Испытания прототипа ротационного детонационного двигателя
Aerojet Rocketdyne
Американская компания Aerojet Rocketdyne получила контракт Национальной лаборатории энергетических технологий США на разработку новой газотурбинной энергетической установки на базе ротационного детонационного двигателя. Как пишет Aviation Week, работы, по итогам которых будет создан прототип новой установки, планируется завершить к середине 2019 года. По предварительной оценке, газотурбинный двигатель нового типа будет иметь по меньшей мере на пять процентов лучшие характеристики, чем обычные такие установки.
Современные газотурбинные работают по принципу преобразования энергии расширяющегося нагретого газа в механическую работу. В таких установках предварительно сжатый атмосферный воздух подается в камеру сгорания, где смешивается с топливом. Затем эта смесь поджигается и, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов горения, которые выходят из сопла под большим давлением. На выходе эти газы вращают турбину, часть механической работы которой передается на приводимый агрегат, например, электрогенератор.
Та часть двигателя, которая отвечает за подачу воздуха, его смешивание с топливом и сгорание, называется газогенератором, или ядром установки. Фронт горения в топливно-воздушной смеси в камере сгорания газогенератора современных двигателей распространяется со скоростью, меньшей скорости звука. Такой процесс горения называется дефлаграцией. В работающем газотурбинном двигателе процесс горения поддерживается постоянно.
В новой газотурбинной установке, разрабатываемом Aerojet Rocketdyne, горение топливно-воздушной смеси в камере сгорания будет детонационным. Так называется процесс, при котором фронт горения распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью. При детонации выделяется существенно большее количество энергии, чем при дефлаграции — это связано с тем, что в первом случае топливо сгорает полнее. В новой установке детонация в камере сгорания будет постоянной, что позволит существенно упростить конструкцию.
Сегодня разрабатываются два типа детонационных двигателей: пульсирующие и ротационные. В пульсирующих топливно-воздушная смесь подается готовой в камеру сгорания через равные промежутки времени. Между каждой подачей смесь детонирует, а продукты ее сгорания выводятся импульсами. Пульсирующие детонационные двигатели не пригодны к использованию в качестве газогенераторов в газотурбинных установках, поскольку высокочастотные пульсации приведут к быстрому разрушению лопаток турбины и нестабильной работе установки.
В ротационных двигателях, первые из которых разрабатывались в СССР в 1950-х годах, используется кольцевая камера сгорания. В ней топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. Во время работы двигателя детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, причем топливная смесь за ней успевает обновиться. При этом в камеру сгорания ротационного двигателя не нужно подавать готовую топливную смесь — фронт высокого давления, движущийся перед детонационной волной, эффективно смешивает необходимые компоненты.
Продукты сгорания в ротационном детонационном двигателе покидают камеру сгорания постоянно. Это позволяет использовать их в качестве газогенератора в газотурбинной установке. На разработку детонационной газотурбинной установки планируется потратить 6,8 миллиона долларов. Помимо Aerojet Rocketdyne к проекту новой детонационной газотурбинной установки будут привлечены несколько американских университетов. В частности, в Университете Пердью будут проводиться испытания детонационного газогенератора совместно с многокаскадной турбиной.
Помимо Aerojet Rocketdyne разработкой детонационной газотурбинной установки занимается Научно-исследовательская лаборатория ВМС США. Американские военные намерены использовать такие установки на надводных кораблях вместо традиционных газотурбинных двигателей. Разработчики полагают, что создание ротационного детонационного газогенератора позволит существенно уменьшить размеры газотурбинных установок. Благодаря установке новых двигателей на корабли ВМС США рассчитывают высвободить больше места на них.
Между тем, в августе текущего года российская специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» испытала первый в мире полноразмерный демонстратор технологий детонационного жидкостного ракетного двигателя, работающего на топливной паре кислород-керосин. Новая силовая установка позволит заменить в перспективных ракетах-носителях обычные жидкостные ракетные двигатели. Благодаря этому новые носители можно будет сделать компактнее и легче.
Василий Сычёв
nplus1.ru
Теоретическое моделирование показало возможность достижения новыми двигателями термического КПД в 89%. Получится ли нечто подобное на практике? (Иллюстрация USN NRL.)
Новые турбины радикально отличаются от нынешних, в которых происходит дефлаграция по циклу Брайтона, имеющая место при горении топливно-воздушных смесей во всех сегодняшних серийных турбинах. Дефлаграцией называют процесс дозвукового горения, при котором образуется быстро перемещающийся фронт химических превращений. При ней передача энергии от зоны реакции в направлении движения фронта происходит за счёт переноса тепла. А вот во время детонации зона превращений распространяется со сверхзвуковой, а не с дозвуковой скоростью, и за передачу энергии отвечает ударное сжатие — значительно более быстрое, чем теплопередача. Благодаря тому, что сгорание в этом случае происходит при постоянном объёме и резко возрастающем давлении, детонационный пульсирующий двигатель должен иметь термический КПД выше, чем у любой турбины, используемой сегодня на американском флоте. Кроме того, такой двигатель должен быть дешевле в производстве, чем обычный турбинный, — примерно как ДВС сходной мощности. Опять же такие двигатели и вовсе могут не иметь движущихся частей, что резко снижает эксплуатационный износ и расходы.
Стоп-стоп, скажет читатель, где-то я это уже видел, причём не в лучшем свете... А как же «Фау-1»? Там, кажется, сходный принцип уже опробовали (Argus As 109-014) — и в целом скорее неуспешно? Полученные шум и вибрации (детонация — детонация и есть) сделали двигатель несовместимым с использованием где-либо, кроме одноразового беспилотника. И это не говоря уже о том, что детонационные волны от предыдущего микровзрыва здорово мешали сдетонировать следующую порцию топлива: это, разумеется, снижало КПД.
Именно поэтому, из-за шума и вибрации, ВМС США и заинтересовались разновидностью пульсирующего ДД — ротационным детонационным двигателем. Он отличается кольцевой камерой сгорания, в которую микроинжекторы впрыскивают топливо и воздух. Сначала топливо поджигается, вслед за этим сверхзвуковая детонационная волна начинает «ходить» по кольцеообразной камере.
Моделирование и проработка двигателя у флотских учёных прошли первую фазу. Согласно её итогам, использование ротационных детонирующих двигателей постоянной детонации приведёт (при сохранении массы и габаритов нынешних турбин, работающих по циклу Брайтона) к росту мощности на 10% и снижению расхода топлива — за счёт увеличения термического КПД — на 25%. Более того, моделирование показало, что в идеальных условиях такой цикл может иметь термический КПД до 85–89% (при углеводородном топливе). Готовые ДУ планируется использовать не столько на новых кораблях, сколько для ретрофиттинга, модернизации уже существующих судов с газовыми турбинами. Сегодня таких кораблей у ВМС США 129, всего на них 430 турбин, и каждая съедает почти по $5 млн ежегодно только в виде топлива.
http://science.compulenta.ru/719064/
is2006.livejournal.com
 Военно-морские силы США планируют в будущем провести модернизацию силовых газотурбинных установок, которые в настоящее время установлены на их самолетах и кораблях, поменяв обычные двигатели с циклом Брайтона на детонационные ротационные двигатели. За счет этого предполагается экономия топлива на сумму около 400 миллионов долларов ежегодно. Однако серийное использование новых технологий возможно, по оценкам экспертов, не ранее, чем через десятилетие. Разработки ротационных, или спиновых ротационных двигателей в Америке проводятся Научно-исследовательской лабораторией флота США. Согласно первоначальным подсчетам, новые двигатели будут обладать большей мощностью, а также примерно на четверть экономичнее обычных двигателей. При этом, основные принципы работы силовой установки останутся прежними – газы от сгоревшего топлива будут поступать в газовую турбину, вращая ее лопасти. Согласно данным лаборатории ВМС США, даже в относительно далеком будущем, когда весь американский флот будет приводиться в действие при помощи электричества, за выработку энергии по-прежнему будут отвечать газовые турбины, в определенной степени видоизмененные. Напомним, что изобретение пульсирующего воздушно-реактивного двигателя приходится на конец девятнадцатого века. Автором изобретения был шведский инженер Мартин Виберг. Широкое распространение новые силовые установки получили в годы Второй мировой войны, хотя они значительно уступали по своим техническим характеристикам авиадвигателям, которые существовали в то время. Надо заметить, что на данный момент времени американский флот насчитывает 129 кораблей, на которых используется 430 газотурбинных двигателя. Каждый год расходы на обеспечение их топливом составляют порядка 2 миллиардов долларов. В будущем, когда современные двигатели будут заменены новыми, изменятся и объемы затрат на топливную составляющую. Двигатели внутреннего сгорания, используемые в настоящее время, работают по циклу Брайтона. Если определить суть данного понятия в нескольких словах, то все сводится к последовательному смешиванию окислителя и топлива, дальнейшем сжатии полученной смеси, затем – поджоге и горении с расширением продуктов горения. Это расширение как раз и используется для приведения в движение, перемещения поршней, вращения турбины, то есть выполнения механических действий, обеспечивая постоянное давление. Процесс горения топливной смеси двигается с дозвуковой скоростью – этот процесс носит название дафлаграция. Что касается новых двигателей, то ученые намерены использовать в них взрывное горение, то есть детонацию, при которой горение происходит со сверхзвуковой скоростью. И хотя в настоящее время явление детонации еще изучено не в полной мере, однако известно, что при таком виде горения возникает ударная волна, которая распространяясь по смеси топлива и воздуха вызывает химическую реакцию, следствием которой является выделение довольно большого количества тепловой энергии. Когда ударная волна проходит через смесь, происходит ее нагрев, что и приводит к детонации. Если сравнивать детонационные ротационные двигатели с пульсирующими, то принцип их работы немного отличается. Так, в частности, в новых двигателях предусмотрена постоянная незатухающая детонация топлива в камере сгорания. Подобное явление получило название спиновая, или вращающаяся детонация. Впервые она была описана в 1956 году советским ученым Богданом Войцеховским. А открыто это явление было гораздо раньше, еще в 1926 году. Первопроходцами стали британцы, которые заметили, что в определенных системах возникала яркая светящаяся «голова», которая двигалась по спирали, вместо детонационной волны, имеющей плоскую форму. Войцеховский же, использовав фоторегистратор, который сам же и сконструировал, сфотографировал фронт волны, которая двигалась в кольцевой камере сгорания в топливной смеси. Спиновая детонация отличается от плоской тем, что в ней возникает единственная ударная поперечная волна, затем следует нагретый газ, который не прореагировал, а уже за этим слоем находится зона химической реакции. И именно такая волна предотвращает сгорание самой камеры, которую Марлен Топчиян обозвал «сплющенным бубликом». Необходимо отметить, что в прошлом детонационные двигатели уже применялись. В частности речь идет и пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, который использовался немцами в конце Второй мировой войны на крылатых ракетах «Фау-1». Производство его было достаточно простое, использование достаточно легкое, однако при этом этот двигатель был не очень надежным для решения важных задач. Далее, в 2008 году, в воздух поднялся Rutang Long-EZ - экспериментальный самолет, оснащенный детонационным пульсирующим двигателем. Полет длился всего десять секунд на высоте тридцати метров. За это время силовая установка развила тягу порядка 890 ньютонов. Экспериментальный образец двигателя, представленный американской лабораторией ВМС США, - это кольцевая конусообразная камера сгорания, имеющая диаметр 14 сантиметров со стороны подачи топлива и 16 сантиметров со стороны сопла. Между стенками камеры расстояние составляет 1 сантиметр, при этом «трубка» имеет длину 17,7 сантиметров. Смесь воздуха и водорода используется в качестве топливной смеси, которая подается под давлением 10 атмосфер в камеру сгорания. Температура смеси составляет 27,9 градусов. Отметим, данная смесь признана самой удобной для изучения явления спиновой детонации. Но, как утверждают ученые, в новых двигателях вполне можно будет использовать топливную смесь, состоящую не только из водорода но и из других горючих компонентов и воздуха. Экспериментальные исследования ротационного двигателя показали его большую эффективность и мощность по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Еще одно достоинство – значительная экономия топлива. В то же время, в ходе проведения эксперимента было выявлено, что сгорание топливной смеси в ротационном «пробном» двигателе происходит неоднородно, поэтому необходимо оптимизировать конструкцию двигателя. Продукты горения, которые расширяются в сопле, можно собрать в одну газовую струю с помощью конуса (это так называемый эффект Коанда), а затем эту струю отправлять в турбину. Под действием этих газов турбина будет вращаться. Таким образом, частично работу турбины можно будет использовать для приведения в движение кораблей, а частично – для выработки энергии, которая необходима для корабельного оборудования и различных систем. Сами двигатели можно производить без подвижных частей, что значительно упростит их конструкцию, что, в свою очередь, снизит стоимость силовой установки в целом. Но это только в перспективе. Перед тем, как запускать новые двигатели в серийное производство, необходимо решить немало непростых задач, одной из которых является подбор прочных термостойких материалов. Отметим, что в данный момент ротационные детонационные двигатели считаются одними из наиболее перспективных двигателей. Разработками их также занимаются ученые из Техасского университета в Арлингтоне. Силовая установка, которая были ими создана, была названа «двигателем непрерывной детонации». В том же университете проводятся исследования по подбору различных диаметров кольцевых камер и различных топливных смесей, в состав которых входят водород и воздух или кислород в различных пропорциях. В России также ведутся разработки в данном направлении. Так, в 2011 году, по словам управляющего директора научно-производственного объединения «Сатурн» И.Федорова, силами ученых Научно-технического центра имени Люльки, ведутся разработки пульсирующего воздушного реактивного двигателя. Работа ведется параллельно с разработками перспективного двигателя, получившего название «Изделие 129» для Т-50. Помимо этого, Федоров также сказал, что объединение ведет исследования по созданию перспективных самолетов следующего этапа, которые, как предполагается, будут беспилотными. При этом руководитель не уточнил, о каком именно виде пульсирующего двигателя идет речь. В данный момент известны три типа таких двигателей – бесклапанный, клапанный и детонационный. Общепринятым, между тем, признан факт, что пульсирующие двигатели являются наиболее простыми и дешевыми в производстве. На сегодняшний день некоторые крупные оборонные фирмы занимаются проведением исследований в сфере создания пульсирующих высокоэффективных реактивных двигателей. Среди этих фирм – американские Pratt & Whitney и General Electric и французская SNECMA. Таким образом, можно сделать определенные выводы: создание нового перспективного двигателя имеет определенные трудности. Главная проблема в данный момент заключается в теории: что именно происходит при движении ударной детонационной волны по кругу, известно лишь в общих чертах, а это в значительной степени усложняет процесс оптимизации разработок. Поэтому новая технология, хотя и имеет очень большую привлекательность, но в масштабах промышленного производства она малореализуема. Однако если исследователям удастся разобраться с теоретическими вопросами, можно будет говорить о настоящем прорыве. Ведь турбины используются не только на транспорте, но и в энергетической сфере, в которой повышение КПД может иметь еще более сильный эффект |
strangeworlds.at.ua
Ротационные детонационные двигатели – экономичная перспектива Военно-морские силы США планируют в будущем провести модернизацию силовых газотурбинных установок, которые в настоящее время установлены на их самолетах и кораблях, поменяв обычные двигатели с циклом Брайтона на детонационные ротационные двигатели. За счет этого предполагается экономия топлива на сумму около 400 миллионов долларов ежегодно. Однако серийное использование новых технологий возможно, по оценкам экспертов, не ранее, чем через десятилетие. Разработки ротационных, или спиновых ротационных двигателей в Америке проводятся Научно-исследовательской лабораторией флота США. Согласно первоначальным подсчетам, новые двигатели будут обладать большей мощностью, а также примерно на четверть экономичнее обычных двигателей. При этом, основные принципы работы силовой установки останутся прежними – газы от сгоревшего топлива будут поступать в газовую турбину, вращая ее лопасти. Согласно данным лаборатории ВМС США, даже в относительно далеком будущем, когда весь американский флот будет приводиться в действие при помощи электричества, за выработку энергии по-прежнему будут отвечать газовые турбины, в определенной степени видоизмененные. Напомним, что изобретение пульсирующего воздушно-реактивного двигателя приходится на конец девятнадцатого века. Автором изобретения был шведский инженер Мартин Виберг. Широкое распространение новые силовые установки получили в годы Второй мировой войны, хотя они значительно уступали по своим техническим характеристикам авиадвигателям, которые существовали в то время. Надо заметить, что на данный момент времени американский флот насчитывает 129 кораблей, на которых используется 430 газотурбинных двигателя. Каждый год расходы на обеспечение их топливом составляют порядка 2 миллиардов долларов. В будущем, когда современные двигатели будут заменены новыми, изменятся и объемы затрат на топливную составляющую. Двигатели внутреннего сгорания, используемые в настоящее время, работают по циклу Брайтона. Если определить суть данного понятия в нескольких словах, то все сводится к последовательному смешиванию окислителя и топлива, дальнейшем сжатии полученной смеси, затем – поджоге и горении с расширением продуктов горения. Это расширение как раз и используется для приведения в движение, перемещения поршней, вращения турбины, то есть выполнения механических действий, обеспечивая постоянное давление. Процесс горения топливной смеси двигается с дозвуковой скоростью – этот процесс носит название дафлаграция. Что касается новых двигателей, то ученые намерены использовать в них взрывное горение, то есть детонацию, при которой горение происходит со сверхзвуковой скоростью. И хотя в настоящее время явление детонации еще изучено не в полной мере, однако известно, что при таком виде горения возникает ударная волна, которая распространяясь по смеси топлива и воздуха вызывает химическую реакцию, следствием которой является выделение довольно большого количества тепловой энергии. Когда ударная волна проходит через смесь, происходит ее нагрев, что и приводит к детонации. В разработке нового двигателя планируется использовать определенные наработки, которые были получены в процессе разработки детонационного пульсирующего двигателя. Его принцип работы состоит в том, что предварительно сжатая топливная смесь подается в камеру сгорания, где осуществляется ее поджог и детонация. Продукты горения расширяются в сопле, выполняя механические действия. Затем весь цикл повторяется сначала. Но недостатком пульсирующих двигателей является то, что частота повторения циклов слишком мала. Помимо этого, конструкция самих этих двигателей в случае увеличения числа пульсаций становится более сложной. Это объясняется необходимостью синхронизации работы клапанов, которые отвечают за подачу топливной смеси, а также непосредственно самими циклами детонирования. Пульсирующие двигатели ко всему прочему еще и очень шумные, для их работы необходимо большое количество топлива, а работа возможна только при постоянном дозированном вспрыскивании топлива. Если сравнивать детонационные ротационные двигатели с пульсирующими, то принцип их работы немного отличается. Так, в частности, в новых двигателях предусмотрена постоянная незатухающая детонация топлива в камере сгорания. Подобное явление получило название спиновая, или вращающаяся детонация. Впервые она была описана в 1956 году советским ученым Богданом Войцеховским. А открыто это явление было гораздо раньше, еще в 1926 году. Первопроходцами стали британцы, которые заметили, что в определенных системах возникала яркая светящаяся «голова», которая двигалась по спирали, вместо детонационной волны, имеющей плоскую форму. Войцеховский же, использовав фоторегистратор, который сам же и сконструировал, сфотографировал фронт волны, которая двигалась в кольцевой камере сгорания в топливной смеси. Спиновая детонация отличается от плоской тем, что в ней возникает единственная ударная поперечная волна, затем следует нагретый газ, который не прореагировал, а уже за этим слоем находится зона химической реакции. И именно такая волна предотвращает сгорание самой камеры, которую Марлен Топчиян обозвал «сплющенным бубликом». Необходимо отметить, что в прошлом детонационные двигатели уже применялись. В частности речь идет и пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, который использовался немцами в конце Второй мировой войны на крылатых ракетах «Фау-1». Производство его было достаточно простое, использование достаточно легкое, однако при этом этот двигатель был не очень надежным для решения важных задач. Далее, в 2008 году, в воздух поднялся Rutang Long-EZ — экспериментальный самолет, оснащенный детонационным пульсирующим двигателем. Полет длился всего десять секунд на высоте тридцати метров. За это время силовая установка развила тягу порядка 890 ньютонов. Экспериментальный образец двигателя, представленный американской лабораторией ВМС США, — это кольцевая конусообразная камера сгорания, имеющая диаметр 14 сантиметров со стороны подачи топлива и 16 сантиметров со стороны сопла. Между стенками камеры расстояние составляет 1 сантиметр, при этом «трубка» имеет длину 17,7 сантиметров. Смесь воздуха и водорода используется в качестве топливной смеси, которая подается под давлением 10 атмосфер в камеру сгорания. Температура смеси составляет 27,9 градусов. Отметим, данная смесь признана самой удобной для изучения явления спиновой детонации. Но, как утверждают ученые, в новых двигателях вполне можно будет использовать топливную смесь, состоящую не только из водорода но и из других горючих компонентов и воздуха. Экспериментальные исследования ротационного двигателя показали его большую эффективность и мощность по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Еще одно достоинство – значительная экономия топлива. В то же время, в ходе проведения эксперимента было выявлено, что сгорание топливной смеси в ротационном «пробном» двигателе происходит неоднородно, поэтому необходимо оптимизировать конструкцию двигателя. Продукты горения, которые расширяются в сопле, можно собрать в одну газовую струю с помощью конуса (это так называемый эффект Коанда), а затем эту струю отправлять в турбину. Под действием этих газов турбина будет вращаться. Таким образом, частично работу турби
www.postsovet.ru
УДК 532. 529 + 629ОБЗОР ПРОЕКТОВ ДЕТОНАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. РОТАЦИОННЫЕ ДЕТОНАЦИОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ1Булат П.В., 2Продан Н.В.1ООО НОЦ «Динамика" —2ООО «Проблемная лаборатория «Турбомашины», Санкт-Петербург, e-mail: kolinti@mail. ruРассмотрена проблема разработки ротационных детонационных двигателей. Представлены основные типы таких двигателей: ротационный детонационный двигатель Николса, двигатель Войцеховского. Рассмотрены основные направления и тенденции развития конструкции детонационных двигателей. Показано, что современные концепции ротационного детонационного двигателя не могут в принципе привести к созданию работоспособной конструкции, превосходящей по своим характеристикам существующие воздушно-реактивные двигатели. Причиной является стремление конструкторов объединить в один механизм генерацию волны, горение топлива и эжекцию топлива и окислителя. В результате самоорганизации ударно-волновых структур детонационное горение осуществляется в минимальном, а не максимальном объеме. Реально достигнутый сегодня результат — детонационное горение в объеме, не превышающем 15% объема камеры сгорания. Выход видится в ином подходе — сначала создается оптимальная конфигурация ударных волн, а уже затем в эту систему подаются компоненты топлива и организуется оптимальное детонационное горение в большом объеме.Ключевые слова: детонационный двигатель, ротационный детонационный двигатель, двигательВойцеховского, круговая детонация, спиновая детонация, импульсный детонационный двигательTRENDS IN THE DEVELOPMENT OF PROJECTS DETONATION ENGINES. ROTATING DETONATION ENGINES1Bulat P.V., 2Prodan N.V.1SEC «Dynamics» ltd-2Problem Laboratory «Turbomachine» ltd, St. Petersburg, e-mail: kolinti@mail. ruThe problem of the development of rotary detonation engines. The main types of engines: a rotary engine detonation Nichols, engine Wojciechowski. The main directions and trends in the design of detonation engines.It is shown that the modern concept of the rotary detonation engine can not, in principle, lead to the creation of a workable design, superior in performance of existing jet engines. The reason is the desire of designers to combine into a single mechanism for the generation of waves, burning fuel and ejecting the fuel and oxidizer. As a result of self-organization of shock-wave structures detonation combustion is carried out in the minimum and not the maximum extent. Actually achieved the result today — detonation combustion in an amount not exceeding 15% of the volume of the combustion chamber. The output is seen in a different approach — first create the optimum configuration of shock waves, and only then are fed into the system components and fuel organized optimum detonation combustion in large volume.Keywords: detonation engine, rotary engine detonation, engine Voitsekhovskii, circular detonation spin detonation, pulse detonation engineРотационные детонационные двигателиВсе виды ротационных детонационных двигателей (КОБ) роднит то, что система подачи топлива объединена с системой сжигания топлива в детонационной волне, но дальше все работает, как в обычном реактивом двигателе — жаровая труба и сопло. Именно этот факт и инициировал такую активность на ниве модернизации газотурбинных двигателей (ГТД). Представляется привлекательным заменить в ГТД только смесительную головку и систему розжига смеси. Для этого нужно обеспечить непрерывность детонационного горения, например, запустив волну детонации по кругу. Одним из первых такую схему предложил Николс в 1957 г. [6], а затем развил ее и в середине 60-х годов провел серию экспериментов с вращающейся детонационной волной (рис. 1).Регулируя диаметр камеры и толщину кольцевого зазора, для каждого вида топливной смеси можно подобрать такую геометрию, что детонация будет устойчивой. На практике соотношения величины зазора и диаметра двигателя получаются неприемлемыми и регулировать скорость распространения волны приходится, управляя подачей топлива, о чем сказано ниже.Так же как и в импульсных детонационных двигателях, круговая детонационная волна способна эжектировать окислитель, что позволяет использовать КОБ при нулевых скоростях. Этот факт повлек за собой шквал экспериментальных и расчетных исследований КОБ с кольцевой камерой сгорания и самопроизвольной эжекцией топливно-воздушной смеси, перечислять здесь которые не имеет никакого смысла. Все они построены примерно по одной схеме (рис. 2), напоминающей схему двигателя Николса (рис. 1).IПродукты сгорания ___Рис. 1. Схема организации непрерывной круговой детонации в кольцевом зазоре:1 — детонационная волна- 2 — слой «свежей» топливной смеси- 3 — контактный разрыв- 4 — распространяющийся вниз по течению косой скачок уплотнения- Б — направление движения детонационной волныР& lt-'-)Рис. 2. Типичная схема ЯВЕ:V- скорость набегающего потока-У4 — скорость потока на выходе из сопла- а — свежая ТВС, Ь — фронт детонационной волны- с — присоединенный косой скачок уплотнения- й — продукты сгорания- р (г) — распределение давления на стенке каналаРазумной альтернативой схеме Николса могла бы стать установка множества топливно-окислительных форсунок, которые бы вспрыскивали топливно-воздушную сместь в область непосредственно перед детонационной волной по определенному закону с заданным давлением (рис. 3). Регулируя давление и скорость подачи топлива в область горения за детонационной волной, можно влиять на скорость ее распространения вверх по потоку. Данное направление является перспективным,но основная проблема в проектировании подобных КОБ заключается в том, что повсеместно используемая упрощенная модель течения во фронте детонационного горения совершенно не соответствует реальности.krРис. З. RDE с регулируемой подачей топлива в область горения. Ротационный двигатель ВойцеховскогоОсновные надежды в мире связываются с детонационными двигателями, работающими по схеме ротационного двигателя Войцеховского. В 1963 г. Б. В. Войцеховский по аналогии со спиновой детонацией [5] разработал схему непрерывного сжигания газа за тройной конфигурацией ударных волн, циркулирующих в кольцевом канале [1] (рис. 4).Рис. 4. Схема Войцеховского непрерывного сжигания газа за тройной конфигурацией ударных волн, циркулирующих в кольцевом канале:I — свежая смесь- 2 — дважды сжатая смесь за тройной конфигурацией ударных волн, область детонацииВ данном случае стационарный гидродинамический процесс с горением газа за ударной волной отличается от схемы детонации Чепмена-Жуге и Зельдовича-Неймана. Такой процесс вполне устойчив, его длительность определяется запасом топливной смеси и в известных экспериментах составляет несколько десятков секунд.Схема детонационного двигателя Войцеховского послужила прототипом многочисленных исследований ротационных и спиновых детонационных двигателей, инициированных в последние 5 лет. На эту схему приходится более 85% всех исследований. Всем им присущ один органический недостаток — зона детонации занимает слишком маленькую часть общей зоны горения, обычно не более 15%. В результате удельные показатели двигателей получаются хуже, чем у двигателейтрадиционной конструкции.О причинах неудач с реализацией схемы BoйцехoвcкoгoБольшинство работ по двигателям с непрерывной детонацией связано с развитием концепции Войцеховского. Несмотря на более чем 40-летнюю историю исследований, результаты фактически остались на уровне 1964 г. Доля детонационного горения не превышает 15% от объема камеры сгорания. Остальное — медленное горение в условиях, далеких от оптимальных.Одной из причин такого положения дел является отсутствие работоспособной методики расчета. Поскольку течение является трехмерным, а при расчете учитываются только законы сохранения количества движения на ударной волне в перпендикулярном к модельному фронту детонации направлении, то результаты расчета наклона ударных волн к потоку продуктов сгорания отличаются от экспериментально наблюдаемых более чем на 30%. Следствием является то, что, несмотря на многолетние исследования различных систем подачи топлива и эксперименты по изменению соотношения компонентов топлива, все, что удалось сделать, — это создать модели, в которых детонационное горение возникает и поддерживается в течение 10−15 с. Ни об увеличении КПД, ни о преимуществах по сравнению с существующими ЖРД и ГТД речи не идет.Проведенный авторами проекта анализ имеющихся схем RDE показал, что все предлагающиеся сегодня схемы RDE неработоспособны в принципе. Детонационное горение возникает и успешно поддержи-вается, но только в ограниченном объеме. В остальном объеме мы имеем дело с обычным медленным горением, причем за неоптимальной системой ударных волн, что приводит к значительным потерям полного давления. Кроме того, давление оказывается также ниже в разы, чем необходимо для идеальных условий горения при стехиометрическом соотношении компонентов топливной смеси. В результате удельный расход топлива на единицу тяги оказывается на 30−40% выше, чем у двигателей традиционных схем.Но самой главной проблемой является сам принцип организации непрерывной детонации. Как показали исследования непрерывной круговой детонации, выполненные еще в 60-е годы [5], [1], фронт детонационного горения представляет собой сложную ударно-волновую структуру, состоящую как минимум из двух тройных конфигураций (о тройных конфигурациях ударных волн [3, 4]. Такая структура с присоединенной зоной детонации, как и любая термодинамическая система с обратной связью. оставленная в покое, стремится занять положение, соответствующее минимальному уровню энергии. В результате тройные конфигурации и область детонационного горения подстраиваются друг под друга так, чтобы фронт детонации перемещался по кольцевому зазору при минимально возможном для этого объеме детонационного горения. Это прямо противоположно той цели, которую ставят перед детонационным горением конструкторы двигателей.ВыводыДля создания эффективного двигателя RDE необходимо решить задачу создания оптимальной тройной конфигурации ударных волн и организации в ней зоны детонационного сжигания. Оптимальные ударно-волновые структуры необходимо уметь создавать в самых разных технических устройствах, например, в оптимальных диффузорах сверхзвуковых воздухозаборников [2]. Основная задача — максимально возможное увеличение доли детонационного горения в объеме камеры сгорания с неприемлемых сегодняшних 15% до хотя бы 85%. Существующие проекты двигателей, основанные на схемах Николса и Войце-ховского, не могут обеспечить выполнения данной задачи.Список литературы1. Войцеховский Б. В., Митрофанов В. В., Топчиян М. Е., Структура фронта детонации в газах. — Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1963.2. Усков В. Н., Булат П. В. О задаче проектирования идеального диффузора для сжатия сверхзвукового потока // Фундаментальные исследования. — 2012. — № 6 (ч. 1). -С. 178−184.3. Усков В. Н., Булат П. В., Продан Н. В. История изучения нерегулярного отражения скачка уплотнения от оси симметрии сверхзвуковой струи с образованием диска Маха // Фундаментальные исследования. — 2012. — № 9 (ч. 2). -С. 414−420.4. Усков В. Н., Булат П. В., Продан Н. В. Обоснование применения модели стационарной Маховской конфигурации к расчету диска Маха в сверхзвуковой струе // Фундаментальные исследования. — 2012. — № 11 (ч. 1). -С. 168−175.5. Щелкин К. И. Неустойчивость горения и детонации газов // Успехи физических наук. — 1965. — Т. 87, вып. 2. -С. 273−302.6. Nichols J.A., Wilkmson H.R., Morrison R.B. Intermittent Detonation as a Trust-Producing Mechanism // Jet Propulsion. -1957. — № 21. — P. 534−541.References1. Vojcehovskij B.V., Mitrofanov V.V., Topchijan M.E., Struktura fronta detonacii v gazah, Novosibirsk, Izd-vo SO AN SSSR, 1963.2. Uskov V.N., Bulat P.V. O zadache proektirovanija ideal’nogo diffuzora dlja szhatija sverhzvukovogo potoka // Fundamental’nye issledovanija. 2012. no. 6 (chast' 1). рр. 178−184-3. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Istorija izuchenija nereguljarnogo otrazhenija skachka uplotnenija ot osi sim-metrii sverhzvukovoj strui s obrazovaniem diska Maha // Fundamental’nye issledovanija. 2012. ni. 9 (chast' 2). рр. 41420.4. Uskov V.N., Bulat P.V., Prodan N.V. Obosnovanie primenenija modeli stacionarnoj Mahovskoj konfiguracii k ra-schetu diska Maha v sverhzvukovoj strue // Fundamental’nye issledovanija. 2012. no. 11 (chast' 1). pp. 168−175.5. Shhelkin K.I. Neustojchivost' gorenija i detonacii ga-zov. Uspehi Fizicheskih Nauk. T. 87. Vol. 2. 1965. Oktjabr', pp. 273−302.6. Nichols J.A., Wilkmson H.R., Morrison R.B. Intermittent Detonation as a Trust-Producing Mechanism. Jet Propulsion, 21, 1957. pp. 534−541.Рецензенты:Усков В. Н., д.т.н., профессор кафедры гидроаэромеханики Санкт-Петербургского государственного университета, математико-механический факультет, г. Санкт-Петербург-Емельянов В. Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой плазмогазодинами-ки и теплотехники, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург.Работа поступила в редакцию 14. 10. 2013.
Показать Свернутьbakalavr-info.ru
Военно-морские силы США планируют в будущем провести модернизацию силовых газотурбинных установок, которые в настоящее время установлены на их самолетах и кораблях, поменяв обычные двигатели с циклом Брайтона на детонационные ротационные двигатели. За счет этого предполагается экономия топлива на сумму около 400 миллионов долларов ежегодно. Однако серийное использование новых технологий возможно, по оценкам экспертов, не ранее, чем через десятилетие.
Разработки ротационных, или спиновых ротационных двигателей в Америке проводятся Научно-исследовательской лабораторией флота США. Согласно первоначальным подсчетам, новые двигатели будут обладать большей мощностью, а также примерно на четверть экономичнее обычных двигателей. При этом, основные принципы работы силовой установки останутся прежними – газы от сгоревшего топлива будут поступать в газовую турбину, вращая ее лопасти. Согласно данным лаборатории ВМС США, даже в относительно далеком будущем, когда весь американский флот будет приводиться в действие при помощи электричества, за выработку энергии по-прежнему будут отвечать газовые турбины, в определенной степени видоизмененные.
Напомним, что изобретение пульсирующего воздушно-реактивного двигателя приходится на конец девятнадцатого века. Автором изобретения был шведский инженер Мартин Виберг. Широкое распространение новые силовые установки получили в годы Второй мировой войны, хотя они значительно уступали по своим техническим характеристикам авиадвигателям, которые существовали в то время.
Надо заметить, что на данный момент времени американский флот насчитывает 129 кораблей, на которых используется 430 газотурбинных двигателя. Каждый год расходы на обеспечение их топливом составляют порядка 2 миллиардов долларов. В будущем, когда современные двигатели будут заменены новыми, изменятся и объемы затрат на топливную составляющую.
Двигатели внутреннего сгорания, используемые в настоящее время, работают по циклу Брайтона. Если определить суть данного понятия в нескольких словах, то все сводится к последовательному смешиванию окислителя и топлива, дальнейшем сжатии полученной смеси, затем – поджоге и горении с расширением продуктов горения. Это расширение как раз и используется для приведения в движение, перемещения поршней, вращения турбины, то есть выполнения механических действий, обеспечивая постоянное давление. Процесс горения топливной смеси двигается с дозвуковой скоростью – этот процесс носит название дафлаграция.
Что касается новых двигателей, то ученые намерены использовать в них взрывное горение, то есть детонацию, при которой горение происходит со сверхзвуковой скоростью. И хотя в настоящее время явление детонации еще изучено не в полной мере, однако известно, что при таком виде горения возникает ударная волна, которая распространяясь по смеси топлива и воздуха вызывает химическую реакцию, следствием которой является выделение довольно большого количества тепловой энергии. Когда ударная волна проходит через смесь, происходит ее нагрев, что и приводит к детонации.
В разработке нового двигателя планируется использовать определенные наработки, которые были получены в процессе разработки детонационного пульсирующего двигателя. Его принцип работы состоит в том, что предварительно сжатая топливная смесь подается в камеру сгорания, где осуществляется ее поджог и детонация. Продукты горения расширяются в сопле, выполняя механические действия. Затем весь цикл повторяется сначала. Но недостатком пульсирующих двигателей является то, что частота повторения циклов слишком мала. Помимо этого, конструкция самих этих двигателей в случае увеличения числа пульсаций становится более сложной. Это объясняется необходимостью синхронизации работы клапанов, которые отвечают за подачу топливной смеси, а также непосредственно самими циклами детонирования. Пульсирующие двигатели ко всему прочему еще и очень шумные, для их работы необходимо большое количество топлива, а работа возможна только при постоянном дозированном вспрыскивании топлива.
Если сравнивать детонационные ротационные двигатели с пульсирующими, то принцип их работы немного отличается. Так, в частности, в новых двигателях предусмотрена постоянная незатухающая детонация топлива в камере сгорания. Подобное явление получило название спиновая, или вращающаяся детонация. Впервые она была описана в 1956 году советским ученым Богданом Войцеховским. А открыто это явление было гораздо раньше, еще в 1926 году. Первопроходцами стали британцы, которые заметили, что в определенных системах возникала яркая светящаяся «голова», которая двигалась по спирали, вместо детонационной волны, имеющей плоскую форму.
Войцеховский же, использовав фоторегистратор, который сам же и сконструировал, сфотографировал фронт волны, которая двигалась в кольцевой камере сгорания в топливной смеси. Спиновая детонация отличается от плоской тем, что в ней возникает единственная ударная поперечная волна, затем следует нагретый газ, который не прореагировал, а уже за этим слоем находится зона химической реакции. И именно такая волна предотвращает сгорание самой камеры, которую Марлен Топчиян обозвал «сплющенным бубликом».
Необходимо отметить, что в прошлом детонационные двигатели уже применялись. В частности речь идет и пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, который использовался немцами в конце Второй мировой войны на крылатых ракетах «Фау-1». Производство его было достаточно простое, использование достаточно легкое, однако при этом этот двигатель был не очень надежным для решения важных задач.
Далее, в 2008 году, в воздух поднялся Rutang Long-EZ - экспериментальный самолет, оснащенный детонационным пульсирующим двигателем. Полет длился всего десять секунд на высоте тридцати метров. За это время силовая установка развила тягу порядка 890 ньютонов.
Экспериментальный образец двигателя, представленный американской лабораторией ВМС США, - это кольцевая конусообразная камера сгорания, имеющая диаметр 14 сантиметров со стороны подачи топлива и 16 сантиметров со стороны сопла. Между стенками камеры расстояние составляет 1 сантиметр, при этом «трубка» имеет длину 17,7 сантиметров.
Смесь воздуха и водорода используется в качестве топливной смеси, которая подается под давлением 10 атмосфер в камеру сгорания. Температура смеси составляет 27,9 градусов. Отметим, данная смесь признана самой удобной для изучения явления спиновой детонации. Но, как утверждают ученые, в новых двигателях вполне можно будет использовать топливную смесь, состоящую не только из водорода но и из других горючих компонентов и воздуха.
Экспериментальные исследования ротационного двигателя показали его большую эффективность и мощность по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Еще одно достоинство – значительная экономия топлива. В то же время, в ходе проведения эксперимента было выявлено, что сгорание топливной смеси в ротационном «пробном» двигателе происходит неоднородно, поэтому необходимо оптимизировать конструкцию двигателя.
Продукты горения, которые расширяются в сопле, можно собрать в одну газовую струю с помощью конуса (это так называемый эффект Коанда), а затем эту струю отправлять в турбину. Под действием этих газов турбина будет вращаться. Таким образом, частично работу турбины можно будет использовать для приведения в движение кораблей, а частично – для выработки энергии, которая необходима для корабельного оборудования и различных систем.
Сами двигатели можно производить без подвижных частей, что значительно упростит их конструкцию, что, в свою очередь, снизит стоимость силовой установки в целом. Но это только в перспективе. Перед тем, как запускать новые двигатели в серийное производство, необходимо решить немало непростых задач, одной из которых является подбор прочных термостойких материалов.
Отметим, что в данный момент ротационные детонационные двигатели считаются одними из наиболее перспективных двигателей. Разработками их также занимаются ученые из Техасского университета в Арлингтоне. Силовая установка, которая были ими создана, была названа «двигателем непрерывной детонации». В том же университете проводятся исследования по подбору различных диаметров кольцевых камер и различных топливных смесей, в состав которых входят водород и воздух или кислород в различных пропорциях.
В России также ведутся разработки в данном направлении. Так, в 2011 году, по словам управляющего директора научно-производственного объединения «Сатурн» И.Федорова, силами ученых Научно-технического центра имени Люльки, ведутся разработки пульсирующего воздушного реактивного двигателя. Работа ведется параллельно с разработками перспективного двигателя, получившего название «Изделие 129» для Т-50. Помимо этого, Федоров также сказал, что объединение ведет исследования по созданию перспективных самолетов следующего этапа, которые, как предполагается, будут беспилотными.
При этом руководитель не уточнил, о каком именно виде пульсирующего двигателя идет речь. В данный момент известны три типа таких двигателей – бесклапанный, клапанный и детонационный. Общепринятым, между тем, признан факт, что пульсирующие двигатели являются наиболее простыми и дешевыми в производстве.
На сегодняшний день некоторые крупные оборонные фирмы занимаются проведением исследований в сфере создания пульсирующих высокоэффективных реактивных двигателей. Среди этих фирм – американские Pratt & Whitney и General Electric и французская SNECMA.
Таким образом, можно сделать определенные выводы: создание нового перспективного двигателя имеет определенные трудности. Главная проблема в данный момент заключается в теории: что именно происходит при движении ударной детонационной волны по кругу, известно лишь в общих чертах, а это в значительной степени усложняет процесс оптимизации разработок. Поэтому новая технология, хотя и имеет очень большую привлекательность, но в масштабах промышленного производства она малореализуема.
Однако если исследователям удастся разобраться с теоретическими вопросами, можно будет говорить о настоящем прорыве. Ведь турбины используются не только на транспорте, но и в энергетической сфере, в которой повышение КПД может иметь еще более сильный эффект.
Использованы материалы:http://science.compulenta.ru/719064/http://lenta.ru/articles/2012/11/08/detonation/
so-l.ru
Американская компания Aerojet Rocketdyne получила контракт Национальной лаборатории энергетических технологий США на разработку новой газотурбинной энергетической установки на базе ротационного детонационного двигателя. Как пишет Aviation Week, работы, по итогам которых будет создан прототип новой установки, планируется завершить к середине 2019 года. По предварительной оценке, газотурбинный двигатель нового типа будет иметь по меньшей мере на пять процентов лучшие характеристики, чем обычные такие установки.
Современные газотурбинные работают по принципу преобразования энергии расширяющегося нагретого газа в механическую работу. В таких установках предварительно сжатый атмосферный воздух подается в камеру сгорания, где смешивается с топливом. Затем эта смесь поджигается и, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов горения, которые выходят из сопла под большим давлением. На выходе эти газы вращают турбину, часть механической работы которой передается на приводимый агрегат, например, электрогенератор.
Та часть двигателя, которая отвечает за подачу воздуха, его смешивание с топливом и сгорание, называется газогенератором, или ядром установки. Фронт горения в топливно-воздушной смеси в камере сгорания газогенератора современных двигателей распространяется со скоростью, меньшей скорости звука. Такой процесс горения называется дефлаграцией. В работающем газотурбинном двигателе процесс горения поддерживается постоянно.
В новой газотурбинной установке, разрабатываемом Aerojet Rocketdyne, горение топливно-воздушной смеси в камере сгорания будет детонационным. Так называется процесс, при котором фронт горения распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью. При детонации выделяется существенно большее количество энергии, чем при дефлаграции — это связано с тем, что в первом случае топливо сгорает полнее. В новой установке детонация в камере сгорания будет постоянной, что позволит существенно упростить конструкцию.
Сегодня разрабатываются два типа детонационных двигателей: пульсирующие и ротационные. В пульсирующих топливно-воздушная смесь подается готовой в камеру сгорания через равные промежутки времени. Между каждой подачей смесь детонирует, а продукты ее сгорания выводятся импульсами. Пульсирующие детонационные двигатели не пригодны к использованию в качестве газогенераторов в газотурбинных установках, поскольку высокочастотные пульсации приведут к быстрому разрушению лопаток турбины и нестабильной работе установки.
В ротационных двигателях, первые из которых разрабатывались в СССР в 1950-х годах, используется кольцевая камера сгорания. В ней топливная смесь подается последовательно через радиально расположенные клапаны. Во время работы двигателя детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, причем топливная смесь за ней успевает обновиться. При этом в камеру сгорания ротационного двигателя не нужно подавать готовую топливную смесь — фронт высокого давления, движущийся перед детонационной волной, эффективно смешивает необходимые компоненты.
Продукты сгорания в ротационном детонационном двигателе покидают камеру сгорания постоянно. Это позволяет использовать их в качестве газогенератора в газотурбинной установке. На разработку детонационной газотурбинной установки планируется потратить 6,8 миллиона долларов. Помимо Aerojet Rocketdyne к проекту новой детонационной газотурбинной установки будут привлечены несколько американских университетов. В частности, в Университете Пердью будут проводиться испытания детонационного газогенератора совместно с многокаскадной турбиной.
Помимо Aerojet Rocketdyne разработкой детонационной газотурбинной установки занимается Научно-исследовательская лаборатория ВМС США. Американские военные намерены использовать такие установки на надводных кораблях вместо традиционных газотурбинных двигателей. Разработчики полагают, что создание ротационного детонационного газогенератора позволит существенно уменьшить размеры газотурбинных установок. Благодаря установке новых двигателей на корабли ВМС США рассчитывают высвободить больше места на них.
Между тем, в августе текущего года российская специализированная лаборатория «Детонационные ЖРД» испытала первый в мире полноразмерный демонстратор технологий детонационного жидкостного ракетного двигателя, работающего на топливной паре кислород-керосин. Новая силовая установка позволит заменить в перспективных ракетах-носителях обычные жидкостные ракетные двигатели. Благодаря этому новые носители можно будет сделать компактнее и легче.
tehnowar.ru
