Структурный синтез пульсирующего детонационного реактивного двигателя

Актуальность.

Современные авиационные двигатели, использующие сжигание топлива при постоянном давлении, практически достигли максимально возможного термодинамического совершенства. Одна из возможностей улучшения их характеристик может быть связана с использованием детонационного сжигания топлива.

Как известно, детонация — быстротечный, практически мгновенный процесс с выделением тепловой энергии на длине соизмеримой с длиной свободного пробега молекул и сопровождающийся возникновением ударной волны [1]. Такой процесс, с точки зрения термодинамики, близок к адиабатному процессу, протекающему без теплообмена с внешней средой при постоянном объеме. Анализ рабочего процесса, приведенный в [2], показывает, что детонационное сжигание топлива термодинамически более выгодно, даже по сравнению с изохорическим. Использование детонационного сжигания топлива позволит, во-первых, упростить конструкцию двигателя путем либо исключения, либо существенного упрощения системы подачи топлива и, во-вторых, увеличение термодинамического КПД цикла для пульсирующих детонационных двигателей (ПДД) позволяет надеяться на получение более высокой топливной экономичности.

Хотя идея использования детонационного горения в двигателях и стационарных установках была высказана давно, систематических исследований по этой проблеме долгое время не проводилось. Дело в том, что рядом отдельных работ, выполненных в основном в США в середине прошлого века, выяснилось, что для получения приемлемых тяговых характеристик необходимо сжигать топливо с частотой генерации детонационных волн не менее 100 гц. Поскольку это создавало много непреодолимых на то время технических проблем в организации пульсирующего процесса с периодическим заполнением камеры сгорания воздушно-топливной смесью и инициированием детонации, данная идеябыла признана, в целом, малоперспективной [3,4].

Благодаря последним достижениям в материаловедении, химических технологиях, вычислительной технике и лазерной диагностике, удалось, решить ряд технических проблем, связанных с организацией контролируемого процесса детонационного сжигания топлива вкамере сгоранияказавшихся неразрешимыми ранее. Появилось множество публикаций-, в" которых рассматривались, как. концепцииПДД вцелом, так и отдельные элементы двигателей. В настоящий момент ПДД считаются наиболее привлекательнымидля приложенийв авиации и ракетной технике. В авиации: самым перспективным направлением использования ПДД' считается форсирование тяги двигателя: В одном из вариантов предлагается заменить, существующие форсажные камеры в турбореактивных авиационных двигателях на трубчато-кольцевые камеры ПДД. Учитывая потенциально более высокую топливную экономичность ПДД по сравнению с традиционной форсажной камеройих использование должно позволить, существенно: расширить, маневренные показатели и увеличить дальность полета ЛА. Кроме, тогорассматриваются возможности использования-ПДД'вжачестве основного двигателяшли в составе комбинированною силовой установки. В ракетной? технике: основное внимание уделяют изучению возможности замены дорогостоящих малогабаритных газотурбинных двигателей на воздушно-реактивные ПДД [5].

Однако практически во всех работах анализ характеристик ПДД рассматривается применительно к одиночному циклу, тогда какприемлемые удельные тяговые характеристики и полный КПД для различных движительных систем с ПДД достигается только при высокой? частоте пульсаций;

Объектом исследования7 данной диссертации являются схема пульсирующего детонационного двигателя и анализ его составных частей;

Целью — диссертационного исследования? является решение задачи структурного синтеза в части выбора состава основных подсистем и элементов, а также оценка их эффективностии определение основных закономерностей изменения эффективности ПДД различных схем на основе расчетно-экспериментального исследования.

Для достижения поставленной в работе цели решены следующие основные задачи:

1. Создан экспериментальный стенд для исследования инициирования детонационной волны и режимов работы камеры сгорания;

2. Предложен и экспериментально подтвержден способ инициирования детонационной волны, обеспечивающий высокую частоту работы двигателя;

3. На основе экспериментальных данных разработана математическая модель ПДД для анализа эффективности различных схем движителей в составе двигателя.

Методами решения задач являются численные методы для решения задач газовой динамики, методы системного анализа. Экспериментальное изучение объекта исследования обеспечивается модельным экспериментом.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

1. Разработан способ устойчивого инициирования детонационной волны и способ поддержания автоколебательного режима работы камеры сгорания ПДД;

2. На модельном стенде экспериментально подтверждена его работоспособность на высоких частотах в режиме автоколебаний.

3. Разработана методика расчета тяги ПДД для задач формирования облика двигателя.

Практическое значение исследования заключается в том, что разработана методика оценки основных характеристик ПДД на этапе проектирования для выбора геометрии камеры сгорания и оценки влияния движителей на характеристики ПДД.

На защиту выносятся:

1. Модельный стенд для исследования газодинамического способа инициирования и режимов работы для различных топливных пар;

2. Газодинамический способ инициирования детонационной волны в камере сгорания ПДД;

3. Организация автоколебательного режима работы камеры сгорания с использованием газодинамического способа инициирования;

4. Инженерная методика расчета характеристик ПДД для задач формирования облика двигателя;

5. Результаты математического моделирования с использованием различных движительных систем.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями по инициированию детонационной волны, соответствием измеренной скорости детонационной волны оптическими датчиками и пьезоэлектрическими датчиками значениям скоростей, полученных с помощью представленной методики расчета.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на двенадцатой международной научно-технической конференции -«МЭИ» г. Москва 2006, на конкурсе научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» г. Москва 2009, на заседаниях кафедры конструкции двигателей летательных аппаратов МАИ.

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в статьях [6,7] журналов, входящих в рекомендованный ВАКом России перечень изданий, в сборниках тезисов докладов на научно-технических конференциях [8,9] и отчетах о НИР [10,11].

Структура диссертационной работы.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 51 наименования. Текст работы изложен на 130 машинописных страницах, включает в себя 57 рисунков и 3 таблицы.

В первой главе диссертационной работы проведен обзор литературы по ПДД, приведено сравнение термодинамических циклов, получивших наибольшее распространение в авиации и ракетно-космической технике, рассмотрены наиболее распространенные схемы ПДД, их особенности и проблемы и на их основе сформулированы задачи для решения в данной работе.

Во второй главе подробно рассмотрены два принципа инициирования детонационной волны в камере ПДД и конструкция исследовательских стендов. Описаны эксперименты и их анализ по инициированию детонационной волны с заданной частотой и в режиме автоколебаний в модельной камере сгорания, выявлены особенности, возникшие при испытаниях.

В третьей главе представлена инженерная методика расчета характеристик ПДД, с помощью которой проведен анализ эффективности движительных систем при различных внешних условиях. Рассмотрено применение детонационных камер в качестве альтернативы форсажной камере ТРДДФ с форсированием только по наружному контуру.

Основные результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1. Создан стенд-демонстратор пульсирующего детонационного двигателя на жидком топливе, на основе которого:

— предложен и реализован в разработанной экспериментальной установке газодинамический способ инициирования детонационной волны в камере сгорания ПДД, основанный на эффекте Гартмана;

— получено устойчивое инициирование детонационной волны в камере сгорания ПДД на распространенном в авиационной и ракетной промышленности топливе;

— реализован режим автоколебаний, получена высокая частота пульсаций модельной камеры сгорания — 100 Гц.

2. Разработана инженерная методика расчета основных характеристик клапанных ПДД для задач формирования облика двигателя;

3. Проведен анализ характеристик таких движителей ПДД, как коническое расширяющиеся сопло, эжектор, вращающийся коллектор, определено влияние внешних условий на тягу и удельный импульс. Показано, что:

— использование соплового насадка в условиях атмосферы при начальном давлении близком к атмосферному из-за нерасчетного режима работы не позволяет существенно увеличить тягу камеры сгорания;

— при степени сжатия равной 30 оптимальная геометрическая степень расширения сопла составила около 7 (расчетная максимальная геометрическая степень расширения равна 20,5), при этом увеличение тяги составило 24%;

— использование соплового насадка в условиях вакуума позволяет существенно увеличить тягу из-за пульсирующего режима работы камеры сгорания и отсутствия режима перерасширения на протяжении всего цикла работы. Так для начального давления в камере сгорания 1 атм. и геометрической степени расширения сопла равной 16 получено увеличение тяги на 70%- - использование присоединенной массы позволяет увеличить тяговые характеристики детонационного двигателя, так для рассмотренного соотношения присоединенной массы к массе TBC равного 1.1, увеличение тяги составило 16 — 39% в зависимости от скорости присоединенной массы. Показано, что применение трубчато-кольцевой камеры сгорания ПДД в качестве альтернативы форсажной камере воздушно-реактивных двигателей военного применения позволит увеличить дальность полета и диапазон частичного форсирования.

Заключение

.