RU2724558C1 - Способ и устройство организации периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания - Google Patents
Способ и устройство организации периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания Download PDFInfo
- Publication number
- RU2724558C1 RU2724558C1 RU2019119355A RU2019119355A RU2724558C1 RU 2724558 C1 RU2724558 C1 RU 2724558C1 RU 2019119355 A RU2019119355 A RU 2019119355A RU 2019119355 A RU2019119355 A RU 2019119355A RU 2724558 C1 RU2724558 C1 RU 2724558C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- combustion chamber
- detonation
- temperature
- continuous
- walls
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K7/00—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof
- F02K7/02—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof the jet being intermittent, i.e. pulse-jet
- F02K7/06—Plants in which the working fluid is used in a jet only, i.e. the plants not having a turbine or other engine driving a compressor or a ducted fan; Control thereof the jet being intermittent, i.e. pulse-jet with combustion chambers having valves
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)
Abstract
Способ организации периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания включает подачу окислителя и жидкого топлива в виде струй и пристеночных пленок и инициирование горения. Для камеры сгорания определяют усталостную прочность ее стенок и критическую температуру, при которой она разрушается. Уменьшают значение критической температуры до заданного рабочего значения температуры стенок, принимают это значение в качестве критерия, с которым сравнивают текущие значения температуры стенок и при достижении хотя бы одной из них значения рабочей температуры, прекращают подачу топлива. Обеспечивают прохождение воздуха через камеру сгорания для охлаждения поверхности ее внутренних стенок и в момент достижения стенками заданной начальной температуры осуществляют очередную подачу топлива и включение инициатора детонации. Многократно автоматически повторяют процессы непрерывно-детонационного горения и охлаждения. Время непрерывной работы камеры сгорания увеличивается до величины, равной сумме периодов работы камеры сгорания. Устройство включает проточную кольцевую камеру сгорания, инициаторы детонации с клапанами, узел подачи окислителя, узлы подачи жидкого топлива в виде струй и пристеночных пленок с клапанами, выходное сопло. Устройство снабжено системой автоматического управления с усилительно-преобразовательным устройством, на наружных поверхностях стенок камеры сгорания установлены датчики температуры. Датчики температуры связаны с входом усилительно-преобразовательного устройства, а выходы соединены с клапанами. Изобретения позволяют увеличить время непрерывной работы непрерывно-детонационной камеры сгорания. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Группа изобретений относится к организации рабочего процесса в непрерывно-детонационной камере сгорания воздушно-реактивного или ракетного двигателя на жидком топливе и устройству для его осуществления. В камере с непрерывно-детонационным горением двухфазная топливная смесь сгорает в детонационных волнах, циркулирующих поперек потока, а продукты горения истекают вниз по потоку через сопло, совершая полезную работу.
В большинстве существующих реактивных двигателей химическая энергия горючего преобразуется в тепло и механическую работу за счет дефлаграционного (медленного) горения при практически постоянном давлении. В детонационном режиме горения химическая реакция окисления горючего протекает в режиме самовоспламенения при высоких значениях температуры и давления за сильной детонационной волной, бегущей со сверхзвуковой скоростью. Если при дефлаграции углеводородного горючего мощность тепловыделения с единицы площади поверхности фронта реакции составляет 1 МВт/м2, то мощность тепловыделения в детонационном фронте на три-четыре порядка выше и может достигать 10000 МВт/м2. Кроме того, в отличие от продуктов медленного горения, продукты детонации обладают огромной кинетической энергией: скорость продуктов детонации в 20-25 раз выше скорости продуктов медленного горения. При этом процесс детонационного горения отличается высокой полнотой сгорания и низкой эмиссией вредных веществ.
Известен способ организации непрерывно-детонационного горения капельной смеси, описанный в книге Быковского Ф.А., Ждана С.А. Непрерывная спиновая детонация / Изд-во Сиб. Отд. РАН, 2013. 423 С, в котором топливные компоненты подаются в камеру сгорания с гладкими стенками таким образом, что обеспечивается их турбулентно-молекулярное смешение, а непрерывно-детонационное горение инициируется путем пережигания проволочки электротоком, высоковольтным газовым разрядом или детонатором, которые расположены в объеме, присоединенном к стенке камеры (см. с. 13 цитируемой книги). Топливно-кислородная смесь естественным образом поступает в этот объем в процессе наполнения камеры сгорания. Подача жидкого топлива и газообразного окислителя организована таким образом, чтобы в камеру сгорания поступала либо готовая горючая топливная смесь, либо ее компоненты, смешение которых происходит непосредственно в камере сгорания. При подаче напряжения на электроды разрядника происходит газовый разряд и формируется инициирующая взрывная волна, которая после входа в камеру сгорания способствует образованию детонационных волн, циркулирующих поперек потока топливно-кислородной смеси. Такому способу присущ ряд недостатков. Во-первых, смесеобразование жидкого топлива с газообразным окислителем здесь определяется характеристиками системы подачи топлива (давлением в топливном коллекторе, размерами и формой форсуночных отверстий, их количеством и т.д.). Во-вторых, здесь используется прямое инициирование детонации тем или иным инициатором. Поскольку энергия прямого инициирования детонации в воздушных смесях штатных авиационных топлив составляет несколько килоджоулей, применение такого способа инициирования детонации в непрерывно-детонационных камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей потребует размещения на борту летательного аппарата мощного источника электрической энергии, обеспечивающего и запуск двигателя, и восстановление рабочего процесса при срыве непрерывно-детонационного горения. Кроме того, при таких энергиях электрического разряда (килоджоули) в ограниченном присоединенном объеме может происходить термомеханическое разрушение материалов стенок и электродов, что окажет отрицательное воздействие на надежность системы. При описании способа организации непрерывно-детонационного горения капельной смеси в книге Быковского Ф.А., Ждана С.А. Непрерывная спиновая детонация / Изд-во Сиб. Отд. РАН, 2013. 423 С.не обсуждаются и такие вопросы, как устойчивость рабочего процесса к случайным возмущениям течения, охлаждение элементов конструкции камеры сгорания и управление направлением циркуляции образованных детонационных волн. Вообще говоря, использование кольцевого зазора с гладкими стенками не обеспечивает устойчивость рабочего процесса к возмущениям течения или к случайным возмущениям параметров в сопряженных системах или в окружающей среде (см. «Gaseous detonations - a selective review» // В.Е. Gelfand, S.M. Frolov, M.A. Nettleton / Prog. Energy Combust. Sci., 1991, Vol. 17, No. 4, p. 327-371).
Известен способ, предложенный в патенте US 2012/0151898 A1, F02K 7/075, F02K 7/02 опубликованном 21.06.2012, в котором смесеобразование происходит на входе в кольцевую камеру сгорания с гладкими стенками в результате турбулентно-молекулярного смешения раздельных потоков топлива и окислителя, а однократное инициирование непрерывно-детонационного горения топливной смеси в проточной кольцевой камере сгорания происходит с помощью перепуска детонационной волны из специальной инициирующей трубки, установленной тангенциально к кольцевой камере сгорания, причем детонационная волна в инициирующей трубке образуется в результате поджига топливной смеси свечой зажигания и последующего перехода горения (дефлаграции) в детонацию. Устойчивость непрерывно-детонационного рабочего процесса в камере сгорания обеспечивается с помощью организации стриммерного разряда между внешней и внутренней стенками кольцевой камеры сгорания в окрестности ее входного сечения. При воздействии стриммерного разряда с импульсами наносекундной длительности на поступающую в камеру топливную смесь ее детонационная способность повышается за счет образования активных радикалов. Основной недостаток такого способа заключается в том, что смешение топливных компонентов определяется характеристиками системы подачи топлива (давлением в топливном коллекторе, размерами, формой и количеством форсуночных отверстий и др.). Другой недостаток способа - сложность организации стриммерного разряда при использовании жидких топлив: капли топлива в межэлектродном пространстве и пленки на электродах препятствуют образованию регулярной структуры разряда. Предложенный способ осуществляют на устройстве, содержащем проточную кольцевую камеру сгорания с гладкими стенками, образованную центральным цилиндрическим телом и цилиндрическим корпусом, смесительное устройство, установленное на входе в кольцевую камеру сгорания, инициатор детонации, установленный тангенциально к кольцевой камере сгорания, и систему стриммерных разрядов, расположенную на входе в кольцевую камеру сгорания. Недостаток устройства заключается в том, что смешение топливных компонентов в основном определяется параметрами форсуночной головки (размеры, форма и количество форсуночных отверстий) и системы подачи топлива и окислителя (давлением в топливном коллекторе и коллекторе подачи окислителя). Другой недостаток - использование стриммерных разрядов для реализации рабочего процесса и повышения его устойчивости, надежность генерации которых существенно зависит от степени гомогенности топливной смеси, так как наличие капель топлива в межэлектродном зазоре и пленок топлива на электродах приведет к снижению мощности разряда (вплоть до его отсутствия).
Известен способ подготовки топливной смеси в непрерывно-детонационной камере сгорания реактивного двигателя, описанный в работе «Testing of a Continuous Detonation Wave Engine with Swirled Injection» // E.M. Braun, N.L. Dunn, F.K. Lu / AIAA 2010-146, в котором подготовка топливной смеси происходит в кольцевой камере смешения в результате аэродинамического взаимодействия струй топлива и окислителя, циркулирующего в камере смешения в направлении, заданном винтовыми каналами центрального тела камеры смешения, а рабочий процесс протекает в кольцевой камере сгорания с гладкими стенками. Существенный недостаток данного способа - повышенные потери давления в потоке окислителя, связанные с организацией его вихревого течения в камере смешения, что ограничивает расход окислителя и, как следствие, снижает среднее давление в камере сгорания и удельный импульс реактивного двигателя. Кроме того, распыление жидкого топлива в камере смешения сложной геометрии может приводить к неконтролируемому оседанию топлива на стенки камеры смешения и неконтролируемому изменению фазового и химического состава топливной смеси, поступающей в камеру сгорания.
Известно устройство, предложенное в патенте US 2010/0050592 A1, F02C 5/02, F02C 5/12 опубликованном 04.03.2010, содержащем цилиндрическую камеру смешения, образованную внешним корпусом и центральным телом с винтовыми каналами для подачи окислителя, блок топливных форсунок, установленный на входе в камеру смешения, кольцевую камеру сгорания с гладкими стенками, расположенную на выходе из камеры смешения, а также выходное сопло с центральным телом. При описании устройства вопрос об инициировании детонации вообще не поднимается: считается, что для получения детонационной волны в кольцевой камере сгорания достаточно иметь инициатор детонации в виде источника зажигания. Следует, однако, иметь в виду, что инициирование детонации источниками зажигания, установленными непосредственно в камере сгорания с гладкими стенками, может достигаться лишь в ограниченном диапазоне составов, давлений и температур топливной смеси в камере сгорания, может зависеть от типа и фазового состояния используемого топлива и от характерных размеров самой камеры сгорания, а также требует вполне определенной энергии и мощности источника (Roy G. D., Frolov S. М., Borisov A. A., Netzer D. W. Pulse Detonation Propulsion: Challenges, Current Status, and Future Perspective. Progress in Energy and Combustion Science, 2004, Vol. 30, Issue 6, pp. 545-672). Основная проблема практической реализации такого устройства - организация эффективного охлаждения камеры смешения с центральным телом сложной геометрии. Кроме того, использование кольцевой камеры сгорания с гладкими стенками, вообще говоря, не обеспечивает устойчивость рабочего процесса к возмущениям течения или к случайным возмущениям параметров в сопряженных системах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ и устройство, предложенное в патенте WO 2016/060581 A1, F02K 7/00 (206.01), F02K 9/42 (2006.01), опубликованном 21.04.2016.
Способ-прототип включает подачу окислителя, подачу жидкого топлива в виде пристеночных пленок, или в виде струй, или в виде струй и пристеночных пленок, инициирование непрерывно-детонационного горения топливной смеси в проточной кольцевой камере сгорания с гладкими стенками с помощью инициатора детонации и создание высокоскоростной реактивной струн продуктов детонации при помощи выходного сопла с центральным телом.
Устройство-прототип для осуществления способа организации рабочего процесса в непрерывно- детонационной камере сгорания реактивного двигателя на жидком топливе включает проточную кольцевую камеру сгорания с гладкими стенками, инициатор детонации, выходное сопло с центральным телом, узлы подачи окислителя и жидкого топлива в виде пристеночных пленок и/или струй. Изобретение обеспечивает получение горючей топливной смеси с фазовым и химическим составом, требуемым для непрерывно-детонационного горения; охлаждение элементов конструкции камеры сгорания; и устойчивость непрерывно-детонационного горения в широком диапазоне определяющих параметров течения независимо от точности дозирования топлива.
Достоинствами устройства-прототипа являются: простота конструкции, квазистационарное истечение продуктов детонации; высокая частота циклов (килогерцы), малый продольный размер, низкий уровень эмиссии вредных веществ, низкий уровень шума и вибраций.
Повышение топливной эффективности и снижение токсичности выбросов реактивных двигателей обусловлено более высокой интенсивностью и быстротечностью процесса детонационного горения и, как следствие, получение более высоких термодинамических параметров рабочего тела при детонационном сгорании топлива.
Однако устройство-прототип (непрерывно-детонационная камера сгорания) обладает одним существенным недостатком - небольшим временем непрерывной работы (десятки секунд). Если увеличить время непрерывной работы устройства-прототипа, то с учетом изложенных достоинств непрерывно-детонационной камеры сгорания ее можно использовать при построении перспективных реактивных двигателей различного назначения.
По большинству существенных признаков данное изобретение взято в качестве прототипа.
Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является увеличение времени непрерывной работы непрерывно-детонационной камеры сгорания; организация автоматической периодической работы непрерывно детонационной камеры сгорания, оценка суммарной тяги двигателя при периодической работе непрерывно-детонационной камеры сгорания.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе организации периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания, включающем подачу окислителя и жидкого топлива в виде струй и в виде пристеночных пленок, инициирование непрерывно -детонационного горения топливной смеси в проточной кольцевой камере сгорания с помощью инициатора детонации, обеспечивая сгорание топливной смеси в детонационных волнах, непрерывно циркулирующих в тангенциальном направлении поперек потока с образованием высокоскоростной реактивной струи продуктов детонации, согласно предложению для камеры сгорания определяют усталостную прочность ее стенок и критическую температуру, при которой она разрушается, уменьшают значение критической температуры до заданного рабочего значения температуры стенок, принимают это значение в качестве критерия, с которым сравнивают текущие значения температуры стенок. При достижении хотя бы одной из стенок значения рабочей температуры прекращают подачу топлива, обеспечивают прохождение воздуха через камеру сгорания для охлаждения поверхности ее внутренних стенок, и в момент достижения стенками заданной начальной температуры осуществляют очередную подачу топлива и включение инициатора детонации, создающих в камере сгорания детонационное горение. Многократно автоматически повторяют процессы непрерывно- детонационного горения и охлаждения, тем самым обеспечивают время непрерывной работы камеры сгорания до величины, равной сумме периодов работы камеры сгорания, количество которых зависит от значения усталостной прочности стенок камеры сгорания.
Непрерывно-детонационная камера сгорания предлагаемого устройства состоит из проточной кольцевой камеры сгорания, инициатора детонации, узла подачи окислителя, узлов подачи жидкого топлива в виде струй и пристеночных пленок, и выходного сопла с центральным телом. Для осуществления ее периодической работы на наружных поверхностях стенок камеры сгорания установлены датчики температуры, инициатор детонации, узлы подачи жидкого топлива в виде струй и пристеночных пленок. Узлы подачи топлива и инициатор детонации снабжены клапанами. В состав устройства входит система автоматического управления, которая включает усилительно -преобразовательное устройство, чувствительные элементы - датчики температуры и исполнительные элементы - клапаны инициатора детонации и узлов подачи жидкого топлива. Датчики температуры связаны с входом усилительно - преобразовательного устройства, выходы которого соединены с клапанами инициатора детонации и узлов подачи топлива в виде струй и пристеночных пленок. Усилительно-преобразовательное устройство выполнено таким образом, что осуществляет сравнение текущих температур наружных поверхностей стенок камеры сгорания с заданными рабочей или начальной температурами и выдает управляющие команды на исполнительные элементы системы автоматического управления.
Указанный технический результат достигается за счет:
- создания способа периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания, обеспечивающей большое время ее непрерывной работы;
- создание автоматической системы управления периодической работой непрерывно-детонационной камеры сгорания.
Детонационное горение в непрерывно-детонационной камере сгорания вызывает пульсации давления в выходном сечении камеры сгорания, а также неравномерность и нестационарность полей температуры и скорости движения газового потока. В результате создается огромное тепловыделение, которое обеспечивает в большом количестве подвод тепла Gп(Δt) к стенкам непрерывно-детонационной камеры сгорания. Кроме того, Gп(Δt) зависит от количества сжигаемого топлива и его теплотворной способности.
Учет особенностей детонационного горения и определение на интервале Δt интенсивности подвода тепла к стенкам непрерывно-детонационной камеры сгорания осуществлен с использованием трехмерной математической модели (см. работу Дубровский А.В., Иванов В.С, Фролов С.М. Трехмерное численное моделирование рабочего процесса в непрерывно-детонационной камере сгорания с раздельной подачей водорода и воздуха. Химическая физика, 2015, том 34, №2, с. 65-81).
На фигуре 1 показаны расчетные распределения удельных тепловых потоков во внутреннюю и во внешнюю стенки непрерывно-детонационной камеры сгорания в установившемся режиме работы в точках вдоль образующих внутренней и внешней стенок непрерывно-детонационной камеры сгорания, параллельных продольной оси z непрерывно - детонационной камеры сгорания. Максимальное значение удельного теплового потока (~1.7 МВт/м2) достигается на внутренней стенке вблизи днища непрерывно-детонационной камеры сгорания (при z=0-50 мм). Удельный тепловой поток во внешнюю стенку всегда меньше, чем во внутреннюю, а его максимальное значение (~0.95 МВт/м2) достигается на расстоянии 150-200 мм от днища НДКС. Средний суммарный удельный тепловой поток в стенки непрерывно-детонационной камеры сгорания составляет около 0.9 МВт/м2.
Увеличение времени непрерывной работы непрерывно-детонационной камеры сгорания можно обеспечить за счет охлаждения поверхности ее наружных стенок и использования термостойких материалов, обладающих хорошими прочностными характеристиками.
Использование сплавов, обеспечивающих высокую прочность и термостойкость, увеличивает время непрерывной работы непрерывно-детонационной камеры сгорания до момента разрушения ее стенок. Процесс разрушения включает процессы зарождения трещин и их рост (путем разрывов атомных связей в вершине одной трещины или при объединении большого числа трещин). Для зарождения трещины необходима локальная пластическая деформация. При достижении трещиной критического размера она неограниченно растет под действием приложенного напряжения (температуры и давления). При вязком разрушении легко зарождаются трещины с размерами, значительно меньшими критического значения. Рост трещин до критических размеров в этом случае имеет многостадийный характер, и разрушение становится критическим процессом накопления и объединения микротрещин до трещин критических размеров. Процесс разрушения при высоких температурах является кинетическим. Разрушающее напряжение при этом играет активирующую роль - понижает энергетический барьер, который необходимо преодолеть до начала разрушения (см. Смирнов B.C., Григорьев А.К., Пакудин В.П., Садовников Б.В. Сопротивление деформации и пластичность металлов М, «Металлургия» 1975, 272 с.).
Кроме того, для увеличения времени непрерывной работы камеры сгорания создают эффективный отвод тепла за счет охлаждения ее наружных стенок. Для отвода большого количества тепла G0(Δt) от стенок непрерывно-детонационной камеры сгорания потребуется система охлаждения по эффективности равноценная подводу тепла при детонационном горении. Такая система охлаждения не обеспечит значительное уменьшение разности Gn(Δt) - Go(Δt) и будет иметь высокие массогабаритные характеристики и большие потери тепла через стенки камеры сгорания. Такой способ не даст существенно увеличить время непрерывной работы (фиг. 2), а усложнит непрерывно-детонационную камеру сгорания, поэтому его использование нецелесообразно.
На фиг. 2 приведен график изменения температуры стенки непрерывно-детонационной камеры сгорания на временном интервале непрерывной работы камеры сгорания (сплошная линия - обычный режим, пунктир - режим с охлаждением наружной поверхности стенки камеры, ΔtГ - продолжительность детонационного горения, ΔtКР - время достижения температуры ТКР).
На фиг. 3 представлен график формирования периодов работы непрерывно-детонационной камеры сгорания (ТН - начальная температура стенки; ТР - рабочая температура стенки; ТКР - критическая температура стенки; ΔT - температурный запас).
Предлагается способ организации периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания, обеспечивающий увеличение времени ее непрерывной работы. Суть способа состоит в том, что, когда температура стенки камеры сгорания достигает рабочего значения ТР, прекращают подачу в нее топлива. При отсутствии в камере сгорания топлива детонационное горение прекращается, а воздух (окислитель) превращается в хладагент, проходя через проточную полость камеры сгорания, охлаждает ее внутренние стенки. При снижении температуры стенки до ее начального значения ТН, осуществляют возобновление детонационного горения, для чего в камеру сгорания подают топливо и включают инициатор детонации. В дальнейшем запуск и прекращение детонационного горения в непрерывно-детонационной камере сгорания происходит автоматически i -раз, где i=1 … n. Один период работы непрерывно-детонационной камеры сгорания (Δti,) состоит из: продолжительности детонационного горения (ΔtГ), и времени охлаждения (Δtохл) внутренних стенок камеры сгорания до значения температуры ТН и времени подготовки и включения (Δtвкл) непрерывно-детонационной камеры сгорания (фиг. 3):
период скважности между детонационными горениями
При одинаковых значениях ΔtГ в каждом периоде на интервале Δt время непрерывной работы непрерывно-детонационной камеры сгорания равно
При этом 
где
Предлагаемый способ позволяет повысить эффективность работы непрерывно-детонационной камеры сгорания путем проведения мероприятий, обеспечивающих минимальные потери тепла.
Потери тепла, протекающие через стенку непрерывно-детонационной камеры сгорания, определяются по формуле теплопроводности
F - поверхность (м2);
TНАР и ТВ - установившиеся температуры наружной и внутренней поверхности стенки;
L - толщин стенки (м);
ϕ - продолжительность перехода тепла (час);
α- коэффициент теплопроводности (ккал/м. час. град).
Для уменьшения потерь тепла выбран материал с низким значением коэффициента теплопроводности и большим временем продолжительности перехода тепла через стенку. Такие характеристики материала обеспечат низкое значение температуры наружной поверхности стенки и увеличение температуры ее внутренней поверхности. Было установлено (см. Журков С.Н. «Вести АН СССР»,1957, №11, с. 78-80; Журков С.Н. «Известия АН СССР Неорганические материалы», 1967, т. 3), что время t разрушения тела, находящегося при температуре Т под действием растягивающего напряжения о, определяется по формуле
t0=10-13 С - величина, обратная частоте колебаний атомов в твердом теле;
U - энергетический барьер, определяющий вероятность разрыва связей, ответственных за прочность, и хорошо совпадающий с энергией связи атомов в кристаллической решетки металлов;
γ - активационный объем;
σ - разрушающее напряжение;
k - постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура.
С учетом особенностей материала, из которого сделана непрерывно-детонационная камера сгорания и силового воздействий газового потока на стенки, подставляя различные значения ее температуры Т, определяют по формуле (5) максимальную температуру ТКР при которой происходит ее разрушение.
Рабочую температуру, при которой разрушение стенок непрерывно-детонационной камеры сгорания не происходит, определяют, задавая значение температурного запаса ΔT.
Количество тепла на интервале Δt необходимое для работы непрерывно-детонационной камеры сгорания в безопасном рабочем режиме определяют по формуле
m - масса стенок непрерывно-детонационной камеры сгорания;
с - удельная теплоемкость вещества, из которого сделана непрерывно-детонационной камеры сгорания.
При достижении температуры внутренней поверхности стенки непрерывно-детонационной камеры сгорания значения ТР подвод тепла к ней прекращается и начинается в течение времени Δt0 отвод тепла G0(Δt0) за счет охлаждения воздухом ее внутренней стенки.
Количество тепла, отводимое на интервале Δt0, обеспечит снижение температуры внутренней стенки до значения
При достижении стенкой начальной температуры очередной раз включается непрерывно-детонационная камера сгорания.
Сокращение интервала времени Δt0 обеспечивают за счет наличия отрицательной температуры воздуха на больших высотах и путем интенсификации теплообмена между охлаждающим воздухом и внутренней стенкой непрерывно-детонационной камеры сгорания. Одним из способов интенсификации теплообмена является подача на вход в непрерывно-детонационную камеру сгорания пульсирующего потока воздуха. В этом случае, тепло - массообмен между внутренней стенкой и воздушной средой в пульсирующем потоке увеличивается в 1,5 раза.
Увеличение времени непрерывной работы непрерывно-детонационной камеры сгорания, обеспечивают путем организации ее работы в периодическом режиме для чего определяют критическую температуру ее стенок, при которой она разрушается, организуют запас температуры стенок до их рабочего значения, при достижении которого прекращают подачу топлива, и начинают охлаждение поверхности ее внутренних стенок воздухом, проходящим через камеру сгорания, и в момент достижения стенками начальной температуры осуществляют очередную подачу топлива и включение инициатора детонации, создающих в камере сгорания детонационное горение. При многократном включении и выключении камеры сгорания обеспечивают увеличение времени ее непрерывной работы до величины, равной сумме времен детонационного горения.
На фиг. 4 приведена структурная схема непрерывно-детонационной камеры сгорания, работающей в периодическом режиме с помощью системы автоматического управления согласно предложенному способу. На схеме F - топливо; О - окислитель (воздух); FF - топливная пленка; FS - топливная струя; SFF - вторичная топливная пленка.
Устройство включает кольцевую камеру сгорания (1); внутренние поверхности камеры сгорания (2) и (3); инициатор детонации (4); центральное тело (5); смесительную секцию (6); корпус смесительной секции (7); пленочные форсунки (8); струйные форсунки (9); клапан прекращения и подачи топлива в струйные форсунки (10); клапан включения и выключения инициатора детонации (11); клапан прекращения и подачи топлива в пленочные форсунки (12), усилительно-преобразовательное устройство (13); датчики температуры (14); сопло (15).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Перед включением непрерывно-детонационная камера сгорания в усилительно-преобразовательное устройство (13) вводят критерии ее включения ТН и выключения ТР, которыми являются соответственно начальная температура и допустимая рабочая температуры стенки камеры сгорания.
Непрерывно-детонационная камера сгорания начинает работу при начальной температуре ТН. Процесс ее включения и детонационного горения до допустимого нагрева стенки происходит следующим образом. В смесительную секцию (6) непрерывно подается окислитель (воздух), а жидкое топливо (авиационный керосин) подается через клапан (10) и струйные форсунки в камеру сгорания (1) и через клапан (12) и пленочные форсунки в смесительную секцию (6). При этом, жидкое топливо в виде пристеночных пленок движется по поверхности (7) смесительной секции (6).
Когда топливные пленки покрывают поверхность (7), а часть топлива, поступившая в камеру сгорания (1) через блок струйных форсунок (9), оседает на внутренних поверхностях (2) и (3) с образованием вторичных пристеночных пленок, включают инициатор детонации (4). Из инициирующих трубок (4) в камеру сгорания (1) перепускается инициирующая детонационная волна, сопровождаемая направленной струей высокотемпературных и высокоскоростных продуктов детонации. В результате в камере сгорания инициирующая детонационная волна, трансформируемая в сильную ударную волну, вызывает ударное сжигание окислителя и дополнительно вовлекает его в движение. Поток ударно-сжатого окислителя и направленная струя высокотемпературных и высокоскоростных продуктов детонации оказывают термомеханическое воздействие на струи топлива и на вторичные пристеночные топливные пленки, вызывая их испарение и механическое разрушение, с образованием капельной газовзвеси. Последующее испарение образовавшихся микрокапель обеспечивает образование горючей топливной смеси требуемого фазового и химического состава за счет турбулентно - молекулярного смешения топлива с окислителем. Образованная двухфазная паро-газо-капельная смесь быстро самовоспламеняется, что приводит к формированию и развитию вторичных очагов взрыва, порождающих одну или несколько самоподдерживающихся детонационных волн, непрерывно циркулирующих в кольцевой камере сгорания между поверхностями (2) и (3) с постоянной скоростью и в направлении, заданном инициирующими трубками (4). В камере сгорания происходит детонационное горение. При этом продукты детонации движутся по направлению к выходному соплу (15), формирующим высокоскоростную реактивную струю. Процесс детонационного горения длится до достижения температуры стенки значения ТР, измеренной датчиками температуры (14), сигнал с которых поступает в усилительно-преобразовательное устройство (13). С выхода этого устройства сигнал поступает на клапаны (10) (11) и (12), которые переключаясь прекращают подачу топлива в непрерывно-детонационную камеру сгорания и выключают инициатор детонации (4). В результате детонационное горение прекращается, а воздух проходя через камеру сгорания охлаждает ее стенки до начальной температуры ТН, измеренной датчиками температуры (14), сигналы с которых поступают на усилительно-преобразовательное устройство (13). При достижении стенками непрерывно-детонационной камеры сгорания температуры ТН с выхода усилительно-преобразовательного устройства сигналы, поступая на клапаны (10), (11), (12), открывают их. В результате начинается подача топлива в непрерывно-детонационную камеру сгорания и включается инициатор детонации (4). Происходит подготовка и запуск непрерывно-детонационной камеры сгорания, стенки которой начинают нагреваться и при достижении температуры ТР процесс повторяется i раз, где i изменяется от 1 до n. При одинаковом значении периода детонационного горения ΔТГ время непрерывной работы ΔТНР камеры сгорания будет равно сумме ΔТГ n раз. Значение n. зависит от усталостной прочности материала, из которого сделана камера сгорания.
Claims (2)
1. Способ организации периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания, включающий подачу окислителя и жидкого топлива в виде струй и в виде пристеночных пленок, инициирование непрерывно-детонационного горения топливной смеси в проточной кольцевой камере сгорания с помощью инициатора детонации, обеспечивая сгорание топливной смеси в детонационных волнах, непрерывно циркулирующих в тангенциальном направлении поперек потока с образованием высокоскоростной реактивной струи продуктов детонации, отличающийся тем, что для камеры сгорания определяют усталостную прочность ее стенок и критическую температуру, при которой она разрушается, уменьшают значение критической температуры до заданного рабочего значения температуры стенок, принимают это значение в качестве критерия, с которым сравнивают текущие значения температуры стенок, и при достижении хотя бы одной из них значения рабочей температуры прекращают подачу топлива, обеспечивают прохождение воздуха через камеру сгорания для охлаждения поверхности ее внутренних стенок и в момент достижения стенками заданной начальной температуры осуществляют очередную подачу топлива и включение инициатора детонации, создающих в камере сгорания детонационное горение, многократно автоматически повторяют процессы непрерывно-детонационного горения и охлаждения, тем самым обеспечивают время непрерывной работы камеры сгорания до величины, равной сумме периодов работы камеры сгорания, количество которых зависит от значения усталостной прочности стенок камеры сгорания.
2. Устройство для осуществления периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания способом по п. 1, включающее проточную кольцевую камеру сгорания, инициатор детонации, узел подачи окислителя, узлы подачи жидкого топлива в виде струй и пристеночных пленок, выходное сопло с центральным телом, отличающееся тем, что на наружных поверхностях стенок камеры сгорания установлены датчики температуры, узлы подачи жидкого топлива в виде струй и пристеночных пленок и инициатор детонации снабженные клапанами, при этом устройство имеет систему автоматического управления, которая включает усилительно-преобразовательное устройство, чувствительные элементы - датчики температуры, и исполнительные элементы - клапаны инициатора детонации и узлов подачи жидкого топлива, при этом датчики температуры связаны с входом усилительно-преобразовательного устройства, выходы которого соединены с клапанами инициатора детонации и узлов подачи топлива в виде струй и пристеночных пленок, а усилительно-преобразовательное устройство выполнено таким образом, что осуществляет сравнение текущих температур наружных поверхностей стенок камеры сгорания с заданными рабочей или начальной температурами и выдает управляющие команды на исполнительные элементы системы автоматического управления.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019119355A RU2724558C1 (ru) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | Способ и устройство организации периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019119355A RU2724558C1 (ru) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | Способ и устройство организации периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2724558C1 true RU2724558C1 (ru) | 2020-06-23 |
Family
ID=71136071
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019119355A RU2724558C1 (ru) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | Способ и устройство организации периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2724558C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120151898A1 (en) * | 2009-09-23 | 2012-06-21 | Claflin Scott | System and method of combustion for sustaining a continuous detonation wave with transient plasma |
| WO2016060581A1 (ru) * | 2014-10-16 | 2016-04-21 | Некоммерческое Партнерство По Научной, Образовательной И Инновационной Деятельности "Центр Импульсного Детонационного Горения" | Устройство и способ организации рабочего процесса реактивного двигателя |
| RU2620736C1 (ru) * | 2015-12-28 | 2017-05-29 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" | Способ организации рабочего процесса в турбореактивном двигателе с непрерывно-детонационной камерой сгорания и устройство для его осуществления |
| RU2674172C1 (ru) * | 2017-07-11 | 2018-12-05 | Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Турбореактивный двигатель и способ его работы |
-
2019
- 2019-06-21 RU RU2019119355A patent/RU2724558C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120151898A1 (en) * | 2009-09-23 | 2012-06-21 | Claflin Scott | System and method of combustion for sustaining a continuous detonation wave with transient plasma |
| WO2016060581A1 (ru) * | 2014-10-16 | 2016-04-21 | Некоммерческое Партнерство По Научной, Образовательной И Инновационной Деятельности "Центр Импульсного Детонационного Горения" | Устройство и способ организации рабочего процесса реактивного двигателя |
| RU2620736C1 (ru) * | 2015-12-28 | 2017-05-29 | Открытое акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" ОАО "УМПО" | Способ организации рабочего процесса в турбореактивном двигателе с непрерывно-детонационной камерой сгорания и устройство для его осуществления |
| RU2674172C1 (ru) * | 2017-07-11 | 2018-12-05 | Публичное акционерное общество "ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Турбореактивный двигатель и способ его работы |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Experimental research on initiation characteristics of a rotating detonation engine | |
| US7739867B2 (en) | Compact, low pressure-drop shock-driven combustor | |
| Yao et al. | Reinitiation phenomenon in hydrogen-air rotating detonation engine | |
| Bussing et al. | Pulse detonation engine theory and concepts | |
| US7637096B2 (en) | Pulse jet engine having pressure sensor means for controlling fuel delivery into a combustion chamber | |
| US6062018A (en) | Pulse detonation electrical power generation apparatus with water injection | |
| Kindracki et al. | Experimental research on the rotating detonation in gaseous fuels–oxygen mixtures | |
| US7669406B2 (en) | Compact, low pressure-drop shock-driven combustor and rocket booster, pulse detonation based supersonic propulsion system employing the same | |
| US5513489A (en) | Rotary valve multiple combustor pulse detonation engine | |
| US8683780B2 (en) | Gas turbine engine and pulse detonation combustion system | |
| US20070180814A1 (en) | Direct liquid fuel injection and ignition for a pulse detonation combustor | |
| US20070144179A1 (en) | Shaped walls for enhancement of deflagration-to-detonation transition | |
| JP2011047638A (ja) | デフラグレーションからデトネーションへの遷移を向上させるためのパルスデトネーション燃焼器構成 | |
| Frolov | Liquid-fueled, air-breathing pulse detonation engine demonstrator: operation principles and performance | |
| Huang et al. | Studies of DDT enhancement approaches for kerosene-fueled small-scale pulse detonation engines applications | |
| WO2016060581A1 (ru) | Устройство и способ организации рабочего процесса реактивного двигателя | |
| GB2420615A (en) | Thermo acoustic pressure rise pulse combustor | |
| RU2724558C1 (ru) | Способ и устройство организации периодической работы непрерывно-детонационной камеры сгорания | |
| Yan et al. | Experimental research on the detonation behavior in annular combustors utilizing liquid hypergolic propellants | |
| Yan et al. | Experimental investigation of the effect of bell-shaped nozzles on the two-phase pulse detonation rocket engine performance | |
| Zamuraev et al. | Intensification process of air-hydrogen mixture burning in the variable cross section channel by means of the air jet | |
| RU2446305C2 (ru) | Сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель с пульсирующим режимом горения (спврд с прг) и способ его работы | |
| Wolański et al. | Experimental research of performance of combined cycle rotating detonation rocket-ramjet engine | |
| Canteins et al. | Experimental and numerical investigations on PDE performance augmentation by means of an ejector | |
| Frolov et al. | Air-breathing liquid-fueled pulse detonation engine demonstrator |