuel in a continuous detonation wave, F23R 7/00 (2006.01), published on 08/28/2014 (authors Frolov S.M. , Frolov F.S.). Self-sustaining detonation combustion of a mixture of pyrolysis gases with air in the annular combustion chamber (1) is accompanied by significant heat generation and provides acceleration of the combustion products towards the jet nozzle (5) and the creation of reactive thrust, and also leads to heating of the wall (12) separating the annular combustion chamber (1) from the pyrolyzer reactor (6), which is built into the central body (2) of the device and borders on the region (A) of the annular combustion chamber (1), where heat is mainly generated in the detonation wave. Due to the fact that the temperature of the combustion products in the region (A) of the annular combustion chamber (1) significantly exceeds the average temperature of the wall (12) of the pyrolyzer reactor (6) and the elements of the heat transfer frame (13), from the annular combustion chamber (1) to the reactor the pyrolyzer (6) receives a heat flux sufficient to ensure the rate of formation of pyrolysis gases in the pyrolyzer reactor (6) required for a particular operating mode of the pyrolysis reactor (6). One or another operating mode of the pyrolysis reactor (6) corresponds to a certain flow rate of pyrolysis gases through an annular combustion chamber (1) and a certain amount of reactive thrust developed by the proposed device, i.e. changing the operating mode of the pyrolyzer reactor (6) provides throttling of the thrust of the proposed device.

Для повышения реактивной тяги можно использовать кратковременное включение газогенератора (7) с подачей высокотемпературных газов, которое приведет к повышению средней температуры стенки (12) реактора-пиролизера (6) и элементов теплообменного каркаса (13) и, следовательно, к повышению скорости образования пиролизных газов в реакторе-пиролизере (6) и к увеличению расхода пиролизных газов через кольцевую камеру сгорания (1).To increase reactive thrust, you can use the short-term inclusion of the gas generator (7) with the supply of high-temperature gases, which will lead to an increase in the average temperature of the wall (12) of the pyrolyzer reactor (6) and elements of the heat exchange frame (13) and, therefore, to increase the rate of formation of pyrolysis gases in the pyrolyzer reactor (6) and to increase the consumption of pyrolysis gases through the annular combustion chamber (1).

Для понижения реактивной тяги можно использовать кратковременное включение газогенератора (7) с подачей низкотемпературных газов, которое приведет к уменьшению средней температуры стенки (12) реактора-пиролизера (6) и элементов теплообменного каркаса (13) и, следовательно, к снижению скорости образования пиролизных газов в реакторе-пиролизере (6) и к уменьшению расхода пиролизных газов через кольцевую камеру сгорания (1).To reduce reactive thrust, you can use the short-term inclusion of the gas generator (7) with the supply of low-temperature gases, which will lead to a decrease in the average wall temperature (12) of the pyrolyzer reactor (6) and elements of the heat exchange frame (13) and, therefore, to a decrease in the rate of formation of pyrolysis gases in the pyrolyzer reactor (6) and to reduce the consumption of pyrolysis gases through the annular combustion chamber (1).

Приводим пример реализации устройства осуществления изобретения.We give an example implementation of the device embodiment of the invention.

В нашей статье (Frolov S.M., Aksenov V.S., Ivanov V.S., Shamshin I.O. Continuous detonation combustion of ternary "hydrogen-liquid propane-air" mixture in annular combustor. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, Vol. 42, No.26, pp. 16808-16820) представлены экспериментальные исследования непрерывно-детонационного горения воздушной смеси сжиженного углеводородного газа марки ПБА - пропан-бутан автомобильный в кольцевой камере сгорания с внешней стенкой диаметром 406 мм и шириной кольцевого зазора 25 мм. При расходах горючего и воздуха на уровне 0,1-0,5 кг/с и 5-12 кг/с соответственно, в экспериментах зарегистрирован режим детонационного горения с одной вращающейся детонационной волной, т.е. реализован процесс непрерывно-детонационного горения.In our article (Frolov SM, Aksenov VS, Ivanov VS, Shamshin IO Continuous detonation combustion of ternary "hydrogen-liquid propane-air" mixture in annular combustor. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, Vol. 42, No.26, pp 16808-16820) presents experimental studies of the continuous detonation combustion of an air mixture of liquefied petroleum gas of the PBA-propane-butane automobile type in an annular combustion chamber with an outer wall with a diameter of 406 mm and an annular gap width of 25 mm. At a fuel and air flow rate of 0.1-0.5 kg / s and 5-12 kg / s, respectively, the detonation combustion regime with one rotating detonation wave was recorded in the experiments, i.e. The process of continuous detonation combustion was implemented.

Для того, чтобы доказать, что пропан-бутан автомобильный можно заменить пиролизными газами твердого топлива, нами проведены эксперименты по изучению детонационной способности пиролизных газов гранулированного вторичного полипропилена. Спроектирован, изготовлен и испытан реактор-пиролизер для получения пиролизных газов гранулированного вторичного полипропилена при температуре стенок реактора-пиролизера от 650 до 800°С. Показано, что рабочий режим реактора-пиролизера полностью определяется средней температурой стенок реактора-пиролизера. Хроматографический анализ продуктов показал, что они в основном состоят из пропилена, изобутена, этана, метана, этилена и пропана. Проведены эксперименты по изучению перехода горения в детонацию в воздушных смесях пиролизных газов полипропилена. Показано, что в смесях с воздухом, несколько обогащенных горючим (с коэффициентом избытка воздуха 0,73≤α≤0,90), при нормальном давлении и повышенной начальной температуре (60-90°С) продукты пиролиза полипропилена обладают детонационной способностью, близкой к детонационной способности сжиженного углеводородного газа марки ПБА - пропан-бутан автомобильный - в стехиометрической смеси с воздухом при нормальных условиях: расстояние и время, требуемые для перехода горения в детонацию в таких смесях имеют практически одинаковые значения.In order to prove that automobile propane-butane can be replaced by pyrolysis gases of solid fuels, we conducted experiments to study the detonation ability of pyrolysis gases of granular secondary polypropylene. The pyrolyzer reactor was designed, manufactured and tested to produce pyrolysis gases of granular secondary polypropylene at a wall temperature of the pyrolyzer reactor from 650 to 800 ° C. It is shown that the operating mode of the pyrolyzer reactor is completely determined by the average wall temperature of the pyrolyzer reactor. Chromatographic analysis of the products showed that they mainly consist of propylene, isobutene, ethane, methane, ethylene and propane. Experiments have been carried out to study the transition of combustion to detonation in air mixtures of pyrolysis gases of polypropylene. It was shown that in mixtures with air, somewhat enriched in fuel (with an air excess coefficient of 0.73≤α≤0.90), at normal pressure and an increased initial temperature (60-90 ° C), polypropylene pyrolysis products have a detonation ability close to the detonation ability of liquefied petroleum gas of the PBA brand — automobile propane-butane — in a stoichiometric mixture with air under normal conditions: the distance and time required for the transition of combustion to detonation in such mixtures are almost the same.

Таким образом, предложенные способ организации детонационного горения пиролизных газов гранулированного твердого топлива в камере сгорания воздушно-реактивного двигателя и устройство для его реализации обеспечивают получение пиролизных газов с фазовым и химическим составом, требуемым для самоподдерживающегося детонационного горения, а также надежное охлаждение элементов конструкции камеры сгорания.Thus, the proposed method for organizing detonation combustion of pyrolysis gases of granular solid fuel in the combustion chamber of an aircraft jet engine and a device for its implementation provide pyrolysis gases with the phase and chemical composition required for self-sustaining detonation combustion, as well as reliable cooling of the structural elements of the combustion chamber.

Claims

1. The method of organizing detonation combustion of pyrolysis gases in the combustion chamber of an air-jet engine, including purging the pyrolyzer reactor with gases from the gas generator, pyrolysis of solid fuel in the pyrolyzer reactor with the formation of pyrolysis gases, feeding pyrolysis gases from the pyrolysis reactor to the combustion chamber and mixing them with atmospheric air entering the combustion chamber, followed by combustion of the formed combustible mixture in the combustion chamber and the expiration of combustion products from the combustion chamber into the atmosphere in the form of reactive th jet generating jet thrust, characterized in that the solid fuel is granulated, the purge reactor-pyrolyzer with solid fuel gases from the gas generator is used only to throttle the jet thrust by transferring the reactor-pyrolyzer to a particular operating mode with the required rate of formation of pyrolysis gases, and in case of violation of one or another operating mode of the pyrolyzer reactor, for its recovery, and the required rate of pyrolysis gas formation in the pyrolyzer reactor in the operating mode is due to the heat flux into the pyrolyzer reactor from the combustion chamber in thermal contact with the pyrolysis reactor, and the mixture of pyrolysis gases with air in the combustion chamber is burned in a detonation wave, which provides a sufficient heat flux to the pyrolyzer reactor from the combustion chamber to achieve the required rate of formation of pyrolysis gases in the pyrolyzer reactor at one or another operating mode, as well as sufficient for reliable cooling of the structural elements of the combustion chamber due to the endothermic pyrolysis of the granule solid fuel.

2. A solid propellant air-jet detonation engine containing a supersonic air intake, a combustion chamber with a central body with an integrated gas generator equipped with a pyrolysis reactor, a gas manifold and a belt of radial openings for supplying gases to the combustion chamber with a central body, and a jet nozzle, characterized the fact that the pyrolyzer reactor built into the central body and installed between the gas generator and the gas collector is filled with granular solid fuel, and the pyrolyzer reactor and gas the heatsink communicate with each other through an expanding channel, and the pyrolyzer reactor and gas collector communicate through a perforated baffle, the pyrolyzer reactor being separated from the annular combustion chamber by a wall made of a material with high thermal conductivity, and borders on that region of the annular combustion chamber, where mainly, heat is generated in the detonation wave, and inside the pyrolyzer reactor there is a heat exchange frame made of a material with high thermal conductivity and in thermal contact with the wall separating the pyrolyzer reactor from the annular combustion chamber, and the granular solid fuel in the pyrolysis reactor is in thermal contact with both the wall separating the pyrolyzer reactor from the annular combustion chamber and the elements of the heat exchange frame, and the annular combustion chamber is equipped with a knock initiator.

3. The device according to p. 2, characterized in that the heat exchange frame can be made in the form of an assembly of transverse perforated disks and longitudinal rods in thermal contact with each other and with the wall separating the pyrolyzer reactor from the annular combustion chamber.