Управляемый пульсирующий детонационный двигатель Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 536.202

УПРАВЛЯЕМЫЙ ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

©2009 Ю. И. Цыбизов1, Л. П. Шелудько2

1 Самарский государственный аэрокосмический университет 2Самарский государственный технический университет

На основании анализа тенденций применения пульсирующих воздушно-реактивных двигателей для летательных аппаратов предлагается конструкция двигателя периодического детонационного сгорания топлива с управляемыми клапанами.

Пульсирующий детонационный двигатель, тяговое устройство периодического действия, детонационное горение, камера сгорания, резонатор высокочастотных автоколебаний, кольцевое сопло

Общими задачами совершенствования силовой установки (СУ) летательного аппарата (ЛА) в настоящее время являются:

- повышение эффективного КПД;

- снижение массы;

- улучшение экологических характеристик (шум, эмиссия вредных веществ продуктов сгорания);

- снижение затрат на изготовление и эксплуатацию.

Анализируя современное состояние развития авиадвигателестроения, необходимо отметить, что конструктивные решения здесь вплотную приблизились к пределам их возможностей вследствие:

- ограничений при использовании освоенного термодинамического цикла с постоянным давлением рабочего процесса и малых скоростей в камере сгорания (цикл Брайтона);

- невозможности существенного повышения степени сжатия компрессора, обусловливающего значительное уменьшение межлопаточного канала, когда размеры его становятся сопоставимыми с размерами радиального зазора, а толщина лопаток близка к толщине лезвия бритвы;

- невозможности достижения требуемых высоких температур газа перед турбиной из-за ограниченных возможностей применяемых материалов;

- дорогостоящих сложных мероприятий по снижению уровня шума и эмиссии до требуемых норм;

- роста стоимости опытно-

конструкторских и доводочных работ, стоимости изготовления и эксплуатации.

В связи с этим в качестве перспективного направления развития рассматривается возможность разработки тягового устройства периодического действия с использованием детонационного горения [1, 2]. Такое направление развития связывают с организацией горения при сверхзвуковых скоростях в термодинамическом цикле, близком к V = const (цикл Г емфри), простотой конструкции из-за отсутствия подвижных деталей, с низкими затратами на изготовление и т.д. Предполагается, что данный вид пульсирующего детонационного двигателя (ПуДД) заменит ГТД, как ГТД в свое время пришел на смену поршневому двигателю в авиации.

На сегодняшний день существуют несколько концепций использования детонационного горения применительно к силовым установкам ЛА:

- создание ПуДД в чистом виде для ракеты;

- создание гибридных газотурбинных двигателей (ГТД + ПуДД ) для дозвуковых и сверхзвуковых самолетов;

- создание детонационно-поршневого двигателя, в котором вместо выхлопных труб установлены детонационные трубы, создающие реактивную тягу;

- использование стационарной детонационной волны горения в камере сгорания гиперзвукового прямоточного воздушнореактивного двигателя.

К ПуДД проявляют интерес США, Израиль, Япония и Россия. Два гиганта двига-телестроения США фирмы Пратт-Уитни и Дженерал Электрик, вкладывая миллионы долларов, соревнуются в гонке за приори-

тетное освоение нового направления развития двигателестроения. Наибольшие результаты в направлении создания работающего ПуДД достигнуты в США. НИЦ им. Глена (США) занимает лидирующее положение в вопросах исследований проблем детонационного горения. Результаты этих работ почти не публикуются.

В отличие от традиционного процесса горения, где распространение пламени обусловлено медленными процессами диффузии и теплопроводности (дефлаграция) , детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за ее фронтом зоной быстрой экзотермической реакции. Ударная волна сжимает и нагревает топливовоздушную смесь, продукты сгорания которой сильно расширяются - происходит взрыв (детонационная волна). В ДВС последствия детонации носят негативный характер. Она разрушает двигатель двумя путями - механическим и тепловым. При ее появлении давление и температура в очаге резко, скачком нарастают до высоких, нерасчетных значений, перегружая детали. Установлено, что энергия, выделяющаяся в результате химической реакции, поддерживает ударную волну, не давая ей затухать.

Гидродинамическая теория детонации позволяет рассчитывать значение скорости, распределение давления, плотности и температуры в детонационной волне на основе законов сохранения массы, импульса и энергии, уравнения состояния вещества, а также требования равенства скорости детонационной волны относительно продуктов реакции скорости звука (гипотеза Чепмена-Жуге) [3]. Скорость фронта детонационной волны Б в газах составляет 1,5...3 км/с, скорость продуктов химической реакции и в 2.4 раза меньше, а давление определяется из равенства РБ = р и Б. Температура же составляет величину от 2000 до 5000 К. Известно, что для перехода от дефлаграции к детонации, а также передаче детонации для данной ТВС необходимо выдерживать определенные геометрические соотношения по длине, диаметру трубы, зависящие от размера ячейки (Ь) детонационного фронта смеси

[4].

Однако несмотря на многолетние и многочисленные исследования газодинами-

ки импульсного детонационного горения, проводимые в промышленно развитых странах и в том числе выполненные в СНТК, до сих пор нет приемлемых представлений о физических механизмах явления, о процессах начала и распространения детонации, представлений о факторах формирования сложной структуры детонационной волны и т.д. Отсутствие обоснованных рекомендаций для инженерной практики по созданию конструкции ПуДД обусловливает необходимость дальнейших научно- технических исследований.

Кратко нерешенные научные и технические проблемы, связанные с детонацией, можно сформулировать сегодня следующим образом:

1. Отсутствие обоснованности применения к детонационному процессу ПуДД соотношений термодинамически равновесных процессов (время цикла около 40 мкс, что сравнимо с временами релаксации внутренних степеней свободы молекул, необходимых для установления термодинамического равновесия и протекания химических реакций).

2. Необходимо выполнение основательных фундаментальных исследований по получению:

- данных по кинетике неравновесных физико-химических процессов детонационного горения для различных видов топлива;

- по вопросам смешения при наличии быстротекущего процесса;

- по вопросам высокочастотной регулярности и управляемости процессами применительно к ПуДД;

- обоснованию приемлемого способа инициирования детонации в горючей смеси.

3. Отсутствие решения вопросов термопрочности реальной конструкции.

Другая проблема - реализация цикла Гемфри. Термодинамический цикл К=сош1 практически был реализован еще в двадцатых годах прошлого столетия Хольцвартом в ГТУ с двухклапанными камерами периодического сгорания. Однако из-за ограниченных технических возможностей ГТУ того времени достигнутый КПД не превышал 20%. В связи с этим, очевидно, требуются дальнейшие опытно-конструкторские работы по реализации приемлемого схемного

решения.

Следует особо отметить, что Природа улучшает свои творения, имея какую-то тягу к колебательным и волновым движениям. По принципу периодических движений Природа сотворила самые совершенные энергосберегающие транспортные системы. Поэтому обеспечение устойчивого пульса-ционного рабочего процесса детонации, составляющего основу работы ПуДД как тягового устройства, находится в полном согласии с принципами развития эффективных технических решений. Тем не менее и до сегодняшнего дня существенных продвижений в деле создания ПуДД пока нет. Это обстоятельство позволило А.Г. Прудникову во вступительном слове к трудам конференции РАН «Прикладные проблемы термогазодинамики» сделать вывод: «... с момента открытия детонационного горения вскоре после открытия Нобелем динамита (80-е годы 19 века) не было создано ни одного детонационного двигателя, за исключением детонационного устройства для отпугивания комаров».

Уже после завершения Второй мировой войны в СССР, США и Франции проводились интенсивные работы по пульсирующим ВРД на основе имеющихся материалов по ФАУ-1. В Казанском авиационном институте этой проблемой занимались В.А. Костерин, В.П. Мигалин, А.В. Ярин, А.А. Потапенко, найденное ими конструктивное решение пульсирующего ВРД с аэродинамическим клапаном было сделано в 1954 году. Оно обеспечило высокие показатели.

В настоящее время в ряде институтов (ЦИАМ, ЦАГи) и ОКБ (включая ОКБ Самарского научно-технического комплекса имени Н.Д. Кузнецова) проводились и проводятся исследования, опытных образцов

ПуДД.

На рис.1. а, б в виде конструктивной схемы представлен возможный вариант нового типа двигателя с периодическим детонационным сгоранием топлива, предложенный Ю.Н. Нечаевым в [1] и исследуемый в настоящее время на ряде ведущих фирм России. Рассматриваемая схема включает:

- газогенератор современного ГТД с каналом отвода воздуха из-за компрессора и подвода его к тяговым модулям ПуДД;

- устройство (заменяющее форсажную камеру) с тяговыми модулями ПуДД.

Здесь же на рис. 1.б показана возможная конструкция резонансной камеры, представляющая собой полусферическую тяговую стенку и кольцевое сопло, предназначенное для организации детонационного горения предварительно подготовленной топливовоздушной смеси (ТВС). За кольцевым соплом располагается обычное выхлопное сопло.

Рис. 1. Вариант использования ПуДД

В СНТК испытан демонстрационный модуль ПуДД, подобный тяговому модулю, представленному на рис.1, б и имеющий следующие особенности:

- использование полусферической резонансной камеры (РК) как резонатора высокочастотных автоколебаний при детонационном горении;

- использование кольцевого сопла в качестве источника сверхзвукового потока, направленного к оси РК с целью образования ударной волны, замыкающей выход из РК и служащей газодинамическим затвором;

- организация двухстадийного сгорания керосина, состоящая в предварительном нагреве его и последующем разложении горючих компонентов топлива на высокоактивные составляющие - источники детонации.

- отсутствие в конструкции механических клапанов и запальных систем.

Отработан розжиг ТВС при работе модуля на богатых и бедных смесях.

Неоднократно зафиксированы случаи резкого скачкообразного повышения тяги и давления в полости РК. Максимальная величина заброса тяги в единичных случаях почти в 6 раз превышала исходной (стационар-

ной) уровень. На рис.2 представлена непрерывная запись на одном из режимов изменения величины тяги и давления в РК от времени работы ПуДД. Скачкообразное повышение тяги от 100 кг до 168 кг в районе 2-й секунды имело место при полном давлении на входе в кольцевое сопло равном 4,6 кг/см2, температуре ТВС 400°С и коэффициенте избытка воздуха а = 1.

180

160

140

120

100

J

I

I

—

Рис. 2. Результаты измерения тяги и давления в РК, зафиксированные ПЭВМ

Следует отметить, что все фиксируемые скачкообразные изменения величины тяги подтверждались скачкообразным изменением величины давления с некоторым некоррелируемым отставанием по времени. В выполненных испытаниях не удалось вызвать регулярные пульсации давления и тяги. Выполнены измерения эмиссионных характеристик. На режиме работы ПуДД, представленном данными рис. 3, эмиссия СО составила около 2500 ppm и полное отсутствие эмиссии NOx. К сожалению, отмечены случаи подгара (эрозия) стенки РК.

Новое поколение реактивных двигателей для силовых установок ЛА тесно связано с освоением («укрощением») процесса детонационного горения.

Эффективный КПД тепловой машины с «укрощенным» детонационным (сверхзвуковым) горением больше КПД двигателя с термодинамическим циклом при V = const, который, в свою очередь, больше КПД двигателя с термодинамическим циклом при Р = const.

На основании анализа выполненных и опубликованных работ по вопросам детонационного горения и положительных результатов работы пульсирующих ВРД (клапанного типа) предлагаются дополнительные экспериментальные исследования и конструктивные проработки по следующим направлениям.

Обычно в качестве топлива для ПуДД стараются использовать те виды топлив, которые используются в авиации. Кроме того предусматривается использование топлив и присадок к ним, вызывающих детонацию. (Западные аналоги ПуДД используют газообразные топлива: водород, этилен и пропан).

Одним из путей совершенствования рабочего процесса ПуДД, намеченных СНТК и сотрудниками ИПРИМ РАН (Т.Н. Кузнецова и В. А. Елизаров), является отработка рабочего процесса на микропузырько-вом керосиново-воздушном топливе [4]. Для осуществления таких испытаний в ИПРИМ РАН проведены лабораторные исследования по приготовлению микропузырьковой керосиново-воздушной смеси. Насыщенный воздухом керосин подвергался воздействию разрежения в специальной форсунке, в результате чего он вскипал с образованием кавитационных микропузырьков. Ожидается, что даже при слабом воздействии ударных волн на пузырьковую среду генерируется мощный импульс давления в виде детонации. В ходе стендовой отработки процесса предполагается решение следующих задач:

- определение условий инициирования детонационного горения;

- отработка цикличности, т.е. обеспечение устойчивых регулярных резонансных пульсаций высокой частоты.

Наряду с таким подходом может быть реализован и другой процесс конверсии керосина, основанный на аномальном свойстве повышенной сжимаемости микропузырьковой среды по сравнению с сжимаемостью обычных газов [4].

В качестве конструктивного мероприятия предлагается реактивный двигатель периодического детонационного сгорания (рис. 3) с управляемыми клапанами, выполненными в виде двух - входного и выходного вращающихся дисков, снабженных отвер-

3

Рис.3. Принципиальная схема регулирования пульсирующего воздушно-реактивного двигателя:

1 - свечи; 2 - электромагнитный датчик; 3 - блок зажигания; 4 - командно-топливный агрегат; 5 - отсечные топливные клапаны камер сгорания; 6 - импульсный топливный клапан; 7 - запорный топливный клапан; 8 - топливный насос; 9 - дисковый клапан

Импульсная линия от электромагнитного датчика Сигнал на свечи зажигания

Управляющий сигнал на отсечные топливные клапаны КС Управляющий сигнал на импульсный топливный клапан Управляющий сигнал на блок зажигания

стиями для входа в камеры сгорания воздуха и выхода горячих газов. Оба диска связаны общим валом. Двигатель снабжен команднотопливной системой регулирования, включающей синхронизированные системы привода вращающихся дисков, впрыска топлива и электроискрового зажигания. Система регулирования двигателя работает по сигналам электромагнитного датчика частоты вращения входного диска. Изменение нагрузки и тяги двигателя производится путем варьирования числом оборотов обоих дисков, приводимых от внешнего электродвигателя постоянного тока. Дополнительное использование на входе воздушного потока неподвижного перфорированного диска позволяет осуществлять внешнее охлаждение камер сгорания и вращающихся дисков, что

способствует повышению их надежности и ресурса двигателя. Положительными сторонами предлагаемой конструкции ПуДД являются его повышенная удельная мощность, возможность регулирования тяги и обеспечение большего ресурса. Таким образом, намечаемые экспериментально-теоретические работы по вопросам детонационного горения и опытно-конструкторские работы по созданию ПуДД являются актуальнейшими и требуют специальной отработки рабочего процесса в хорошо оснащенных лабораторных условиях с надлежащим финансированием.

Библиографический список

1. Нечаев, Ю.Н. Новый тип двигателя с периодическим сгоранием топлива - пульси-

рующий детонационный двигатель / Ю.Н. Нечаев // Вестн. академии наук авиации и космонавтики. -№2.- 2002.- С. 28 -32.

2. Елисеев, Ю.С. Исследование возможности увеличения тяги двухконтурного турбореактивного двигателя с помощью выносных пульсирующих детонационных форсажных камер / Ю.С. Елисеев, Ю.Н. Нечаев, В.А. Левик [и др.] //Двигатели 21 века: тез. докладов. М.: ЦИАМ, 2000. -С.16-17.

3. Курант, Г. Сверхзвуковое течение и ударные волны/ Г. Курант, К. Фридрихс.-М.; ИИЛ,1950. - С. 426.

4. Елизаров, В.А. Некоторые аспекты стендовой отработки пульсирующего детонационного двигателя, работающего на ке-росиново - воздушном топливе / В. А. Елизаров [и др.] // Сб. научных докладов РАН. М.: ИМАТТТ РАН, 2002 - С.338-343.

References

1. Nechaev Y.N. New type of engine with periodic fuel burning - pulsed detonation engine. Vestnik of science academia of aviation and space №2, 2002, p. 28 -32.

2. Eliceev Y.S., Nechaev Y.N., Levik V.A. and other Investigation of by-pass turbojet engine power increasing possibility with offset pulsed detonation afterburner duct. Moscow, TSIAM, «Engines of a 21 age». Theses of lec-tures.2000. p. 16-17.

3. Kurant G., Fridrihs K. Supersonic flows and impact waves. M. IIL.1950. p. 426.

4. Elizarov V.A., Kuznetsova T.N., Lavrov V.N., Rogalev V.V., Tsibisov Yu.I. Some aspects of bench-top optimization of pulsed detonation engine, working on kerosine oil -air fuel. Collection of scientific lectures of RAS. Moscow. IMASH, RAS. 2002. p. 338-343.

MANIPULATE PULSED DETONATION ENGINE

© 2009 Yu. I. Tsibisov1, L. P. Chelydko2

Samara State Aerospace University 2Samara State Technical University

In this paper, executed with participation of doctor of engineerings sciences, professor of Biryuka Vladimir Va-sil'evicha, according to application’s trends of pulsed air-breather engine for aircrafts it is shown a design of engine with periodic fuel detonation burning and manipulated valves.

Pulsed detonation engine, fuel detonation burning, combustion chamber, resonator of high frequency selfoscillation , ring jet pipe

Информация об авторах

Цыбизов Юрий Ильич, доктор технических наук, профессор кафедры теплотехники и тепловых двигателей Самарского государственного аэрокосмического университета, начальник отдела Самарского научно-технического комплекса им Н.Д.Кузнецова. Тел. (846) 335-18-12. E-mail: Teplotex [email protected]. Область научных интересов: тепломассообмен, термодинамика.

Шелудько Леонид Павлович, кандидат технических наук, доцент Самарского государственного технического университета. Тел. (846) 310-03-91. Область научных интересов: тепломассообмен, термодинамика.

Tsibisov Yurii Ilich, doctor of engineering science, professor of Samara State Aerospace University, head of section of JSC “SNTK named after N.D. Kuznetsov”. Phone: (846)335-18-12. Area of research: teplomassoobmen, thermodynamics.

Chelydko Leonid Pavlovich, candidate of technical science, docent of Samara State Technical University. Phone: (846) 310-03-91. Area of research: teplomassoobmen, thermodynamics.