Кратко к вопросу о детонационых двигателях
1.Замена обычного горения детонационным за счет особенностей газодинамики фронта ударной волны, увеличивает теоретическую предельно достижимую полноту сгорания смеси, что позволяет повысить КПД двигателя, и снизить расход, примерно на 5-20%. Это актуально для всех типов двигателей, как ДВС, так и реактивных.2. Скорость сгорания порции топливной смеси увеличивается примерно в 10-100 раз, значит теоретически можно для ДВС увеличить литровую мощность (или удельную тягу на килограмм массы для реактивных двигателей) примерно в такое же количество раз. Этот фактор актуален тоже для всех типов двигателей.
3. Фактор актуальный только для реактивных двигателей всех типов: так как процессы горения идут в камере сгорания на сверхзвуковых скоростях, а температуры и давления в камере сгорания возрастают в разы, то появляется отличная теоретическая возможность многократно увеличить и скорость истечения реактивной струи из сопла. Что в свою очередь ведет к пропорциональному росту тяги, удельного импульса, экономичности, и/или снижению массы двигателя и требуемого топлива.
Все эти три фактора очень важны, но носят не революционный, а так сказать эволюционный характер. Революционным является четвертый и пятый фактор, и относится он только к реактивным двигателям:
4. Только применение детонационных технологий позволяет создать прямоточный (а значит, — на атмосферном окислителе!) универсальный реактивный двигатель приемлемой массы, размеров и тяги, для практического и широкомасштабной освоения диапазона до-, сверх-, и гиперзвуковых скоростей 0-20Мах.
5.Только детонационные технологии позволяют выжать из химических ракетных двигателей (на паре топливо-окислитель) скоростные параметры требуемые для их широкого применения в межпланетных перелетах.
П.4 и 5. теоретически открывают нам а) дешевую дорогу в ближний космос, и б)дорогу к пилотируемым пускам к ближайшим планетам, без необходимости делать монструозные сверхтяжелые ракетоносители массой over3500tonnes.
детонационный двигатель внутреннего сгорания — патент РФ 2298106
Изобретение относится к тепловым двигателям, способным работать на всех видах углеводородных топлив. Детонационный двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр и тронковый кривошипно-шатунный механизм, цилиндровую крышку с камерой сгорания и форсункой, системы воздухоснабжения с впускным и выпускным клапанами, транспортирования и нагнетания газообразной смеси перегретых паров топлива и паров концентрированных водных растворов сильных электролитов, турбо- или волновой компрессор, генератор электрических импульсов, подключенный к электродам форсунки, при этом снабжен встроенной в цилиндровую крышку камерой сгорания с окнами, равномерно размещенными по окружности, сообщающимися с кольцевой полостью и форсункой, а днище крышки в кольцевой полости выполнено с окнами, равномерно размещенными по окружности и направленными под углом к ней, при этом выпускной клапан снабжен трубопроводом, подсоединенным к турбо- или волновому компрессору, а впускной — к системе воздухоснабжения. Изобретение обеспечивает многотопливность двигателя, повышение КПД, уменьшение выбросов в атмосферу СО. 2 з.п. ф-лы. 23 ил.
Изобретение относится к тепловым двигателям, способным работать на всех видах углеводородных топлив: жидких, включая нефть и все продукты ее переработки, твердых — от всех видов каменного угля до горючих сланцев, торфа, древесины, камыша, соломы и пр., а также на взвесях порошков электропроводных материалов в электропроводной жидкости или жидкой воде, прошедшей термохимическую /электротермическую/ обработку в специальных форсунках с образованием «гремучего газа».
Известны многотопливные двигатели внутреннего сгорания /применяемые в основном на машинах военного назначения/, работающие на нескольких видах жидкого топлива. Их принцип действия заключается в принудительном изменении объема камеры сгорания и тем самым степени сжатия передвижением специального тела в камерах сгорания ДВС.
В бензиновых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) стремятся избегать детонационного сгорания путем применения высокооктановых бензинов с высокой стоимостью, причем при несоответствии степени сжатия детонационной стойкости горючего двигатель может выйти из строя. К недостаткам вышеуказанных ДВС с изменяемой степенью сжатия следует отнести сложность конструкции, низкий КПД и неспособность работать на вышеуказанных топливах (см., например, Артамонов М.Д. и др. «Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей», Москва, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1963, с.10-61). [1]
Вместе с тем, указанный двигатель является и наиболее близким к заявляемому, т.е. аналогом-прототипом.
Целью изобретения является осуществление в двигателях внутреннего сгорания, а также и в газотурбинных установках, сгорания всех видов углеводородных топлив в водородно-кислородных, в частности водных растворов сильных электролитов и жидкой воды.
Поставленная задача достигается за счет того, что детонационный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр и тронковый кривошипно-шатунный механизм, цилиндровую крышку с камерой сгорания и форсункой, системы воздухоснабжения с впускным и выпускным клапанами, транспортирования и нагнетания газообразной смеси перегретых паров топлива и паров концентрированных водных растворов сильных электролитов, турбо- или волновой компрессор, генератор электрических импульсов, подключенный к электродам форсунки, согласно изобретению, снабжен встроенной в цилиндровую крышку камерой сгорания с окнами, равномерно размещенными по окружности, сообщающимися с кольцевой полостью и форсункой, а днище крышки в кольцевой полости выполнено с окнами, равномерно размещенными по окружности и направленными под углом к ней, при этом выпускной клапан снабжен трубопроводом, подсоединенным к турбо- или волновому компрессору, а впускной — к системе воздухоснабжения.
Поставленная цель в изобретении достигается еще и за счет того, что форсунка снабжена дополнительной топливной форсункой и взрывной камерой и патрубками, в которых смонтированы шнеки, сообщающиеся с цилиндрическими каналами, с одной стороны которых установлены электроды, а с другой — сопла, направленные под углами или друг к другу или к стенкам взрывной камеры, при этом цилиндрические каналы с соплами снабжены системой охлаждения. Кроме того поставленная цель достигается в изобретении за счет того, что кривошип коленчатого вала выполнен в виде двух элементов, стянутых пружиной и анкерным болтом с возможностью скольжения друг относительно друга, а шатунная шейка коленчатого вала соединена с раздвижной частью кривошипа. Изложенная выше совокупность существенных признаков при внедрении обеспечивает реализацию поставленной цели, при этом каждый из данной совокупности приведенных признаков необходим, а все вместе достаточен для получения положительного эффекта — осуществления в двигателях внутреннего сгорания, а также и в газотурбинных установках, сгорания всех видов углеводородных топлив и водородо-кислородных, в частности водных растворов сильных электролитов и жидкой воды.
Исходя из приведенных доводов совершенно правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию изобретения «изобретательский уровень».
Приведенная совокупность существенных признаков может быть реализована многократно на практике с получением одной и той же цели. Неоднократная возможность реализации /при изготовлении/ заявляемого технического решения с изложенной выше совокупностью существенных признаков отвечает также в полной мере другому главному критерию изобретения — «промышленная применимость».
Изложенная сущность технического решения поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 показан 2-тактный двигатель внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями — схема в продольном разрезе,
на фиг.2 приведен узел, Q-продольный разрез по цилиндровой крышке и продольное сечение по цилиндру II-II,
на фиг.3 показан поперечный разрез по цилиндровой крышке по I-I,
на фиг.4 приведено продольное сечение по III-III,
на фиг.5 показан продольный разрез по щеке коленчатого вала,
на фиг.6 приведен поперечный разрез по IV-IV,
на фиг.7 показана щека коленчатого вала с шатунной и коренной шейками в положении поршня в Н.М.Т.,
на фиг.8 приведена схема 2-тактного двигателя двойного действия — в продольном разрезе,
на фиг.9 приведен узел, продольное сечение по нижней цилиндровой крышке,
на фиг.10 показан продольный разрез по форсунке,
на фиг.11 показан продольный разрез по электрическому детонатору-форсунке,
на фиг.12 в продольном разрезе показана цилиндровая крышка — 2-й вариант,
на фиг.13 в поперечном разрезе показана цилиндровая крышка — 3-й вариант,
на фиг.14 показан продольный разрез форсунки с системой охлаждения,
на фиг.15 — поперечный разрез по V-V,
на фиг.16 приведен продольный разрез по форсунке с длинной взрывной камерой,
на фиг.17 — поперечный разрез по VI-VI,
на фиг.18 показана схема коленчатого вала с поршнями и шатунами, 4-тактного 4-цилиндрового двигателя с порядком работы: 1-2-4-3, 1-3-4-2, угловые интервалы 180°,
на фиг.19 — схема поперечного разреза по фиг.18,
на фиг.20-21 приведены схемы 4-тактного двигателя в тактах — впуск и такте сжатия,
на фиг.23 показана струя жидкости при контакте ее с электродом.
Предлагаемый тепловой двигатель, в частности 2-тактный с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом и противоположно движущимися поршнями большой мощности, состоит: из цилиндра 1 /цилиндры двигателя, расположенные противоположно первому, условно не показаны/, цилиндровой крышки 2, поршня 3, штока 4, воздушного ресивера 5 с продувочными окнами 6 при клапанно-щелевой продувке цилиндров. Положение поршня в Н.М.Т. — поз.7. Направляющая крейцкопфа 8, крейцкопф 9 /ползун/, шатун 10, кривошип 11 коленчатого вала 12.
На фиг.2 показана цилиндровая крышка /узел Q/ или головка 2, состоящая из верхнего днища 13 с клапаном 14 и каналом 15 для отвода отработанных продуктов сгорания. В корпусе цилиндровой крышки размещена камера сгорания 16 ограниченная кольцевыми стенками 17, имеющими окна 18, сообщающиеся с кольцевой полостью 19 цилиндровой крышки 2. В днище 21 крышки равномерно по окружности выполнены окна 20, сообщающиеся с цилиндром 1. Форсунка 22 установлена в обтекаемом теле 23 и сообщается с камерой сгорания 16.
На фиг.1 коленчатый вал 12 содержит кривошип, имеющий возможность изменять радиус при своем вращении под действием сил инерции от возвратно-поступательно движущихся масс. Кривошип существующих коленчатых валов совершает круговое движение, показанное поз.24, с центрами шатунных шеек 25-26. В описываемом коленчатом вале центры шатунных шеек при движении поршня в нижнюю мертвую точку /Н.М.Т./ совершают движение по эллипсу — поз.27, 28, 29 /Н.М.Т./, 30, 44. При этом в В.М.Т. положение центров шатунных шеек 31 совпадает с положением центра шатунной шейки существующих коленчатых валов.
Кривошип 11 коленчатого вала состоит из внутренней щеки 32 и наружной щеки 33, выполненных в виде цилиндрических тел высокой точности и чистоты скользящих поверхностей. Внутри щеки 32 установлена пружина 34, с одной стороны опирающаяся в дно внутренней щеки 32, а с другой через шайбу 35 — в торец высокой гайки 36, имеющей многогранное отверстие 37 под ключ /для завертывания гайки и натяжения пружины 34/. Гайка 36 закрепляется на анкерном болте 38, имеющем с одной стороны резьбу для навертывания гайки 36, а с другой опорную шаровую /или иную поверхность/. Шатунная шейка вала 39, коренная 40. Прорезь 41 в наружной щеке 33 обеспечивает ее скольжение по внутренней щеке 32.
В описываемой конструкции вала с целью повышения использования сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс, а также учитывая многочисленные отличия разных двигателей, в том числе и с тронковым кривошипно-шатунным механизмом, по числу оборотов, мощности, материалу кривошипно-шатунного механизма и пр., предварительное натяжение гайкой 36 пружины 34 выполняется с заданным усилием.
Как известно, силы инерции движущихся масс сводятся к двум силам: силе инерции Р от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма и центробежной силе инерции К от вращающихся масс кривошипного механизма /см. М.М. Вихерт и др. «Конструкция и расчет автотракторных двигателей, «Машгиз», М. 1957 г. стр.7-37, 592, 594/ [1].
Сила инерции Р определяется по известной формуле:
Pj=m jj, т.е. как произведение массы на ускорение поршня, взятое с обратным знаком /см. 1, стр.29/.
Центробежная сила инерции Kz вращающейся массы кривошипного механизма:
Kz=mz·r 1·2 /см.1, стр.32/, где радиус кривошипа — угловая скорость вращения коленчатого вала: если число оборотов вала в минуту
/см.1, стр.8/.
Полное представление об усилиях, действующих в элементах кривошипного механизма, можно получить лишь в результате рассмотрения совместного действия сил давления газов на поршень и сил инерции движущихся масс. Исходной силой является суммарная сила Pz, действующая на поршень
Pz=P1 +Pj /см. 1, стр.33/
Вместе с тем в двухтактных двигателях после рабочего хода поршня сразу же начинается обратное движение его в В.М.Т. с одновременным сжатием воздуха в цилиндре, что по характеру действующих сил является сходным с действием продуктов сгорания при расширении их в цилиндре. Учитывая существенное превышение силы инерции Р над противодействующими силами на поршень при сжатии воздуха, пружина 4 сжатия при приходе поршня в Н.М.Т., при дальнейшем повороте по часовой стрелке, начет распрямляться и принимать исходное положение, показанное на фиг.5. На фиг.7 кривошип показан при положении поршня в Н.М.Т. с образованием зазора 42 между движущейся наружной щекой 33 и внутренней 32. Противовесы 43 служат для уравновешивания внутренней щеки 32 с ее деталями /поз.34, 35, 36, 38/.
Выше было отмечено, что предварительное натяжение пружины 34 выполняется с заданным усилием.
Это усилие должно быть равным центробежной силе инерции самой пружины 34, анкерного болта 38 и гайки 36 с шайбой 35.
Для уравновешивания центробежных сил инерции наружной щеки служат противовесы 45, а для внутренней щеки 32 — противовесы 43. Итак, в новом двигателе используется энергия сил инерции Pj от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма и продолжительное расширение газов путем устройства коленчатого вала с переменным радиусом кривошипа, причем пружина 34 выполняет роль аккумулятора энергии сил инерции Pj.
Рассмотрим эти процессы более подробно и определим их эффективность в повышении КПД описываемого двигателя.
Сила инерции Pj=+m jj=-mj·r·2 (cos + cos2 ).
Из рассмотрения уравнения следует подчеркнуть тот факт, что энергия сжатой пружины 34 за один оборот коленчатого вала используется в Н.М.Т. и В.М.Т., причем она пропорциональна квадрату угловой скорости вращения коленчатого вала -·2, т.е. например, вдвое большая угловая скорость вращения коленчатого вала сжимает пружину с энергией вчетверо большей. Из рассмотрения работы только одного верхнего цилиндра уточним механизм использования энергии сил инерции P j в мертвых точках. В Н.М.Т. накопленная энергия в сжатой пружине 34 идет на преодоление давления сжимаемого воздуха и в основном — на преодоление сил инерции при движении поршня в В.М.Т.
При дальнейшем вращении вала, при приближении к В.М.Т. за счет изменения направления сил инерции, центр шатунной шейки коленчатого вала будет стремиться занять положение в точке 44. Однако этому противодействует сила давления сжимаемого воздуха, причем чтобы гарантировать поршень от удара в днище 21 цилиндровой крышки 2, сила давления сжатого воздуха в В.М.Т. должна превосходить силу инерции Pj в В.М.Т., что обеспечивает приход поршня к В.М.Т. без удара о днище крышки и занятие центром шатунной шейки поз.31 кругового движения подобно обычному коленчатому валу. Таким образом, энергия Pj в В.М.Т. за счет распрямления пружины 34 затрачивается целиком на сжатие воздуха, с участием энергии вращения маховика двигателя. Величина степени сжатия всегда должна обеспечивать высокое давление сжатия воздуха при любом числе оборотов коленчатого вала.
Расчеты показывают, что при использовании нового коленчатого вала на судовом дизеле 64 18/22 мощностью Не=110 кВт и частотой вращения П=750 об/мин и, учитывая конструктивные особенности двигателя, смещение наружных щек в Н.М.Т. не должно превышать величины 30-35 мм — поз.29. Увеличение мощности за счет использования сил инерции Р в Н.М.Т. и В.М.Т. составляет: 15,7+15,7=31,4%, а за счет роста значения хода поршня в Н.М.Т. увеличение мощности достигает 6,1%.
Итого прирост мощности двигателя равен 37,5%, со 110 кВт до 151 кВт, а следовательно, и прирост КПД также равен м=37,5%.
На фиг.8 показан двигатель двойного действия, обеспечивающий увеличение мощности по сравнению с 2-тактным на 80-85% и два рабочих цикла за один оборот коленчатого вала.
Применение на двигателе этого типа нового коленчатого вала с переменным радиусом кривошипа позволяет повысить среднее эффективное давление Ре, так как в процессе рабочего хода поршня к среднему эффективному давлению от газов добавляется сила инерции Pj от возвратно-поступательно движущихся масс кривошипного механизма. Там, где высокая удельная габаритная мощность двигателя является главным критерием, достижение высокого эффективного давления обеспечивает ему преимущества перед др. ДВС /Н.С.Иванченко «Высокий наддув дизелей», Л., «Машиностроение», 1983 г., стр.5 [2]/.
Рассмотрим далее двигатель с новым коленчатым валом, показанным на фиг.1.
В этом двигателе, в отличие от известных, осуществляется детонационное сгорание тех видов топлива, которые склонны к детонации /легкие топлива/, и быстрое сгорание при определенных условиях подготовки углеводородных топлив: жидких или твердых.
На фиг.2 — узел Q — показана камера сгорания, предназначенная для детонационного сгорания топлив, которые при детонации обладают повышенным тепловыделением, например, на 10-12 /см. А.И.Зверев «Детонационные покрытия в судостроении», Л. «Судостроение», 1978 г., стр.12-24 [3]/.
При правильно организованном детонационном сгорании горючих веществ достигаются высокие значения температуры Т 0 и давления Р, обеспечивающих высокую экономичность тепловой машины.
При детонационном и быстром сгорании осуществляется процесс сгорания любых видов топлив: жидких, твердых, газообразных /с низкими октановыми и цетановыми числами/. Однако все это возможно осуществить лишь с помощью применения специальных форсунок в камерах сгорания, показанных на фиг.2, 10.
Ф
Кратко к вопросу о детонационых двигателях
В связи с непонятками у народа по детонационным двигателям, решил малость поумничать простым языком, чисто от себя и даже без ссылок на авторитеты.
Детонационными называются двигатели в штатном режиме которых используются детонационное сгорание топлива. Сам двигатель может быть (теоретически) любым , — двс, реактивным, да хоть паровым. Теоретически. Однако, до настоящего времени все известные коммерчески приемлемые двигатели таких режимов сгорания топлива, в простонародье именуемого «взрывом», не использовали в силу их … м-м-м…. коммерческой неприемлемости..
Что дает применение детонационного сгорания в двигателях? Сильно упрощая и обобщая, примерно следующее:
1.Замена обычного горения детонационным за счет особенностей газодинамики фронта ударной волны, увеличивает теоретическую предельно достижимую полноту сгорания смеси, что позволяет повысить КПД двигателя, и снизить расход, примерно на 5-20%. Это актуально для всех типов двигателей, как ДВС, так и реактивных.
2. Скорость сгорания порции топливной смеси увеличивается примерно в 10-100 раз, значит теоретически можно для ДВС увеличить литровую мощность (или удельную тягу на килограмм массы для реактивных двигателей) примерно в такое же количество раз. Этот фактор актуален тоже для всех типов двигателей.
3. Фактор актуальный только для реактивных двигателей всех типов: так как процессы горения идут в камере сгорания на сверхзвуковых скоростях, а температуры и давления в камере сгорания возрастают в разы, то появляется отличная теоретическая возможность многократно увеличить и скорость истечения реактивной струи из сопла. Что в свою очередь ведет к пропорциональному росту тяги, удельного импульса, экономичности, и/или снижению массы двигателя и требуемого топлива.
Все эти три фактора очень важны, но носят не революционный, а так сказать эволюционный характер. Революционными являются четвертый и пятый фактор, и относятся они только к реактивным двигателям:
4. Только применение детонационных технологий позволяет создать прямоточный (а значит, — на атмосферном окислителе!) универсальный реактивный двигатель приемлемой массы, размеров и тяги, для практического и широкомасштабного освоения диапазона до-, сверх-, и гиперзвуковых скоростей 0-20Мах.
5.Только детонационные технологии позволяют выжать из химических ракетных двигателей (на паре топливо-окислитель) скоростные параметры требуемые для их широкого применения в межпланетных перелетах.
П.4 и 5. теоретически открывают нам а) дешевую дорогу в ближний космос, и б)дорогу к пилотируемым пускам к ближайшим планетам, без необходимости делать монструозные сверхтяжелые ракетоносители массой over 3500 tonnes.
Недостатки детонационных двигателей вытекают из их достоинств:
1. Скорость горения настолько высока, что чаще всего эти двигатели удается заставить работают лишь циклически: впуск-горение-выпуск. Что как минимум втрое снижает максимально достижимую литровую мощность и/или тягу, иногда лишая смысла саму затею.
2. Температура, давление и скорости их нарастания в камере сгорания детонационных двигателей таковы, что исключают прямое применение большинства известных нам материалов. Все они слишком слабы для построения простого, дешевого и эффективного двигателя. Требуется либо целое семейство принципиально новых материалов, либо применение пока неотработанных конструкторских ухищрений. Материалов у нас нет, а усложнение конструкции опять таки часто лишает смысла всю затею.
Однако есть область в которой без детонационных двигателей не обойтись. Это экономически оправданный атмосферный гиперзвук с диапазоном скоростей 2-20 Max. Поэтому битва идет по трем направлениям:
1. Создание схемы двигателя с непрерывной детонацией в камере сгорания. Что требует суперкомпьютеров и нетривиальных теоретических подходов для расчета их гемодинамики. В этой области проклятые ватники как всегда вырвались вперед, и впервые в мире теоретически показали, что непрерывная детогация вообще возможна. Изобретение, открытие, патент, — все дела. И приступили к изготовлению практической конструкции из ржавых труб и керосина.
2. Создание конструктивных решений делающих возможными применение классических материалов. Проклятые ватники с пьяными медведями и тут первыми придумали и сделали лабораторный многокамерный двигатель, который уже работает сколь угодно долго. Тяга как у двигателя Су27, а вес такой, что его в руках держит 1 (один!) дедушка. Но так как водка была паленая, то двигатель получился пока пульсирующий. Зато, сволочь работает настолько чисто, что его можно включать даже на кухне (где ватники его собственно и запилили в промежутках между водкой и балалайкой)
3. Создание суперматериалов для будущих двигателей. Эта область наиболее тугая и наиболее секретная. О прорывах в ней информации я не имею.
Исходя из вышеозвученного рассмотрим перспективы детонационного, поршневого ДВС. Как известно, нарастание давления в камере сгорания классических размеров, при детонации в ДВС происходит быстрее скорости звука. Оставаясь в том же конструктиве, не существует способа заставить механический поршень, да ещё со значительными связанными массами, двигаться в цилиндре с примерно такими же скоростями. ГРМ классической компоновки тоже не может работать на таких скоростях. Поэтому прямая переделка классического ДВС на детонационный с практической точки зрения бессмысленна. Нужно заново разработать двигатель. Но как только мы этим начинаем заниматься, то оказывается что поршень в этой конструкции просто лишняя деталь. Поэтому ИМХО, поршневой детонационный ДВС — это анахронизм.
Детонация в двигателе — причины и следствия — журнал За рулем
Когда наши деды, ездившие на автомобилях с карбюраторными моторами, слышали непонятные позвякивания в двигателе, они солидно констатировали — мол, пальцы стучат! На самом деле речь шла об обыкновенной детонации. А дожила ли она до наших дней?
На карбюраторных автомобилях детонация была нередкой гостьей. Более того, ее появление порой было даже желанно! Ниже расскажу, как ее использовали для достижения оптимальной регулировки двигателя.
Пальчики стучат?
Давайте определимся, что же такое детонация и что ее вызывает.
Материалы по теме
Все, кто хоть когда-то слышал о гражданской обороне и о защите от ядерного взрыва, помнят, что одно из воздействий такого взрыва — ударная волна. Кстати, с ударной волной мы сталкиваемся и при пролете сверхзвукового самолета. Короче, это волна, распространяющаяся в некой среде (в нашем случае — в воздухе) со скоростью звука. Встречаясь с любым препятствием — будь то стена или наши барабанные перепонки — она создает ощутимый удар. Напомним, что скорость звука в воздухе обычно принимается равной 330 м/с.
Теперь отправимся на экскурсию в цилиндр двигателя — в тот момент, когда происходит воспламенение рабочей смеси. Если сгорание идет обычным порядком, то скорость распространения фронта пламени и, соответственно, нарастания давления невелика (обычно до 50 м/с). Но бывает, что создаются условия для сгорания с более высокими скоростями. Нарастание давления происходит со скоростью звука в данной среде. А это уже значительно бóльшие величины, чем на открытом воздухе, потому что температура в цилиндре заметно выше. Не буду грузить формулами, но поверьте, что скорость звука растет пропорционально температуре.
Так вот, если фронт пламени распространяется со скоростью звука, то ударная волна, имеющая значительную энергию, как раз и заставляет детали двигателя издавать те звуки, которые мы называем детонационными стуками. Вообще, самое короткое и правильное определение детонации — это «сгорание во фронте ударной волны». Звук издают при этом, конечно, не поршневые пальцы. Для этого нужны настолько большие зазоры, что если бы они были, пальцы и на нормальных, рабочих режимах очень быстро разбило. Характерный звук издают стенки камеры сгорания, соприкасающиеся с резкой волной давления. Можно ли этого избежать? Можно.
Поворотом прерывателя распределителя зажигания можно было и добиться сильнейшей детонации, и полностью ее ликвидировать.Поворотом прерывателя распределителя зажигания можно было и добиться сильнейшей детонации, и полностью ее ликвидировать.
Опережаем зажигание
Как раньше регулировали угол опережения зажигания? Для этого изменяли начальный угол установки прерывателя — распределителя. Не вдаваясь в конструкцию этого довольно сложного и капризного узла с центробежным и вакуумным регулятором, заметим, что начальная его установка очень влияла на мощностные и экономические характеристики двигателя.
Так вот, следовало установить заж
Детонационные двигатели. Успехи и перспективы
В конце января появились сообщения о новых успехах российской науки и техники. Из официальных источников стало известно, что один из отечественных проектов перспективного реактивного двигателя детонационного типа уже прошел стадию испытаний. Это приближает момент полного завершения всех требуемых работ, по результатам которых космические или военные ракеты российской разработки смогут получить новые силовые установки с повышенными характеристиками. Более того, новые принципы работы двигателей могут найти применение не только в сфере ракет, но и в других областях.В последних числах января вице-премьер Дмитрий Рогозин рассказал отечественной прессе о последних успехах научно-исследовательских организаций. Среди прочих тем он затронул процесс создания реактивных двигателей, использующих новые принципы работы. Перспективный двигатель с детонационным горением уже был доведен до испытаний. По словам вице-премьера, применение новых принципов работы силовой установки позволяет получить значительный прирост характеристик. В сравнении с конструкциями традиционной архитектуры наблюдается рост тяги порядка 30%.
Схема детонационного ракетного двигателя
Современные ракетные двигатели разных классов и типов, эксплуатируемые в различных областях, используют т.н. изобарический цикл или дефлаграционное горение. В их камерах сгорания поддерживается постоянное давление, при котором происходит медленное горение топлива. Двигатель на дефлаграционных принципах не нуждается в особо прочных агрегатах, однако ограничен в максимальных показателях. Повышение основных характеристик, начиная с определенного уровня, оказывается неоправданно сложным.
Альтернатива двигателю с изобарическим циклом в контексте повышения характеристик – система с т.н. детонационным горением. В таком случае реакция окисления горючего происходит за ударной волной, с высокой скоростью перемещающейся по камере сгорания. Это предъявляет особые требования к конструкции двигателя, но при этом дает очевидные преимущества. С точки зрения эффективности сгорания топлива детонационное горение на 25% лучше дефлаграционного. Также отличается от горения с постоянным давлением увеличенной мощностью тепловыделения с единицы площади поверхности фронта реакции. В теории, возможно повышение этого параметра на три-четыре порядка. Как следствие, скорость реактивных газов можно увеличить в 20-25 раз.
Таким образом, детонационный двигатель, отличаясь повышенным коэффициентом полезного действия, способен развивать большую тягу при меньшем расходе топлива. Его преимущества перед традиционными конструкциями очевидны, однако до недавнего времени прогресс в этой области оставлял желать лучшего. Принципы детонационного реактивного двигателя были сформулированы еще в 1940 году советским физиком Я.Б. Зельдовичем, но готовые изделия подобного рода все еще не дошли до эксплуатации. Главные причины отсутствия реальных успехов – проблемы с созданием достаточно прочной конструкции, а также сложность запуска и последующего поддержания ударной волны при применении существующих топлив.
Один из последних отечественных проектов в области детонационных ракетных двигателей стартовал в 2014 году и разрабатывается в НПО «Энергомаш» им. академика В.П. Глушко. Согласно доступным данным, целью проекта с шифром «Ифрит» являлось изучение основных принципов новой техники с последующим созданием жидкостного ракетного двигателя, использующего керосин и газообразный кислород. В основу нового двигателя, названного по имени огненных демонов из арабского фольклора, укладывался принцип спинового детонационного горения. Таким образом, в соответствии с основной идеей проекта, ударная волна должна непрерывно перемещаться по кругу внутри камеры сгорания.
Головным разработчиком нового проекта стало НПО «Энергомаш», а точнее созданная на его базе специальная лаборатория. Кроме того, к работам привлекли несколько других научно-исследовательских и проектных организаций. Программа получила поддержку Фонда перспективных исследований. Совместными усилиями все участники проекта «Ифрит» смогли сформировать оптимальный облик перспективного двигателя, а также создать модельную камеру сгорания с новыми принципами работы.
Для изучения перспектив всего направления и новых идей несколько лет назад была построена т.н. модельная детонационная камера сгорания, соответствующая требованиям проекта. Такой опытный двигатель с сокращенной комплектацией должен был использовать в качестве горючего жидкий керосин. В качестве окислителя предлагался газообразный кислород. В августе 2016 года начались испытания опытной камеры. Важно, что впервые в истории проект подобного рода удалось довести до стадии стендовых проверок. Ранее отечественные и зарубежные детонационные ракетные двигатели разрабатывались, но не испытывались.
В ходе испытаний модельного образца удалось получить весьма интересные результаты, показывающие правильность использованных подходов. Так, за счет использования правильных материалов и технологий получилось довести давление внутри камеры сгорания до 40 атмосфер. Тяга опытного изделия достигла 2 т.
Модельная камера на испытательном стенде
В рамках проекта «Ифрит» были получены определенные результаты, но отечественный детонационный двигатель на жидком топливе пока еще далек от полноценного практического применения. Перед внедрением такого оборудования в новые проекты техники конструкторам и ученым предстоит решить целый ряд самых серьезных задач. Только после этого ракетно-космическая отрасль или оборонная промышленность смогут приступить к реализации потенциала новой техники на практике.
В середине января «Российская газета» опубликовала интервью с главным конструктором НПО «Энергомаш» Петром Левочкиным, темой которого стало текущее положение дел и перспективы детонационных двигателей. Представитель предприятия-разработчика напомнил об основных положениях проекта, а также затронул тему достигнутых успехов. Кроме того, он рассказал о возможных сферах применения «Ифрита» и подобных ему конструкций.
К примеру, детонационные двигатели могут использоваться в гиперзвуковых летательных аппаратах. П. Левочкин напомнил, что двигатели, сейчас предлагаемые для применения на такой технике, используют дозвуковое горение. При гиперзвуковой скорости аппарата полета поступающий в двигатель воздух необходимо затормозить до звукового режима. Однако энергия торможения должна приводить к дополнительным тепловым нагрузкам на планер. В детонационных двигателях скорость горения топлива достигает, как минимум, М=2,5. Благодаря этому появляется возможность повысить скорость полета летательного аппарата. Подобная машина с двигателем детонационного типа сможет разгоняться до скоростей, в восемь раз превышающих скорость звука.
Впрочем, реальные перспективы ракетных двигателей детонационного типа пока не слишком велики. По словам П. Левочкина, мы «только приоткрыли дверь в область детонационного горения». Ученым и конструкторам предстоит изучить множество вопросов, и только после этого можно будет заниматься созданием конструкций с практическим потенциалом. Из-за этого космической отрасли еще долго предстоит использовать жидкостные двигатели традиционной конструкции, что, однако, не отменяет возможности их дальнейшего совершенствования.
Интересен тот факт, что детонационный принцип горения находит применение не только в сфере ракетных двигателей. Уже существует отечественный проект авиационной системы с камерой сгорания детонационного типа, работающей по импульсному принципу. Опытный образец такого рода был доведен до испытаний, и в будущем может дать старт новому направлению. Новые двигатели с детонационным горением могут найти применение в самых разных сферах и частично заменить газотурбинные или турбореактивные двигатели традиционных конструкций.
Отечественный проект детонационного авиационного двигателя разрабатывается в ОКБ им. А.М. Люльки. Информация об этом проекте впервые была представлена на прошлогоднем международном военно-техническом форуме «Армия-2017». На стенде предприятия-разработчика присутствовали материалы по различным двигателям, как серийным, так и находящимся на стадии разработки. Среди последних был перспективный детонационный образец.
Суть нового предложения заключается в применении нестандартной камеры сгорания, способной осуществлять импульсное детонационное горение топлива в воздушной атмосфере. При этом частота «взрывов» внутри двигателя должна достигать 15-20 кГц. В перспективе возможно дополнительное увеличение этого параметра, в результате чего шум двигателя уйдет за пределы диапазона, воспринимаемого человеческим ухом. Такие особенности двигателя могут представлять определенный интерес.
Первый запуск опытного изделия «Ифрит»
Однако главные преимущества новой силовой установки связаны с повышенными характеристиками. Стендовые испытания опытных изделий показали, что они примерно на 30% превосходят традиционные газотурбинные двигатели по удельным показателям. Ко времени первой публичной демонстрации материалов по двигателю ОКБ им. А.М. Люльки смогло получить и достаточно высокие эксплуатационные характеристики. Опытный двигатель нового типа смог без перерыва проработать 10 минут. Суммарная наработка этого изделия на стенде на тот момент превысила 100 часов.
Представители предприятия-разработчика указывали, что уже сейчас можно создать новый детонационный двигатель с тягой 2-2,5 т, пригодный для установки на легкие самолеты или беспилотные летательные аппараты. В конструкции такого двигателя предлагается использовать т.н. резонаторные устройства, отвечающие за правильный ход горения топлива. Важным преимуществом нового проекта является принципиальная возможность установки таких устройств в любом месте планера.
Специалисты ОКБ им. А.М. Люльки работают над авиационными двигателями с импульсным детонационным горением более трех десятилетий, но пока проект не выходит из научно-исследовательской стадии и не имеет реальных перспектив. Главная причина – отсутствие заказа и необходимого финансирования. Если проект получит необходимую поддержку, то уже в обозримом будущем может быть создан образец двигателя, пригодный для использования на различной технике.
К настоящему времени российские ученые и конструкторы успели показать весьма примечательные результаты в области реактивных двигателей, использующих новые принципы работы. Существует сразу несколько проектов, пригодных для применения в ракетно-космической и гиперзвуковой областях. Кроме того, новые двигатели могут применяться и в «традиционной» авиации. Некоторые проекты пока находятся на ранних стадиях и еще не готовы к проверкам и другим работам, тогда как в иных направлениях уже были получены самые примечательные результаты.
Исследуя тематику реактивных двигателей с детонационным горением, российские специалисты смогли создать стендовый модельный образец камеры сгорания с желаемыми характеристиками. Опытное изделие «Ифрит» уже прошло испытания, в ходе которых было собрано большое количество разнообразной информации. С помощью полученных данных развитие направления будет продолжаться.
Освоение нового направления и перевод идей в практически применимую форму займет немало времени, и по этой причине в обозримом будущем космические и армейские ракеты в обозримом будущем будут комплектоваться только традиционными жидкостными двигателями. Тем не менее, работы уже вышли из чисто теоретической стадии, и теперь каждый тестовый запуск опытного двигателя приближает момент строительства полноценных ракет с новыми силовыми установками.
По материалам сайтов:
http://engine.space/
http://fpi.gov.ru/
https://rg.ru/
https://utro.ru/
http://tass.ru/
http://svpressa.ru/
Детонационные двигатели сэкономят топливо ВМС США: Наука и техника: Lenta.ru
ВМС США намерены в перспективе модернизировать газотурбинные силовые установки на своих кораблях и самолетах, заменив обычные двигатели внутреннего сгорания с циклом Брайтона на ротационные детонационные двигатели. Благодаря этому военные рассчитывают экономить на топливе до 400 миллионов долларов в год. Впрочем, говорить о скором серийном использовании новой технологии, еще пока до конца не изученной, не приходится — по самым смелым оценкам, первые детонационные двигатели появятся на флоте через десять лет.
Разработкой ротационного, или спинового, детонационного двигателя (Rotating Detonation Engine, RDE) занимается Научно-исследовательская лаборатория (NRL) ВМС США. По предварительным расчетам лаборатории, RDE будет на десять процентов мощнее и на 25 процентов экономичнее используемых сегодня обычных газотурбинных двигателей. Правда, общий принцип работы силовых установок останется неизменным — поток газов от сгоревшего топлива будет по-прежнему вращать лопасти газовой турбины.
По данным NRL, даже в отдаленном будущем, когда все корабли ВМС США будут приводиться в движение электричеством, выработку энергии все равно будут обеспечивать газовые турбины, может быть, конструктивно немного измененные. В настоящее время американский флот использует 430 газотурбинных двигателей на 129 кораблях. Ежегодно они потребляют топлива на два миллиарда долларов. В перспективе обычные двигатели внутреннего сгорания на кораблях будут заменены новыми RDE, то есть речь идет о модернизации. Тем не менее принципы работы перспективных силовых установок и современных двигателей будут значительно отличаться.
Детонация
Сегодня двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Брайтона. Упрощенно его суть заключается в последовательном смешивании топлива и окислителя, сжатии смеси, ее поджоге и горении с последующим расширением разогретых продуктов горения. Такое расширение, как раз и используемое для выполнения механической работы (движение, вращение турбины, перемещение поршней), дает постоянное давление. Фронт горения в топливной смеси перемещается на дозвуковой скорости; такой процесс называется дефлаграцией.
В новых двигателях ученые намерены использовать детонацию, взрывное горение топливной смеси, при котором реакция распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью. Явление детонации пока изучено не полностью, однако достоверно известно, что при таком горении по веществу распространяется ударная волна, за которой следует химическая реакция в топливной смеси с выделением большого количества тепла. При прохождении ударной волны через вещество оно нагревается и может детонировать.
В RDE будут использованы наработки, полученные в ходе создания пульсирующего детонационного двигателя (Pulse Detonation Engine, PDE). Принцип его работы заключается в том, что в камеру сгорания впрыскивается предварительно сжатая топливная смесь, происходит ее поджог, после чего смесь детонирует. В сопле происходит расширение продуктов горения, которые и выполняют механическую работу. Затем весь цикл повторяется. Недостаток PDE заключается в относительно малой величине пульсаций (частоте повторения циклов).
Кроме того, конструкция таких двигателей с увеличением частоты пульсаций становится сложнее. В частности, необходимо синхронизировать работу клапанов, ответственных за впрыск топливной смеси, с самими циклами детонации. Сам пульсирующий детонационный двигатель крайне шумен, потребляет много топлива, а для его работы требуется постоянная дозированная подача топлива и инициация каждого цикла детонации. Проще говоря: в камеру сгорания попало топливо, его подожгли, оно детонировало, затем все повторяется.
Спиновая детонация (слева) и плоская детонация. Фото с сайта ras.ru
Lenta.ru
Принцип работы ротационных детонационных двигателей несколько отличается от PDE. В нем реализована возможность постоянной незатухающей детонации топливной смеси в кольцевой камере сгорания. Впервые такое явление, получившее название спиновой, или вращающейся, детонации, в 1956 году описал советский ученый Богдан Войцеховский. Само явление было открыто в 1926 году в Великобритании — было замечено, что в некоторых системах вместо ожидаемой плоской детонационной волны возникала ярко светящаяся «голова», вращающаяся по спирали.
Благодаря фоторегистратору собственного изобретения Войцеховскому удалось сфотографировать фронт ударной волны, движущейся в топливной смеси в кольцевой камере сгорания. В отличие от плоской детонации, в спиновой детонации возникает единственная поперечная ударная волна, за которой следует слой непрореагировавшего нагретого газа, а затем зона химической реакции. Такая волна «обегает» кольцевую камеру сгорания. Марлен Топчиян, профессор Института гидродинамики имени Лаврентьева, в котором долгое время работал Войцеховский, описал эту камеру как «сплющенный бублик».
Для получения вращающейся детонации в кольцевую камеру сгорания радиально подается топливная смесь (причем топливо и окислитель могут поступать раздельно, а их смешивание и сжатие обеспечивает детонационная волна). В интервью газете «Наука в Сибири» Топчиян рассказал, что, пока детонационная волна «обегает» кольцевую камеру сгорания, топливная смесь за ней успевает обновиться — «и каждый раз перед волной оказывается свежая смесь». Таким образом и обеспечивается стационарность детонации.
Компьютерная модель движения «головы» детонационной волны, распределения давления и массовой концентрации топлива в ротационном детонационном двигателе.
В отличие от цикла Брайтона, при котором давление в системе после сгорания топлива остается величиной постоянной, при детонации за время химического горения смеси давление в камере сгорания не успевает значительно измениться, но затем возрастает скачкообразно в разы и может превышать сто атмосфер. Что интересно, к ротационным детонационным двигателям вполне применимы технологии двигателей, работающих по циклу Брайтона. В частности, использование в RDE компрессора увеличивает эффективность и мощность системы в целом.
Детонационные двигатели, к слову, уже использовались. В частности, один из вариантов такой силовой установки — пульсирующий воздушно-реактивный двигатель — использовался на немецких крылатых ракетах «Фау-1» в конце Второй мировой войны. Он был прост в производстве, неприхотлив, однако не очень надежен для решения более серьезных задач.
В 2008 году первый полет совершил экспериментальный самолет Rutang Long-EZ с пульсирующим детонационным двигателем. Двигатель работал в течение десяти секунд, самолет летел на высоте 30 метров. PDE на экспериментальном самолете состоял из четырех трубок, в которых происходили циклы детонации с частотой 80 герц. Силовая установка смогла развить тягу в 890 ньютонов. Для сравнения, каждый двигатель истребителя МиГ-29 развивает тягу в 81,4 килоньютона.
Двигатели будущего
Экспериментальный образец RDE, созданный Научно-исследовательской лабораторией ВМС США, представляет собой кольцевую конусообразную камеру сгорания, диаметр которой со стороны впрыска топливной смеси составляет 140 миллиметров, а со стороны сопла — 160 миллиметров. Расстояние между стенками камеры сгорания составляет десять миллиметров при длине «трубки» 177 миллиметров.
В качестве топлива используется стехиометрическая смесь водорода и воздуха (в ней окислителя содержится ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания топлива). Топливная смесь подается в камеру сгорания под давлением в десять атмосфер, а сама смесь предварительно прогревается до 27,9 градуса Цельсия. Смесь водорода и кислорода считается наиболее удобной для изучения спиновой детонации, однако, по утверждению NRL, в перспективных двигателях можно будет использовать обычное горючее в смеси с воздухом.
Предварительные испытания RDE, созданного NRL, показали коэффициент полезного действия одного цикла детонации на уровне 30 процентов (КПД цикла Брайтона был принят за ноль процентов). При добавлении в систему компрессора КПД цикла Брайтона можно увеличить; причем это правило работает и для систем, построенных на цикле детонации. Износостойкость RDE по сравнению с PDE выше, поскольку в них детонационная волна «идет» вдоль стенок камеры сгорания и ее ударное влияние на них существенно ниже.
Карта температур (сверху) и давления в RDE. Фото NRL.
A — детонационная волна; B — задний фронт ударной волны; C — зона смешения свежих и старых продуктов горения; D — область заполнения топливной смесью; E — область несдетонировавшей сгоревшей топливной смеси; F — зона расширения со сдетонировавшей сгоревшей топливной смесью; G, H, I — зоны подачи топлива с заблокированными, частично открытыми и открытыми форсунками; J — вторичная ударная волна. Движение детонации — слева направо.
По данным NRL, процесс сгорания топливной смеси в RDE неоднороден, в нем присутствуют и области дефлаграции, однако их доля в общем процессе горения составляет всего 14 процентов. Оптимизация конструкции двигателя и подбор подходящих диаметров кольцевой камеры сгорания и просвета между стенками может уменьшить этот показатель. К достоинствам перспективного двигателя NRL относит существенную экономию топлива (для инициации нового цикла детонации горючей смеси требуется меньше).
Расширяющиеся в сопле продукты горения впоследствии можно, благодаря эффекту Коанда, собирать при помощи конуса в единую газовую струю и направлять ее в турбину. Истекающие из сопла газы будут вращать ее; часть работы турбины можно будет использовать для движения кораблей, а часть — для выработки энергии, необходимой для корабельных систем и оборудования.
Сами спиновые детонационные двигатели могут быть собраны вообще без каких-либо подвижных частей, благодаря чему упрощается конструкция и снижается конечная стоимость силовой установки в целом. Тем не менее, прежде чем всерьез говорить о перспективах серийного использования ротационных двигателей, ученым предстоит решить еще несколько задач, самой сложной из которых является подбор термостойких и прочных материалов.
В RDE стабильность детонации можно поддерживать до окончания горючего и прогрева конструкции до стадии разрушения. В последнем случае могут быть также использованы технологии, успешно применяющиеся для охлаждения лопаток турбин, например, в воздушно-реактивных двигателях. Со временем новые двигатели можно будет устанавливать не только на корабли, но и на перспективные летательные аппараты. Так, из архивов может быть возвращен к жизни проект Blackswift — аппарат, способный развивать скорость до шести чисел Маха (около семи тысяч километров в час).
В настоящее время RDE считаются наиболее перспективным типом двигателей внутреннего сгорания. Их разработкой, в частности, занимается Техасский университет в Арлингтоне. Создаваемая им силовая установка получила название «двигателя непрерывной детонации» (Continous Detonation Engine, CDE). Ученые из этого университета также проводят эксперименты с разными диаметрами кольцевых камер сгорания и с различными топливными смесями, в которых присутствуют водород, а также кислород или воздух в разных пропорциях.
Двигатель непрерывной детонации. Показана работа двигателя с топливной смесью водорода-воздуха и водорода-кислорода в разных пропорциях.
В марте 2011 года управляющий директор НПО «Сатурн» Илья Федоров рассказал, что Научно-технический центр имени Люльки (входит в состав научно-производственного объединения) занимается созданием пульсирующего воздушно-реактивного двигателя. Тип двигателя Федоров не уточнил. В настоящее время известны три вида пульсирующих двигателей: клапанные, бесклапанные и детонационные. Наконец, французская компания MBDA совместно с Институтом гидродинамики имени Лаврентьева занимается изучением вращающейся детонации и созданием спинового детонационного двигателя.
Однако в настоящий момент можно сделать вывод, что RDE (пусть уже и существующие в виде экспериментальных образцов), как и «рельсотрон», являются технологией завлекательной, но пока мало реализуемой в промышленных масштабах. И все же время, в котором самолеты будут быстрее, а орудия — убойнее и дальнобойнее, уже обретает свои очертания.
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 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/