Детонационный двигатель — будущее российского двигателестроения. Детонационный пульсирующий двигатель


Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель | Техника и человек

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) – это одна из трех основных разновидностей воздушно-реактивных двигателей (ВРД), особенностью которой является пульсирующий режим работы. Пульсация создает характерный и очень громкий звук, по которому легко узнать эти моторы. В отличие от других типов силовых агрегатов ПуВРД имеет максимально упрощенную конструкцию и небольшой вес.

Строение и принцип действия ПуВРД

Устройство ПуВРД

Устройство ПуВРД

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель – это полый канал, открытый с двух сторон. С одной стороны – на входе – установлен воздухозаборник, за ним – тяговый узел с клапанами, дальше расположена одна или несколько камер сгорания и сопло, через которое выходит реактивный поток. Поскольку работа двигателя циклична, можно выделить основные ее такты:

  • такт впуска, во время которого входной клапан открывается, и в камеру сгорания под действием разряжения в ней попадает воздух. В это же время через форсунки впрыскивается топливо, в результате чего образуется топливный заряд;
  • полученный топливный заряд воспламеняется от искры свечи зажигания, в процессе горения образуются газы с высоким давлением, под действием которого закрывается впускной клапан;
  • при закрытом клапане продукты сгорания выходят через сопло, обеспечивая реактивную тягу. Вместе с тем в камере сгорания при выходе отработанных газов образуется разряжение, входной клапан автоматически открывается и впускает во внутрь новую порцию воздуха.

PulsMotor

Входной клапан двигателя может иметь разные конструкции и внешний вид. Как вариант, он может быть выполнен в виде жалюзи – прямоугольных пластин, закрепленных на раме, которые под действием перепада давления открываются и закрываются. Другая конструкция имеет форму цветка с металлическими «лепестками», расположенными по кругу. Первый вариант более эффективный, зато второй более компактный и может использоваться на небольших по размеру конструкциях, например, при авиамоделизме.

Подача топлива осуществляется форсунками, которые имеют обратный клапан. Когда давление в камере сгорания снижается, подается порция топлива, когда же давление увеличивается за счет горения и расширения газов, подача топлива прекращается. В некоторых случаях, например на маломощных моторах от авиамоделей, форсунок может и не быть, а система подачи топлива при этом напоминает карбюраторный двигатель.

Свеча зажигания расположена в камере сгорания. Она создает серию разрядов, и когда концентрация топлива в смеси достигает нужного значения, топливный заряд воспламеняется. Поскольку двигатель имеет небольшие размеры, его стенки, выполненные из стали, в процессе работы быстро нагреваются и могут поджигать топливную смесь не хуже свечи.

Нетрудно понять, что для запуска ПуВРД нужен первоначальный «толчок», при котором первая порция воздуха попадет в камеру сгорания, то есть такие двигатели нуждаются в предварительном разгоне.

История создания

Первые официально зарегистрированные разработки ПуВРД относятся ко второй половине XIX века. В 60-е годы сразу двое изобретателей независимо друг от друга сумели получить патенты на новый тип двигателя. Имена этих изобретателей – Телешов Н.А. и Шарль де Луврье. В то время их разработки не нашли широкого применения, но уже в начале ХХ века, когда для самолетов подыскивали замену поршневым двигателям, на ПуВРД обратили внимание немецкие конструкторы. Во время Второй мировой войны немцы активно использовали самолет-снаряд ФАУ-1, оснащенный ПуВРД, что объяснялось простотой конструкции этого силового агрегата и его дешевизной, хотя по своим рабочим характеристикам он уступал даже поршневым двигателям. Это был первый и единственный раз в истории, когда этот тип двигателя использовался в массовом производстве самолетов.

Фау-1

Фау-1

После окончания войны ПуВРД остались «в военном деле», где нашли применение в качестве силового агрегата для ракет типа «воздух-поверхность». Но и здесь со временем они утратили свои позиции из-за ограничения по скорости, необходимости первоначального разгона и низкой эффективности. Примерами использования ПуВРД являются ракеты Fi-103, 10Х, 14Х, 16Х, JB-2. В последние годы наблюдается возобновление интереса к этим двигателям, появляются новые разработки, направленные на его усовершенствование, так что, возможно, в скором будущем ПуВРД вновь станет востребованным в военной авиации. На данный момент пульсирующий воздушно-реактивный двигатель возвращают к жизни в области моделирования, благодаря использованию в исполнении современных конструкционных материалов.

Современное исполнение ПуВРД

Современное исполнение ПуВРД

Особенности ПуВРД

Главной особенностью ПуВРД, которая отличает его от его «ближайших родственников» турбореактивного (ТРД) и прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД), является наличие впускного клапана перед камерой сгорания. Именно этот клапан не пропускает обратно продукты сгорания, определяя их направление движения через сопло. В других типах моторов нет необходимости в клапанах – там воздух поступает в камеру сгорания уже под давлением за счет предварительно сжатия. Этот, на первый взгляд, незначительный нюанс играет огромную роль в работе ПуВРД с точки зрения термодинамики.

Второе отличие от ТРД – это цикличность работы. Известно, что в ТРД процесс сжигания топлива проходит практически беспрерывно, что и обеспечивает ровную и равномерную реактивную тягу. ПуВРД работает циклично, создавая колебания внутри конструкции. Для достижения максимальной амплитуды необходимо синхронизировать колебания всех элементов, чего можно добиться путем подбора нужной длины сопла.

В отличие от прямоточного воздушно реактивного двигателя пульсирующий воздушно реактивный двигатель может работать даже на низких скоростях и находясь в неподвижном положении, то есть когда нет встречного потока воздуха. Правда, его работа в таком режиме не способна обеспечить величину реактивной тяги, необходимой для пуска, поэтому самолеты и ракеты, оснащенные ПуВРД, нуждаются в первоначальном ускорении.

Маленькое видео запуски и работы ПуВРД.

Типы ПуВРД

Кроме обычного ПуВРД в виде прямолинейного канала с входным клапаном, что описывались выше, есть и его разновидности: бесклапанный и детонационный.

Бесклапанный ПуВРД, как понятно по его названию, не имеет входного клапана. Причиной его появления и использования стал тот факт, что клапан является довольно уязвимой деталью, которая очень быстро выходит из строя. В этом же варианте «слабое звено» устранено, поэтому и срок службы мотора продлен. Конструкция бесклапанного ПуВРД имеет форму буквы U с концами, направленными назад по ходу реактивной тяги. Один канал длиннее, он «отвечает» за тягу; второй короче, по нему поступает воздух в камеру сгорания, а при горении и расширении рабочих газов часть их выходит через этот канал. Такая конструкция позволяет осуществлять лучшую вентиляцию камеры сгорания, не допускает утечки топливного заряда через входной клапан и создает дополнительную, пусть и незначительную, тягу.

без клаппаный вариант исполнения ПуВРД без клапанный U-образный ПуРВД

Детонационный ПуВРД предполагает сжигание топливного заряда в режиме детонации. Детонация предусматривает резкое повышение давления продуктов горения в камере сгорания при постоянном объеме, а сам объем увеличивается уже при движении газов по соплу. В этом случае повышается термический КПД двигателя в сравнении не только с обычным ПуВРД, но и с любым другим двигателем. На данный момент этот тип моторов не используется, а находится на стадии разработок и исследований.

pjet_combast

детонационный ПуРВД

Достоинства и недостатки ПуВРД, сфера применения

Основными преимуществами пульсирующих воздушно-реактивных двигателей можно считать их простую конструкцию, что тянет за собой их невысокую стоимость. Именно эти качества и стали причиной их использования в качестве силовых агрегатов на военных ракетах, беспилотных самолетах, летающих мишенях, где важны не долговечность и сверхскорость, а возможность установки простого, легкого и дешевого мотора, способного развить нужную скорость и доставить объект к цели. Эти же качества принесли ПуВРД популярность среди любителей авиамоделизма. Легкие и компактные двигатели, которые при желании можно сделать самостоятельно или же купить по приемлемой цене, прекрасно подходят для моделей самолетов.

Недостатков у ПуВРД немало: повышенный уровень шума при работе, неэкономный расход топлива, неполное его сгорание, ограниченность по скорости, уязвимость некоторых конструктивных элементов, таки как входной клапан. Но, несмотря на такой внушительный перечень минусов, ПуВРД по-прежнему незаменимы в своей потребительской нише. Они – идеальный вариант для «одноразовых» целей, когда нет смысла устанавливать более эффективные, мощные и экономичные силовые агрегаты.

zewerok.ru

Детонационный двигатель - будущее российского двигателестроения

В действительности вместо постоянного фронтального пламени в зоне сгорания, образуется детонационная волна, несущаяся со сверхзвуковой скоростью. В такой волне сжатия детонируют топливо и окислитель, этот процесс, с точки зрения термодинамики повышает КПД двигателя на порядок, благодаря компактности зоны сгорания.

Интересно, что ещё в 1940 году советский физик Я.Б. Зельдович предложил идею детонационного двигателя в статье «Об энергетическом использовании детонационного сгорания». С тех пор над перспективной идеей работали многие учёные из разных стран, вперёд выходили то США, то Германия, то наши соотечественники.

Летом, в августе 2016 года российским учёным удалось создать впервые в мире полноразмерный жидкостный реактивный двигатель, работающий на принципе детонационного сгорания топлива. Наша страна наконец-то за многие постперестроечные годы установила мировой приоритет в освоении новейшей техники.

Чем же так хорош новый двигатель? В реактивном двигателе применяется энергия, выделяемая при сжигании смеси при постоянном давлении и неизменным пламенном фронте. Газовая смесь из топлива и окислителя при горении резко повышает температуру и столб пламени, вырывающийся из сопла, создаёт реактивную тягу.

При детонационном горении продукты реакции не успевают разрушиться, потому что этот процесс в 100 раз быстрее дефларгации и давление при этом стремительно увеличивается, а объём остаётся неизменным. Выделение такого большого количества энергии действительно может разрушить двигатель автомобиля, поэтому такой процесс часто ассоциируется со взрывом.

В действительности вместо постоянного фронтального пламени в зоне сгорания, образуется детонационная волна, несущаяся со сверхзвуковой скоростью. В такой волне сжатия детонируют топливо и окислитель, этот процесс, с точки зрения термодинамики повышает КПД двигателя на порядок, благодаря компактности зоны сгорания. Поэтому специалисты так рьяно и приступили к разработке этой идеи.

В обычном ЖРД, по сути, являющейся большой горелкой, главное не камера сгорания и сопло, а топливный турбонасосный агрегат (ТНА), создающий такое давление, чтобы топливо проникло в камеру. К примеру, в российском ЖРД РД-170 для ракет-носителей «Энергия» давление в камере сгорания 250 атм и насосу, подающему окислитель в зону сгорания приходиться создавать давление в 600 атм.

В детонационном двигателе давление создаётся самой детонацией, представляющую бегущую волну сжатия в смеси топлива, в которой давление без всякого ТНА уже в 20 раз больше и турбонасосные агрегаты являются лишними. Чтобы было понятно, у американского «Шаттла» давление в камере сгорания 200 атм, а детонационному двигателю в таких условиях надо всего лишь 10 атм для подачи смеси – это как велосипедный насос и Саяно-Шушенская ГЭС.

Двигатель на основе детонации в таком случае не только более простой и дешёвый на целый порядок, но гораздо мощнее и экономичнее, чем обычный ЖРД.

На пути внедрения проекта детонационного двигателя встала проблема совладения с волной детонации. Это явление непросто взрывная волна, которая имеет скорость звука, а детонационная, распространяющаяся со скоростью 2500 м/сек, в ней нет стабилизации фронта пламени, за каждую пульсацию обновляется смесь и волна вновь запускается.

Ранее русские и французские инженеры разрабатывали и строили реактивные пульсирующие двигатели, но не на принципе детонации, а на основе пульсации обычного горения. Характеристики таких ПуВРД были низкими и когда двигателестроители разработали насосы, турбины и компрессоры, наступил век реактивных двигателей и ЖРД, а пульсирующие остались на обочине прогресса. Светлые головы науки пытались объединить детонационное горение с ПуВРД, но частота пульсаций обычного фронта горения составляет не более 250 в секунду, а фронт детонации обладает скоростью до 2500 м/сек и частота его пульсаций достигает несколько тысяч в секунду. Казалось невозможным воплотить на практике такую скорость обновления смеси и при этом инициировать детонацию.

В СЩА удалось построить такой детонационный пульсирующий двигатель и испытать его в воздухе, правда, проработал он всего 10 секунд, но приоритет остался за американскими конструкторами. Но уже в 60-х годах прошлого века советскому учёному Б.В. Войцеховскому и практически в то же время и американцу из университета в Мичигане Дж. Николсу пришла идея закольцевать в камере сгорания волну детонации.

ЖРДКак работает детонационный ЖРД

Такой ротационный двигатель состоял из кольцевой камеры сгорания с форсунками, размещёнными по её радиусу для подачи топлива. Волна детонации бегает как белка в колесе по окружности, топливная смесь сжимается и выгорает, выталкивая продукты сгорания через сопло. В спиновом двигателе получаем частоту вращения волны в несколько тысяч в секунду, работа его подобна рабочему процессу в ЖРД, только более эффективно, благодаря детонации смеси топлива.

В СССР и США, а позже в России ведутся работы по созданию ротационного детонационного двигателя с незатухающей волной для понимания процессов, происходящих внутри и для этого была создана целая наука —  физико-химическая кинетика. Для расчёта условий незатухающей волны нужны были мощные ЭВМ, которые создали лишь в последнее время.В России над проектом такого спинового двигателя работают многие НИИ и КБ, среди которых двигателестроительная компания космической промышленности НПО «Энергомаш». На помощь в разработке такого двигателя пришёл Фонд перспективных исследований, ведь финансирование от Министерства обороны добиться невозможно – им подавай только гарантированный результат.

Тем не мене на испытаниях в Химках на «Энергомаше» был зафиксирован установившийся режим непрерывной спиновой детонации – 8 тысяч оборотов в секунду на смеси «кислород – керосин». При этом детонационные волны уравновешивали волны вибрации, а теплозащитные покрытия выдержали высокие температуры.

Но не стоит обольщаться, ведь это лишь двигатель-демонстратор, проработавший весьма непродолжительное время и о характеристиках его ещё пока ничего не сказано. Но основное в том, что доказана возможность создания детонационного горения и создан полноразмерный спиновой двигатель именно в России, что останется в истории науки навсегда.

Видео: «Энергомаш» первым в мире испытал детонационный жидкостный ракетный двигатель

 

The following two tabs change content below. Vladimir

Информация об авторе

Vladimir

Рекомендуем к просмотру

comments powered by HyperComments

aviarf.ru

Пульсирующий двигатель детонационного горения

 

Использование: в реактивных двигательных установках. Сущность изобретения: двигатель содержит реактивное сопло с детонационной камерой горения 1, систему подачи и смесеобразования рабочей смеси 2 и систему возбуждения детонации 3. Система подачи и смесеобразования снабжена газогенератором 4, а система возбуждения детонации - форкамерой 5 и газодинамическим клапаном 6. 1 ил.

Изобретение относится к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям с резонансными камерами сгорания, а также к комбинированным прямоточно-пульсирующим воздушно-реактивным двигателям.

Имеется опыт разработки ракетных двигателей, в которых ускоряющая камера выполняется в виде полусферы. Такое выполнение камеры способствует ускорению рабочего тела. Из химических реактивных двигателей близкими к заявленному являются пульсирующие воздушно-реактивные двигатели. Однако они имеют большой удельный расход топлива и небольшой удельный импульс, что связано с низкой степенью сжатия топливно-воздушной смеси перед сгоранием. Данные двигатели работают с фиксированной частотой, т.к. сгорание топлива происходит в камере акустического типа. Наиболее близким по принципу работы и техническому устройству к заявленному изобретению является двигатель по патенту США N 3727409, кл. F 02 K 7/08, опубликованному в 1973 г. Однако и данное устройство полностью не устраняет вышеописанные недостатки. Задача изобретения состоит в усовершенствовании конструкции пульсирующего двигателя детонационного горения (ПДДГ), в которой процесс детонации интенсифицирован за счет увеличения частоты детонационных импульсов, что приводит к увеличению тяги. Решение поставленной задачи заключается в усовершенствовании системы подачи и смесеобразования рабочей смеси, а также системы возбуждения детонации. Указанный технический эффект достигается тем, что в пульсирующем двигателе детонационного горения, содержащем реактивное сопло с детонационной камерой, систему подачи и смесеобразования рабочей смеси и систему возбуждения детонации, система подачи и смесеобразования снабжена газогенератором, а система возбуждения детонации форкамерой и газодинамическим клапаном. На чертеже представлена блочная схема пульсирующего двигателя детонационного горения, которая состоит из реактивного сопла с детонационной камерой 1, система подачи и смесеобразования рабочей смеси 2 и системы возбуждения детонации 3. Реактивное сопло с детонационной камерой 1 предназначено для преобразования химической энергии рабочего тела в кинетическую энергию продуктов детонационного сгорания путем воспламенения и ударного их дожигания. Оно представляет собой полузамкнутую полость, внутри которой установлены элементы системы возбуждения детонации. Открытый конец детонационной камеры переходит в реактивное сопло расширяющейся формы типа сопла ракетного двигателя. Система подачи и смесеобразования 2 состоит из магистралей подачи окислителя и горючего, газогенератора 4 и магистрали подачи продуктов неполного сгорания газогенератора в детонационную камеру двигателя 1. Система возбуждения детонации 3 предназначена для возбуждения, поддержания и управления детонационным процессом в детонационной камере двигателя 1. Она состоит из форкамеры 5, газодинамического клапана 6 и исполнительных элементов, размещенных в детонационной камере 1. Принцип работы двигателя основан на детонационном дожигании продуктов неполного сгорания газогенератора 4 в атмосфере рабочего тела форкамеры 5. При запуске двигателя ракетного топлива окислитель и горючее одновременно подаются в газогенератор 4, работающий по сладкой схеме, т.е. с избытком горючего. Образовавшиеся продукты неполного сгорания по газоводу подаются в детонационную камеру 1, куда одновременно поступает рабочее тело с избытком окислителя из форкамеры 5 через газодинамический клапан 6 и газовод. Газодинамический клапан 6 предназначен для предотвращения проникновений пульсаций давления в форкамеру 5, что обеспечивает ее надежную работу. Отсутствие аналогичного клапана в тракте газогенератора 4 объясняется сверхзвуковым течением продуктов сгорания, а также конструктивными особенностями выполнения газогенератора, в результате чего сама камера сгорания является гасителем колебаний. Первоначально детонационная волна возбуждается исполнительными элементами системы детонации 3, установленными в детонационной камере, что в дальнейшем приводит к детонации продуктов неполного сгорания газогенератора в атмосфере окислителя, поступающего из форкамеры. В дальнейшем поддержание детонационного процесса происходит за счет создания детонационных волн исполнительными элементами системы возбуждения детонации 3. Известно, что уровень тяги ПДДГ пропорционально зависит от объема детонационной камеры и рабочей частоты. Если, например, частота подачи топлива и частота детонационных импульсов будут увеличены вдвое, а объем камеры увеличивается в пять раз, то новый двигатель будет развивать тягу в 10 раз больше исходного уровня. Разработанная конструкция двигателя позволяет, не изменяя объема детонационной камеры, варьировать частотой детонационных импульсов в очень широких пределах. В известных устройствах максимальное значение частоты достигает нескольких десятков Герц. Это объясняется тем, что длина детонационных трубок должна быть не менее нескольких десятков их диаметров, что приводит к увеличению периода детонации за счет транспортных задержек, т.е. к уменьшению частоты детонационных импульсов. В разработанной конструкции детонация возникает не за счет детонационных трубок, а за счет принципиально новых устройств. При этом источником детонации являются скачки уплотнений, возникающие в результате взаимодействия генераторных продуктов сгорания газогенератора в окислительной атмосфере рабочего тела форкамеры. Следовательно, тяга, создаваемая разработанной схемой ПДДГ, в десятки. сотни раз (при прочих равных условиях) будет выше, чем в имеющихся двигателях, что объясняется отсутствием транспортных задержек. Кроме того, увеличение частоты детонационных импульсов приводит к уменьшению объема детонационной камеры, что в свою очередь приводит к уменьшению как массы конструкции mк, так и напряжений, действующих в ней (=pR/). Исходя из формулы К.Э.Циолковского где Vи идеальная скорость полета ЛА; удельный импульс, создаваемый двигателем; относительная масса конструкции, можно сделать вывод, что разработанная схема двигателя приводит к увеличению Vи за счет увеличения Iу и уменьшения к (относительной массы конструкции). При фиксированной дальности полета ЛА это приводит к уменьшению его массовых и геометрических характеристик. Кроме того, ПДДГ могут работать или как воздушно-реактивные двигатели, или как ракетные, используя окружающий воздух или имеющийся на борту ЛА запас окислителя. Это также позволяет им стать хорошими кандидатами на включение в состав гибридных двигательных установок, работающих во всем диапазоне скоростей полета.

Формула изобретения

Пульсирующий двигатель детонационного горения, содержащий реактивное сопло с детонационной камерой, систему подачи и смесеобразования рабочей смеси и систему возбуждения детонации, отличающийся тем, что система подачи и смесеобразования снабжена газогенератором, а система возбуждения детонации - формкамерой и газодинамическим клапаном.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru

В России испытали пульсирующий детонационный двигатель

Опытно-конструкторское бюро имени Люльки разработало, изготовило и испытало опытный образец пульсирующего резонаторного детонационного двигателя с двухстадийным сжиганием керосиновоздушной смеси. Как сообщает ИТАР-ТАСС, средняя измеренная тяга двигателя составила около ста килограммов, а длительность непрерывной работы ─ более десяти минут. До конца текущего года ОКБ намерено изготовить и испытать полноразмерный пульсирующий детонационный двигатель.

  По словам главного конструктора ОКБ имени Люльки Александра Тарасова, в ходе испытаний моделировались режимы работы, характерные для турбореактивного и прямоточного двигателей. Измеренные величины удельной тяги и удельного расхода топлива оказались на 30-50 процентов лучше, чем у обычных воздушно-реактивных двигателей. В ходе экспериментов производилось многократное включение и выключение нового двигателя, а также регулирование тяги.

На основе проведенных исследований, полученных при испытании данных, а также схемно-конструкторского анализа ОКБ имени Люльки намерено предложить разработку целого семейства пульсирующих детонационных авиационных двигателей. В частности, могут быть созданы двигатели с коротким ресурсом работы для беспилотных летательных аппаратов и ракет и самолетные двигатели с крейсерским сверхзвуковым режимом полета.

В перспективе на основе новых технологий могут быть созданы двигатели для ракетно-космических систем и комбинированных силовых установок самолетов, способных выполнять полеты в атмосфере и за ее пределами.

По оценке конструкторского бюро, новые двигатели позволят увеличить тяговооруженность самолетов в 1,5-2 раза. Кроме того, при использовании таких силовых установок дальность полета или масса авиационных средств поражения могут увеличиться на 30-50 процентов. При этом удельный вес новых двигателей будет в 1,5-2 раза меньше аналогичного показателя обычных реактивных силовых установок.

О том, что в России ведутся работы по созданию пульсирующего детонационного двигателя, сообщалось в марте 2011 года. Об этом заявил тогда Илья Федоров, управляющий директор научно-производственного объединения «Сатурн», в состав которого входит ОКБ имени Люльки. О каком именно типа детонационного двигателя шла речь, Федоров не уточнил.

В настоящее время известны три вида пульсирующих двигателей ─ клапанные, бесклапанные и детонационные. Принцип работы этих силовых установок заключается в периодической подаче в камеру сгорания топлива и окислителя, где происходит воспламенение топливной смеси и истечение продуктов сгорания из сопла с образованием реактивной тяги. Отличие от обычных реактивных двигателей заключается в детонационном горении топливной смеси, при котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель был изобретен еще в конце XIX века шведским инженером Мартином Вибергом. Пульсирующий двигатель считается простым и дешевым в изготовлении, однако из-за особенностей горения топлива ─ малонадежным. Впервые новый тип двигателя был использован серийно во время Второй мировой войны на немецких крылатых ракетах Фау-1. На них устанавливался двигатель Argus As-014 компании Argus-Werken.

В настоящее время несколько крупных оборонных фирм мира занимаются исследованиями в области создания высокоэффективных пульсирующих реактивных двигателей. В частности, работы ведут французская компания SNECMA и американские General Electric и Pratt & Whitney. В 2012 году Научно-исследовательская лаборатория ВМС США объявила о намерении разработать спиновый детонационный двигатель, который должен будет заменить на кораблях обычные газотурбинные силовые установки.

Спиновые детонационные двигатели отличаются от пульсирующих тем, что детонационное горение топливной смеси в них происходит непрерывно ─ фронт горения перемещается в кольцевой камере сгорания, в которой топливная смесь постоянно обновляется.

Источник - http://sdelanounas.ru/blogs/41129/

alternathistory.com

Пульсирующий воздушно-реактивный детонационный двигатель

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как зенитные, авиационные и тактические ракеты, беспилотные разведчики, летающие мишени и т.п., а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей. Пульсирующий воздушно-реактивный детонационный двигатель содержит, в частности, цилиндрическую камеру сгорания, резонаторную трубу, впускную трубу и форсунки. Камера сгорания в головной части разделена на два объема трубчатым или пластинчатым пакетом. Первый по ходу течения объем в головной части имеет топливную форсунку и соединен с впускной трубой и форкамерой, установленной напротив форсунки. Второй объем камеры сгорания по ходу течения за трубчатым или пластинчатым элементом снабжен свечами зажигания, установленными за топливными форсунками, и имеет стенки, выполненные с кольцевыми гофрами, и далее соединен с резонаторной трубой. Изобретение направлено на повышение термодинамического кпд путем увеличения амплитуды пульсаций давления. 4 ил.

 

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как зенитные, авиационные и тактические ракеты, беспилотные разведчики, летающие мишени и т.п., а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей.

Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б.Синярев, М.В.Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с.19, 20). Он представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания. В общем случае входное и выходное устройства двигателя могут иметь форму, отличную от прототипа, поэтому в дальнейшем будем называть их принятыми терминами воздухозаборник и сопло.

Клапанная решетка представляет собой конструкцию из несущих элементов - поперечных стержней, подвижных элементов - плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.

Набегающий на двигатель поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги двигателя.

После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру поступает очередная порция воздуха и цикл повторяется.

Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом узла, создающего тягу пульсирующего двигателя и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком двигателе могут выполнять и другие устройства. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться общим термином "тяговый узел" (как часть двигателя) и конкретным - клапанная решетка тягового узла.

Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостаток - плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяга, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги, но главное - низкий ресурс клапанов.

Также известны конструкции ПуВРД, использующие аэродинамические клапаны, "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж.Г.Маркштейна, М., МИР, 1968, с.401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические, описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; №2812635, 1957; №3093962, 1963.

К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия).

Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления, которое достигается путем увеличения скорости сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания ПуВРД, при переходе к детонационному горению, осуществленному за счет воспламенения топливовоздушной смеси горящими высокотемпературными струями. Увеличение же амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно, к снижению удельного расхода топлива.

Техническим результатом изобретения является повышение термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления.

Поставленная техническая задача решается за счет интенсификации процесса массопереноса в камере сгорания, приводящего к росту скорости квазидетонационного горения и соответствующих изменений конструкции ПуВРД и его тягового узла. При этом, под "квазидетонационном" горением подразумевается горение с повышенными скоростями продвижения фронта пламени, составляющими в случае ПуВРД 60-100 м/с. Организация такого режима горения происходит за счет интенсивного массопереноса в камере сгорания. Скорость фронта пламени пропорциональна скорости массопереноса.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном ПуВРД, содержащем, в частности, цилиндрическую камеру сгорания, резонаторную трубу, впускную трубу и форсунки, камера сгорания в головной части разделена на два объема трубчатым или пластинчатым пакетом, при этом первый по ходу течения объем в головной части имеет топливную форсунку и соединен с впускной трубой и форкамерой, установленной напротив форсунки, а второй объем камеры сгорания по ходу течения за трубчатым или пластинчатым элементом снабжен свечами зажигания, установленными за топливными форсунками, и имеет стенки, выполненные с кольцевыми гофрами, и далее соединен с резонаторной трубой.

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант реализации, на котором показана схема предлагаемого пульсирующего воздушно-реактивного детонационного двигателя (ПуВРДД).

На фиг.1 представлена схема заявляемого ПуВРДД;

на фиг.2 показан увеличенный фрагмент головной части ПуВРДД по фиг.1 с изображением форкамеры и впускной трубы;

на фиг.3 показано поперечное сечение А-А трубчатого пакета, а на фиг.4 - пластинчатого пакета.

Позициями на фиг.1-4 показаны:

1 - второй объем камеры сгорания,

2 - запальные свечи зажигания,

3 - топливные форсунки, установленные во втором объеме камеры сгорания,

4 - кольцевые гофры,

5 - резонаторная труба,

6 - трубчатый или пластинчатый пакет,

7 - первый объем камеры сгорания,

8 - топливная форсунка, установленная в первом объеме камеры сгорания,

9 - передняя торцевая стенка,

10 - впускная труба,

11 - чашки аэродинамического клапана,

12 - внутренние кольцевые полости (буферные полости),

13 - форкамера,

14 - соединительный канал.

ПуВРДД, представленный на фиг.1-4, содержит камеру сгорания, выполненную из двух объемов. Второй объем 1 камеры сгорания содержит запальные свечи зажигания 2 и топливные форсунки 3. Боковые стенки второго объема 1 за запальными свечами зажигания 2 выполнены с кольцевыми гофрами 4, переходящими в резонаторную трубу 5. Второй объем 1 камеры сгорания отделен от первого объема 7 камеры сгорания трубчатым или пластинчатым (плоскощелевым) пакетом 6. Внутри первого объема 7 камеры сгорания, на ее наружной стенке, установлена топливная форсунка 8, а на передней торцевой стенке 9 закреплена впускная труба 10 с аэродинамическим клапаном из набора профилированных чашек 11 с внутренними кольцевыми полостями (буферными полостями) 12. Также на торцевой стенке 9, напротив топливной форсунки 8, выполнена форкамера 13, соединяющаяся с первым объемом 7 камеры сгорания соединительным каналом 14.

Рабочий цикл ПуВРДД осуществляется следующим образом.

Набегающий воздушный поток через впускную трубу 10 поступает в первый объем 7 камеры сгорания и далее, проходя сквозь трубчатый или пластинчатый пакет 6, попадает во второй объем 1 камеры сгорания. При подаче топлива через топливные форсунки 3 и 8 в обоих объемах 1 и 7 камеры сгорания образуется топливовоздушная смесь. Подача искры на запальные свечи зажигания 2 приводит к вспышке топливовоздушной смеси во втором объеме 1 камеры сгорания. При этом фронт пламени распространяется и вниз и вверх по потоку. При движении вверх пламя проходит через трубчатый или пластинчатый пакет 6 и воспламеняет топливовоздушную смесь в первом объеме 7 камеры сгорания. Вспышка топливовоздушной смеси в первом объеме 7 камеры сгорания приводит к выбросу продуктов сгорания, воздуха и топлива сквозь щели или трубчатые каналы пакета 6 внутрь второго объема 1 камеры сгорания, где в данный момент происходит процесс дефлаграционного горения. Это ускоряет процесс горения во втором объеме 1 камеры сгорания и далее при движении фронта пламени вдоль кольцевых гофр 4, выполняющих роль «Спирали Щепкина», происходит дальнейшее ускорение горения и переход к детонации.

Детонационный взрыв приводит к выбросу продуктов сгорания через резонаторную трубу 5 и впускную трубу 10. При этом происходит заполнение форкамеры 13 смесью воздуха, топлива и высокотемпературных продуктов сгорания. Для уменьшения выброса через впускную трубу 10 она традиционно может быть выполнена с аэродинамическим клапаном в виде набора чашек 11 с внутренними кольцевыми (буферными) полостями 12.

По мере падения давления в первом объеме 7 камеры сгорания начинается ее продувка воздухом из впускной трубы 10 и одновременно выброс высокотемпературных продуктов из форкамеры 13 на топливную форсунку 8, что приводит к интенсификации испарения топлива. Последующее поступление воздуха во второй объем 1 камеры сгорания, куда подается топливо через форсунки 3, приводит к созданию благоприятных условий для воспламенения от запальной свечи зажигания 2. Таким образом, новое воспламенение топлива от запальных свечей зажигания 2 приводит к повторению рабочего цикла.

Описанный рабочий цикл реализует на практике недавно обнаруженный механизм ускорения перехода процесса горения в детонацию при прохождении через трубчатый или пластинчатый пакет 6. Этот механизм описан в книге «Импульсные детонационные двигатели», под редакцией С.М.Фролова, ст. Т.Фудживара «Исследования импульсных детонационных двигателей в Японии», Торус Пресс, М., 2006, с.502. Он позволял в 10 (десять) раз сократить преддетанационное расстояние.

В заявляемой конструкции ПуВРДД применение подобного механизма интенсификации горения позволило получить скорости циклически следующих детонационных фронтов со скоростями до 1500 м/с.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фигуре. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.

Пульсирующий воздушно-реактивный детонационный двигатель, содержащий, в частности, цилиндрическую камеру сгорания, резонаторную трубу, впускную трубу и форсунки, отличающийся тем, что камера сгорания в головной части разделена на два объема трубчатым или пластинчатым пакетом, при этом первый по ходу течения объем в головной части имеет топливную форсунку и соединен с впускной трубой и форкамерой, установленной напротив форсунки, а второй объем камеры сгорания по ходу течения за трубчатым или пластинчатым элементом снабжен свечами зажигания, установленными за топливными форсунками, и имеет стенки, выполненные с кольцевыми гофрами и далее соединен с резонаторной трубой.

www.findpatent.ru

Пульсирующий детонационный двигатель

Изобретение относится к силовым установкам для получения тяги и обеспечения движения летательных аппаратов различного назначения. Пульсирующий детонационный двигатель содержит корпус, кольцевой воздухозаборник с центральным телом, полузамкнутую детонационную камеру сгорания, инициатор детонации, сопловой аппарат, топливную систему и систему управления. Кольцевой воздухозаборник имеет острую пилообразную входную кромку. В сопловом аппарате на выходе полузамкнутой детонационной камеры установлена система магнитогидродинамического управления фронтом выходной детонационной волны. Изобретение улучшает равномерность поля давления по сечению кольцевого канала воздухозаборника, повышает устойчивость работы двигателя и его тягу. 1 ил.

 

Изобретение относится к силовым установкам для получения тяги и обеспечения движения летательных аппаратов различного назначения.

Известен пульсирующий двигатель детонационного горения (патент RU №2282044, МПК F02K 7/04, 20/08/2006), содержащий корпус, камеру сгорания, кольцевой канал с входом и выходом, кольцевое сопло для подачи топливной смеси, преобразователь химической энергии топливной смеси в виде газодинамического резонатора, механизм инициирования детонации и сопло двигателя.

Недостатком известного устройства являются повышенные гидравлические потери в воздушном тракте двигателя.

Известен способ организации детонационного режима горения в камере сгорания сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (патент RU №2285143, МПК F02K 7/10, 10.10.2006), включающий подачу топливно-воздушной газовой смеси в камеру сгорания двигателя, генерирование внутренних ударных волн в проточной части камеры сгорания, детонационное горение смеси в камере сгорания с последующим расширением продуктов детонации в сопле.

Недостатком известного способа организации детонационного режима горения в камере сгорания двигателя является сложность согласования подачи топливно-воздушной смеси, инициирования детонации и обеспечения устойчивости режима детонационного горения.

Известен также пульсирующий детонационный двигатель с магнитогидродинамическим управлением потоком (варианты) и способ управления детонацией (патент US №2287713, МПК F02K 7/02, F03H 1/00, H02K 44/08, 20.11.2006), содержащий трубу с открытым входом и выходом, между которыми расположена система поджига. На входе труба имеет систему ввода в трубу топливно-воздушной смеси. Для управления детонацией в трубе между вводом топливно-воздушной смеси и системой поджига установлена система магнитогидродинамического управления потоком.

Недостатком пульсирующего детонационного двигателя с магнитогидродинамическим управлением потоком являются потери электромагнитного поля на рассеяние детонационного фронта, распространяющегося вперед ко входу двигателя.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому детонационному двигателю является принятый за прототип гиперзвуковой пульсирующий детонационный двигатель и способ его функционирования (патент RU №2347097, МПК F02K 7/02, 20.02.2007), содержащий корпус, кольцевой воздухозаборник с центральным телом, полузамкнутую детонационную камеру сгорания, инициатор детонации, сопловой аппарат, топливную систему и систему управления. Причем полузамкнутая детонационная камера сгорания сформирована торцевой стенкой центрального тела и внутренней стенкой соплового аппарата, а кольцевой канал воздухозаборника соединен с полузамкнутой детонационной камерой сгорания регулируемым кольцевым щелевым соплом.

Недостатком известного технического решения является неустойчивая работа двигателя при наличии скоса потока на входе кольцевого воздухозаборника.

Задачей заявленного изобретения является создание пульсирующего детонационного двигателя с устойчивой работой на всех режимах полета.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в улучшении равномерности поля давления в канале кольцевого воздухозаборника, повышении устойчивости работы и тяги пульсирующего детонационного двигателя.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в предлагаемом пульсирующем детонационном двигателе, содержащем корпус, кольцевой воздухозаборник с центральным телом, полузамкнутую детонационную камеру сгорания, инициатор детонации, сопловой аппарат, топливную систему и систему управления, кольцевой воздухозаборник имеет острую пилообразную входную кромку, а в сопловом аппарате на выходе полузамкнутой детонационной камеры установлена система магнитогидродинамического управления фронтом выходной детонационной волны.

Схема предлагаемого пульсирующего детонационного двигателя показана на фигуре.

Пульсирующий детонационный двигатель содержит корпус 1, кольцевой воздухозаборник 2, полузамкнутую детонационную камеру сгорания 3, сопловой аппарат 4 и систему управления 5. Центральным телом кольцевого воздухозаборника 2 является корпус 1 с топливным баком 6, теплообменником 7 и активной теплозащитой 8. Полузамкнутая детонационная камера сгорания 3 сформирована внешней поверхностью торцевой стенки 9 с регулируемой перфорацией и внутренней стенкой соплового аппарата 4, а кольцевой воздухозаборник 2 соединен с полузамкнутой детонационной камерой сгорания 3 регулируемым щелевым соплом 10. По оси камеры 3 на торцевой стенке 9 расположен инициатор детонации 11. Кольцевой воздухозаборник имеет острую пилообразную входную кромку 12 с углом при вершине 45±30°, обеспечивающую некритичность к скосам потока и небольшое лобовое сопротивление, а в сопловом аппарате 4 на выходе полузамкнутой детонационной камеры 3 установлена система 13 магнитогидродинамического управления фронтом выходной детонационной волны.

Описываемый пульсирующий детонационный двигатель функционирует следующим образом.

Поток воздуха тормозится в канале воздухозаборника 2 с повышением давления и температуры. В камеру сгорания 3 топливно-воздушную смесь с коэффициентом избытка кислорода более 0,85 подают через кольцевое щелевое сопло 10, а топливно-воздушную смесь с коэффициентом избытка кислорода менее 0,1 вводят через торцевую стенку 9 с регулируемой перфорацией. В результате сталкивания струй в центре полузамкнутой детонационной камеры 3 формируют систему ударных волн и топливно-воздушную смесь, способную детонировать, инициируют детонацию и движение фронта пересжатой детонационной волны через сопловой аппарат 4. При этом осевое магнитное поле системы магнитогидродинамического управления фронтом 13 затягивает процесс размывания фронта выходной детонационной волны, сохраняет его плоским, увеличивает осевую составляющую скорости потока и тягу двигателя.

Полезность предлагаемого изобретения и положительный эффект от его использования заключается в улучшении равномерности поля давления по сечению канала кольцевого воздухозаборника при скосах потока на входе в диапазоне ±15°, повышении устойчивости работы двигателя и его тяги.

Пульсирующий детонационный двигатель, содержащий корпус, кольцевой воздухозаборник с центральным телом, полузамкнутую детонационную камеру сгорания, инициатор детонации, сопловой аппарат, топливную систему и систему управления, отличающийся тем, что кольцевой воздухозаборник имеет острую пилообразную входную кромку, а в сопловом аппарате на выходе полузамкнутой детонационной камеры установлена система магнитогидродинамического управления фронтом выходной детонационной волны.

www.findpatent.ru

В России испытали пульсирующий детонационный двигатель

Опытно-конструкторское бюро имени Люльки разработало, изготовило и испытало опытный образец пульсирующего резонаторного детонационного двигателя с двухстадийным сжиганием керосиновоздушной смеси. Как сообщает ИТАР-ТАСС, средняя измеренная тяга двигателя составила около ста килограммов, а длительность непрерывной работы ─ более десяти минут. До конца текущего года ОКБ намерено изготовить и испытать полноразмерный пульсирующий детонационный двигатель.

По словам главного конструктора ОКБ имени Люльки Александра Тарасова, в ходе испытаний моделировались режимы работы, характерные для турбореактивного и прямоточного двигателей. Измеренные величины удельной тяги и удельного расхода топлива оказались на 30-50 процентов лучше, чем у обычных воздушно-реактивных двигателей. В ходе экспериментов производилось многократное включение и выключение нового двигателя, а также регулирование тяги.

На основе проведенных исследований, полученных при испытании данных, а также схемно-конструкторского анализа ОКБ имени Люльки намерено предложить разработку целого семейства пульсирующих детонационных авиационных двигателей. В частности, могут быть созданы двигатели с коротким ресурсом работы для беспилотных летательных аппаратов и ракет и самолетные двигатели с крейсерским сверхзвуковым режимом полета.

В перспективе на основе новых технологий могут быть созданы двигатели для ракетно-космических систем и комбинированных силовых установок самолетов, способных выполнять полеты в атмосфере и за ее пределами.

По оценке конструкторского бюро, новые двигатели позволят увеличить тяговооруженность самолетов в 1,5-2 раза. Кроме того, при использовании таких силовых установок дальность полета или масса авиационных средств поражения могут увеличиться на 30-50 процентов. При этом удельный вес новых двигателей будет в 1,5-2 раза меньше аналогичного показателя обычных реактивных силовых установок.

О том, что в России ведутся работы по созданию пульсирующего детонационного двигателя, сообщалось в марте 2011 года. Об этом заявил тогда Илья Федоров, управляющий директор научно-производственного объединения «Сатурн», в состав которого входит ОКБ имени Люльки. О каком именно типе детонационного двигателя шла речь, Федоров не уточнил.

В настоящее время известны три вида пульсирующих двигателей ─ клапанные, бесклапанные и детонационные. Принцип работы этих силовых установок заключается в периодической подаче в камеру сгорания топлива и окислителя, где происходит воспламенение топливной смеси и истечение продуктов сгорания из сопла с образованием реактивной тяги. Отличие от обычных реактивных двигателей заключается в детонационном горении топливной смеси, при котором фронт горения распространяется быстрее скорости звука.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель был изобретен еще в конце XIX века шведским инженером Мартином Вибергом. Пульсирующий двигатель считается простым и дешевым в изготовлении, однако из-за особенностей горения топлива ─ малонадежным. Впервые новый тип двигателя был использован серийно во время Второй мировой войны на немецких крылатых ракетах Фау-1. На них устанавливался двигатель Argus As-014 компании Argus-Werken.

В настоящее время несколько крупных оборонных фирм мира занимаются исследованиями в области создания высокоэффективных пульсирующих реактивных двигателей. В частности, работы ведут французская компания SNECMA и американские General Electric и Pratt & Whitney. В 2012 году Научно-исследовательская лаборатория ВМС США объявила о намерении разработать спиновый детонационный двигатель, который должен будет заменить на кораблях обычные газотурбинные силовые установки.

Спиновые детонационные двигатели отличаются от пульсирующих тем, что детонационное горение топливной смеси в них происходит непрерывно ─ фронт горения перемещается в кольцевой камере сгорания, в которой топливная смесь постоянно обновляется

Источник

В России испытали пульсирующий детонационный двигатель

Средняя оценка: 4.4. Голосов: 81

Мнение автора может не совпадать с мнением редакции.

Подписывайтесь на нас в ЯндексДзен и Google+.Добавляйте в библиотеку в GooglePlay Прессе.

ya-russ.ru