Способ функционирования детонационного двигателя и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2737322:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (RU)
Изобретение может быть использовано в авиационных двигателях. Способ функционирования детонационного двигателя заключается в том, что осуществляют подачу компонентов топлива в кольцевую камеру (1) сгорания, их перемешивание и горение с созданием непрерывной вращающейся волны детонации с последующим истечением продуктов сгорания в тяговое устройство. Компоненты топлива предварительно подают в кольцевой коллектор (4), где осуществляют их перемешивание и подачу в кольцевую камеру (1) сгорания в радиальном направлении к ее оси. Истечение продуктов сгорания осуществляют к оси тягового устройства с дополнительным сжатием продуктов сгорания за счет движения их к оси и фокусирования возмущений, отражающихся от стенки (11) тягового устройства, и проводят дожигание. Раскрыто устройство для реализации способа функционирования детонационного двигателя. Технический результат заключается в повышении удельной тяги и надежности работы силовой установки. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области авиации и может быть использовано для получения тяги и обеспечения движения транспортных средств различного назначения.
По сравнению с традиционными авиационными двигателями детонационные двигатели обеспечивают существенное улучшение тягово-экономических и массогабаритных показателей, упрощение конструкции (Импульсные детонационные двигатели / Под ред. С.М. Фролова, М.: Торус пресс, 2006).
Известны различные варианты способа функционирования двигателя с непрерывно вращающейся детонацией, основанные на исследованиях, описанных в книге Ф.А. Быковского и С.А. Ждана "Непрерывная спиновая детонация" (Новосибирск, Изд-во СО РАН, 2013). Начало исследований восходит к экспериментам Б.В. Войцеховского 1959 г.
Известен способ работы пульсирующего детонационного двигателя (патент RU 2034996, 1995), использованный при разработке турбореактивной или прямоточной силовой установки. Способ получения тяги заключается в сжигании горючего с избытком окислителя, последующей подаче горючего в полученные продукты сгорания, получении рабочего тела и преобразовании его внутренней энергии в работу силы тяги, посредством периодически повторяющегося процесса детонации в газодинамическом резонаторе.
Недостатком рассматриваемого способа работы пульсирующего детонационного двигателя является то, что для сжатия воздуха и топливовоздушной смеси при ее подаче в специальные тяговые модули используется генератор сжатого воздуха, представляющий собой обычный газотурбинный двигатель, что нерационально, так как снижает КПД силовой установки.
Известен способ работы воздушно-реактивного двигателя с тяговыми модулями пульсирующего детонационного сгорания (патент RU 2375601, 2009), заключающийся в том, что горючее активируют перед подачей его в детонационную камеру сгорания в специальных теплообменниках, которые нагревают от источника тока.
Недостатком приведенного способа работы пульсирующего детонационного модуля является необходимость применения специальных теплообменников, что усложняет конструкцию и ухудшает тяговую отдачу двигателя.
Известна система и способ сжигания для поддержания непрерывной детонационной волны с нестационарной плазмой (заявка US 61/245034, 2009; патент RU 2537659, МПК F02K 7/04, 2009), способ содержит подачу компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, их перемешивание и горение с созданием непрерывной вращающейся волны детонации с последующим истечением продуктов сгорания в тяговое устройство. Изобретение позволяет поддерживать непрерывную, стабильную детонационную волну, которая обеспечивает низкое давление подачи и высокую эффективность сжигания топлива.
Способ реализации непрерывной детонации наиболее близок к предлагаемому изобретению, и может быть принят за прототип.
Ключевой особенностью известных способов использования непрерывно вращающейся детонации является движение компонентов топливной смеси через кольцевую камеру сгорания с вращающейся детонацией вдоль оси кольцевой камеры. Это ограничивает область применения этих способов турбореактивными и прямоточными силовыми установками, снижает их КПД, топливную эффективность и удельную тягу.
Известны различные устройства пульсирующего детонационного двигателя с резонатором.
Известна камера сгорания пульсирующего детонационного двигателя (RU 2084675 C1, МПК F02K, 7/02), содержащая в корпусе сверхзвуковое сопло и расположенный соосно с ним резонатор в виде трубки, открытый конец которой обращен в сторону истечения рабочего тела, а другой замкнут. Полость между корпусом и поверхностью сопла является камерой смешения, выходная часть которой представляет собой сверхзвуковое сопло.
Недостатком рассмотренной камеры детонационного горения является необходимость применения генератора сжатого воздуха в виде турбокомпрессорного агрегата из-за нерационального сжигания горючего при малых рабочих давлениях.
Теоретическое исследование возможных характеристик пульсирующего детонационного двигателя с резонатором было выполнено в работах В.А. Левина с соавторами, например: Levin V.A, Nechaev J.N, Tarasov A.I. A new approach to organizing operation cycles in pulsed detonation engines. High-Speed Deflagration and Detonation: Fundamentals and Control. Eds. G.D. Roy, S.M. Frolov, R.W. Netzer, and A.A. Borisov. Moscow, ELEX-KM Publishers, 2001, pp. 223-238. Описанное в этой статье устройство детонационного двигателя, содержащее систему подачи компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, тяговое устройство, резонаторную полость и выходное сопло, наиболее близко к предлагаемому в настоящем изобретении техническому решению, и оно может быть принято за прототип устройства для реализации предлагаемого способа функционирования детонационного двигателя.
Недостатками известного устройства являются, низкие КПД, топливная эффективность, удельная тяга и надежность работы силовой установки
Задачей и техническими результатами заявляемого изобретения являются создание эффективного способа функционирования детонационного двигателя с вращающейся детонацией для получения тяги, обеспечивающего повышение КПД, топливной эффективности, удельной тяги и надежности работы силовой установки.
Решение поставленной задачи и технические результаты достигаются тем, что в предлагаемом способе функционирования детонационного двигателя, содержащем подачу компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, их перемешивание и горение с созданием непрерывной вращающейся волны детонации с последующим истечением продуктов сгорания в тяговое устройство, компоненты топлива предварительно подают в кольцевой коллектор, где осуществляют их перемешивание и подачу в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси. Истечение продуктов сгорания осуществляют к оси тягового устройства, с дополнительным сжатием продуктов сгорания за счет движения их к оси и фокусирования возмущений, отражающихся от стенки тягового устройства, и проводят дожигание.
Технический результат достигается также тем, что компоненты топлива формируют путем предварительной активации углеводородного топлива посредством кислородной конверсии в термохимическом реакторе с получением продуктов конверсии (конвертина) и дополнительной подачи кислорода.
Технический результат достигается также тем, что кислород получают в результате разложения твердотопливного элемента на основе хлоратных или перхлоратных соединений в генераторе кислорода.
Технический результат достигается также тем, что кислород используют для получения конвертина в термохимическом реакторе, и для осуществления процесса детонации в кольцевой камере сгорания.
Технический результат достигается также тем, что отношение расхода кислорода через реактор Gr к расходу кислорода через камеру сгорания Go составляет величину
Технический результат достигается также тем, что горение топлива инициируют электрическим разрядом.
В устройстве для реализации способа функционирования детонационного двигателя, содержащем кольцевую камеру сгорания, систему подачи в нее компонентов топлива, тяговое устройство с отражающей стенкой и выходное сопло, оно дополнительно содержит расположенный на внешней стороне кольцевой камеры сгорания кольцевой топливный коллектор для перемешивания компонентов топлива. Стенка между кольцевым коллектором и кольцевой камерой сгорания имеет отверстия для истечения смешанных компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси.
Технический результат достигается также тем, что система подачи компонентов топлива содержит генератор кислорода, соединенный с кольцевым топливным коллектором, а через трубку Вентури, термохимический реактор и трубопровод продуктов конверсии соединен с противоположной стороной кольцевого топливного коллектора.
Технический результат достигается также тем, что кольцевая камера сгорания в поперечном сечении выполнена прямоугольной.
Технический результат достигается также тем, что отражающая стенка выполнена выпуклой с точки зрения внешнего наблюдателя, например, в форме параболоида.
Технический результат достигается также тем, что отношение площади критического сечения трубки Вентури к площади сечения кислородного трубопровода составляет 
Техническая сущность изобретения поясняется описанием и чертежами, где на фиг. 1-3 показаны:
на фиг. 1 - принципиальная схема детонационного двигателя (продольный разрез), реализующего предлагаемый способ.
на фиг. 2 - поперечный разрез детонационного двигателя с вращающейся волной детонации.
на фиг. 3 приведена зависимость коэффициента избытка окислителя в детонационной камере сгорания αкс от коэффициента избытка окислителя в реакторе αR.
Детонационный двигатель содержит кольцевую камеру сгорания 1, генератор кислорода 2, термохимический реактор 3, топливный коллектор 4 с отверстиями 5 для подачи горючей смеси, твердотопливный элемент 6, кислородный трубопровод 7, трубопровод продуктов реакции термохимической конверсии 8, трубку Вентури 9, отверстие 10 для подачи углеводородного топлива в реактор, отражающую тяговую стенку 11, резонаторную полость 12 и выходное сопло 13.
В отличие от описанных выше двигателей с вращающейся детонацией, в предлагаемом способе функционирования двигателя компоненты топлива предварительно подают в кольцевой коллектор, где осуществляют их перемешивание и подачу в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси. Истечение продуктов сгорания осуществляют к оси тягового устройства с дополнительным сжатием продуктов сгорания за счет движения их к оси и фокусирования возмущений, отражающихся от стенки тягового устройства, и проводят дожигание.
Отличительными особенностями предлагаемого способа функционирования детонационного двигателя также являются:
1) использование предварительной активации углеводородного топлива посредством его кислородной конверсии в термохимическом реакторе с получением конвертина;
2) использование кислорода для получения конвертина в термохимическом реакторе и для осуществления процесса детонации в кольцевой камере сгорания.
3) отношение расхода кислорода через реактор Gr к расходу кислорода через камеру сгорания G02 и составляет величину 
.
4) получение кислорода в результате разложения твердотопливного элемента на основе хлоратных или перхлоратных соединений в генераторе кислорода.
Кислородная конверсия углеводородного топлива осуществляется в термохимическом реакторе, причем кислород получают из твердотопливного элемента, размещенного в генераторе кислорода, например, хлората натрия, реакция разложения которого протекает по приближенному уравнению:
В присутствии в твердотопливном элементе других компонентов суммарная реакция протекает экзотермически, так что кислород на выходе из генератора может достигать высоких температур, что и определяет конверсию в термохимическом реакторе, причем отношение расхода кислорода через реактор Gr к расходу кислорода через камеру сгорания G0 составляет величину 
.
Конверсия углеводородных топлив приводит к появлению в составе горючей смеси высокоактивных компонентов Н, Н2, СО в виде конвертина, что обеспечивает снижение времени горения смеси в детонационной камере сгорания.
Получение кислорода методом технологического горения твердотопливных элементов имеет ряд ценных свойств, таких как автономность, постоянная готовность к применению, высокий выход кислорода с единицы массы и объема рабочего вещества, высокая безопасность и надежность при длительном хранении и эксплуатации.
Использование в детонационной камере сгорания топливной смеси в виде продуктов кислородной конверсии в виде конвертина приводит к повышению КПД, топливной эффективности, увеличению идеальной тяги двигателя и улучшению характеристик процесса в детонационной камере сгорания двигателя.
При работе детонационного двигателя запускается генератор кислорода 2, который производит кислород в процессе разложения твердотопливного элемента 6, кислород с высоким давлением и высокой температурой по трубке Вентури 9 поступает в термохимический реактор 3, в который через отверстие 10 подается углеводородное топливо. В реакторе 3 происходит кислородная конверсия и продукты конверсии в виде конвертина по трубопроводу 8 поступают в кольцевой коллектор 4. По трубопроводу 7 с противоположной стороны кольцевого коллектора 4 из генератора кислорода поступает кислород. В кольцевом коллекторе 4 происходит смешение компонентов топлива, которые через отверстия 5 подаются в кольцевую камеру сгорания 1 в радиальном направлении к ее оси. Кольцевая камера сгорания 1 в поперечном сечении выполнена прямоугольной. Горение топлива в кольцевой камере сгорания 1 инициируется электрическим разрядом. Продукты сгорания истекают в радиальном направлении в резонаторную полость 12 с выпуклой отражающей стенкой 11, например, в форме параболоида и через сопло 13 выходят в атмосферу, создавая тягу двигателя.
Как показали исследования реактора, исходя из совокупности основных показателей процесса можно рекомендовать некоторые оптимальные условия работы реактора
Тогда согласно фиг. 3 оптимальному режиму работы реактора соответствует относительный расход кислорода через ректор β≤0,4 (кривые 14, 15, 16)
где Fr - площадь критического сечения трубки Вентури, FO - площадь сечения трубопровода кислорода.
Исходя из этих условий, выбирается площадь критического сечения трубки Вентури FR и площадь сечения трубопровода кислорода F0.
Предложенный способ функционирования детонационного двигателя и двигательное устройство для его реализации позволяют обеспечить повышение КПД, топливной эффективности, удельной тяги и надежности работы силовой установки, а также возможности реализации вращающейся детонации в ракетных двигателях.
1. Способ функционирования детонационного двигателя, содержащий подачу компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания, их перемешивание и горение с созданием непрерывной вращающейся волны детонации с последующим истечением продуктов сгорания в тяговое устройство, отличающийся тем, что компоненты топлива предварительно подают в кольцевой коллектор, где осуществляют их перемешивание и подачу в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси, истечение продуктов сгорания осуществляют к оси тягового устройства с дополнительным сжатием продуктов сгорания за счет движения их к оси и фокусирования возмущений, отражающихся от стенки тягового устройства, и проводят дожигание.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компоненты топлива формируют путем предварительной активации углеводородного топлива посредством кислородной конверсии в термохимическом реакторе с получением продуктов конверсии и дополнительной подачи кислорода.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что кислород получают в результате разложения твердотопливного элемента на основе хлоратных или перхлоратных соединений в генераторе кислорода.
4. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что кислород используют для получения продуктов конверсии в термохимическом реакторе и для осуществления процесса детонации в кольцевой камере сгорания.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что отношение расхода кислорода через реактор GR к расходу кислорода через камеру сгорания G02 составляет величину 
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горение топлива инициируют электрическим разрядом.
7. Устройство для реализации способа функционирования детонационного двигателя, содержащее кольцевую камеру сгорания, систему подачи в нее компонентов топлива, тяговое устройство с отражающей стенкой и выходное сопло, отличающееся тем, что дополнительно содержит расположенный на внешней стороне кольцевой камеры сгорания кольцевой топливный коллектор для перемешивания компонентов топлива, причем стенка между кольцевым коллектором и кольцевой камерой сгорания имеет отверстия для истечения смешанных компонентов топлива в кольцевую камеру сгорания в радиальном направлении к ее оси.
8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что система подачи компонентов топлива содержит генератор кислорода, соединенный с кольцевым топливным коллектором, а через трубку Вентури, термохимический реактор и трубопровод продуктов конверсии соединен с противоположной стороной кольцевого топливного коллектора.
9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что кольцевая камера сгорания в поперечном сечении выполнена прямоугольной.
10. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что отношение площади критического сечения трубки Вентури к площади сечения кислородного трубопровода составляет 
