Структурный синтез пульсирующего детонационного реактивного двигателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.05, кандидат технических наук Фролов, Владимир Николаевич

• Фролов, Владимир Николаевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фролов, Владимир Николаевич

Список условных сокращений.

Введение.

1. Современное состояние проблемы по пульсирующим детонационным двигателям (ПДД).

1.1. Принцип работы и возможные области применения ПДД.

1.2. Уровень разработанности теории ПДД.

1.3. Сравнительный анализ ЭСУ.

1.3.1 Термодинамическая эффективность.

1.3.2. Сравнение по другим показателям.

1.4. Уровень отработки ПДД.

1.5. Основные проблемы и задачи на пути создания ПД Д.

2. Экспериментальное исследование инициирования детонационной волны и режимов работы ПД Д.

2.1. Постановка задачи экспериментального исследования.

2.2. Инициирование детонационной волны электроискровым способом.

2.2.1. Конструктивная реализация исследовательского стенда.

2.2.3. Результаты исследования электроискрового способа инициирования

2.3. Газодинамический принцип инициирования топливных смесей.

2.3.1. Особенности принципа инициирования.

2.3.2. Конструктивная реализация экспериментального стенда с газодинамическим принципом инициирования.

2.4. Результаты экспериментальных исследований.

2.4.2. Запуски без подачи компонентов в камеру сгорания.

2.4.3. Запуски с подачей в камеру сгорания спирто-воздушной смеси.

2.4.4. Запуски с подачей в камеру сгорания смеси керосин-воздух.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 идея; была 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 в; камере сгорания; казавшихся неразрешимыми ранее. Появилось множество публикаций-, в» которых рассматривались, как. концепции- ПДД в; целом, так и отдельные элементы двигателей. В настоящий момент ПДД считаются наиболее привлекательными; для приложений; в 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 камерой; их использование должно позволить, существенно: расширить, маневренные показатели и увеличить дальность полета ЛА. Кроме, того; рассматриваются 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 как; приемлемые 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 эффективности- и 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.

Заключение диссертации по теме «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов», Фролов, Владимир Николаевич

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Фролов, Владимир Николаевич, 2010 год

1. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика, // М., Наука, 1976.

2. Фролов С. М., Барыкин А. Е., Борисов А. А. Термодинамический цикл с детонационным сжиганием топлива // Химическая физика, 2004 Т. 23. №3. С. 17-25.

3. Ремеев H. X. Состояние и проблемы разработки детонационного пульсирующего ВРД / H. X. Ремеев, В. В. Власенко, Р. А. Хакимов, В. В. Иванов Химическая физика, № 7, том 20, 2001.

4. Kailasanath К. A. Review of Research on Pulse Detonation Engines, //Laboratory for Computational Physics and Fluid Dynamics. Code 6410. Naval Research Laboratory. Washington, DC 203375.

5. Фролов С. M. Импульсные детонационные двигатели: введение / Импульсные детонационные двигатели. Под редакцией С.М. Фролова М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006., с. 19-32.

6. Фролов В. Н., Гаранин И. В. Экспериментальные исследования инициирования детонации и режимов работы модели камеры пульсирующего детонационного двигателя электронный ресурс. // Труды МАИ. 2010. № 38. URL: http://www.mai.ru/science/trudy/

7. Фролов В. Н., Янышев С. С., Гаранин И. В. Исследование проблем воспламенения в модельном пульсирующем детонационном двигателе //В сб.: Тезисов докладов двенадцатой международной научно-технической конференции -М.: МЭИ, том 3, 2006, с. 276 277.

8. Фролов В. Н. Экспериментальные исследования инициирования детонации и режимов работы модели камеры пульсирующегодетонационного двигателя // Аннотации докладов конкурса «Молодежь и будущее авиации и космонавтики», М.: МАИ, 2009, с. 157.

9. Экспериментальные исследования организации рабочего процесса детонации в газо-жидкостных смесях различного состава с использованием резонатора Гартмана: отчет о НИР / МАИ: рук. Гаранин И. В.; исполн.: Кесаев Х.В. и др.. М., 2005. - 61 с.

10. Мансон Н. История открытия детонационных волн: монография /. — Черноголовка, 1989. с. 76.

11. Зельдович Я. Б. К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения//ЖТФ, 1940. Т. 10. Вып. 17, с. 1453 1461.

12. Hoffman H. Reaction propulsion by intermittent detonative combustion. Ministry of Supply, Völkenrode Translation, 1940.

13. Соловьев В. О. Разработка способа взрывного образования скважин в мягких породах. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.,МГИ,1987, 176 с.

14. Соловьев В. О. Микровзрывные двигатели (устройства). — В сб. Первой международной конференции по коммерциализации технологий охраны окружающей среды. Москва 94 (12 - 16 сентября 1994).-М., Академия народного хозяйства, 1994, № 367, 2с

15. Соловьев В. О. Факторы, влияющие на КПД многоимпульсных взрывных устройств с отражателями. // Проблемы машиностроения и автоматизации, № 3, 2002, с. 50 55.

16. Инициирование газовой детонации электрическими разрядами / В. А. Левин, В. В. Марков, Т. А. Журавская, С. Ф. Осинкин -Импульсные детонационные двигатели. Под редакцией С.М. Фролова М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006., с. 235 256

17. Аксенов В. С. Инициирование детонации в гомогенных смесях и распылах жидкого топлива последовательными электрическими разрядами // автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.физ.-мат.наук, М., 2005. 24 с.

18. Пенязьков О. Г. Газодинамическое инициирование процессов горения и детонации, // автореферат диссертации на соискание ученой степени канд.физ.-мат.наук, Минск, 1995. с. 21.

19. Васильев О. А., Минин С. Н., Пушкин Р. М. и др. Формирование детонации при отражении ударной волны от вогнутой сферической поверхности // Препринт М., 1995. с. 18.

20. Александров В. Г., Ведешкин Г. Н., Крайко А. Н. и др. Сверхзвуковой пульсирующий детонационный прямоточный воздушнореактивный двигатель (СПДПД) и способ функционирования СПДПД // Патент РФ на изобретение № 2157909 26.05.1999

21. Александров В. Г., Крайко А. Н., Реент К. С. Определение характеристик сверхзвукового пульсирующего детонационногопрямоточного двигателя« (СПДПД) // Аэромеханика и газовая динамика, 2001, № 2, с. 3 — 15

22. Пензин В. И: К вопросу о месте детонационного ГПВРД в семействе прямоточных двигателей // Ml: Препринт №59 ЦАГИ Москва 1992. с. 27.

23. Kailasanath К. Review of Propulsion Applications of Détonation* Waves, // AIAA Journal. 2000. Vol. 38. No. 9. P. 1698-1708.

24. Васильев A. A. Особенности применения детонации в двигательных установках / Импульсные детонационные двигатели. Под редакцией С. М. Фролова М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006. с. 129 158

25. Быковский Ф: А., Непрерывная детонация^ в кольцевых камерах / автореферат диссертации на соискание,ученой степени д-ра техн. наук. Новосибирск, 2000. 32 с.

26. Бакланов Д. И., Гвоздева JL Г. Бесклапанная детонационная камера сгорания для импульсного детонационного двигателя / Импульсные детонационные двигатели. Под редакцией С. М. Фролова: М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006. с. 349-372

27. Кайласанат К. Сопла для; импульсных детонационных двигателей / Импульсные детонационные двигатели. Под редакцией С. Mi Фролова. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006. с. 447 474

28. Гаранин И! В., Соловьев В. О., Суслов Ю. В* Патент Российской Федерации № 200314827, приоритет от 02.12.2003г.

29. Фролов С. М., Аксёнов В. С., Басевич В. Я'. Макет-демонстратор импульсного детонационного двигателя на жидком топливе /

30. Импульсные детонационные двигатели. Под редакцией С. М. Фролова. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006. с. 257 272

31. Кесаев X. В. Особенности форкамерного зажигания в жидкостных ракетных двигателях // «Вестник Московского авиационного института». М.: Из-во «МАИ принт», 2004, том 11, №2, с. 15-21.

32. Семенов В. В., Ли Чжун МИН и др. Газодинамический воспламенитель со сверхзвуковым соплом, // «Вестник Московского авиационного института». М.: Из-во «МАИ принт», 2004, том 11, №2, с. 22 27.

33. Митрофанов В. В Детонация гомогенных и гетерогенных систем: монография / Новосибирск: Изд-во Института гидродинамики им. М. А. Лаврентье, 2003. с. 400.

34. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей / Б. В. Раушенбах и др. М.: 1964.

35. Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 6. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.

36. Численное решение многомерных задач газовой динамики / С. К. Годунов, А. В. Забродин, М. Я Иванов, А. Н. Крайко, Г. П. Прокопов. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1976, 400 с

37. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей /

38. A. П. Васильев, В. М. Кудрявцев, В. А. Кузнецов и др. Под ред.

39. B. М. Кудрявцева. 3 изд., М.: Высшая школа, 1983. с 703.

40. Богданов В. И. Об использовании выхлопной струи газа пульсирующих реактивных двигателей в качестве присоединенной массы для улучшения их тяговых характеристик электронный ресурс. \/ URL: http://www.ihst.ru/~akni/3t28.htm

41. Дубенец С. А., Мурзиков Г. Н. Конструкция и расчет пульсирующего гидрореактивного роторного двигателя (ПуГрРД): Учебн. пособоие. -М.: Изд-во МАИ, 1994. с. 56.

42. Бакулев, Г. М. Горбунов и др. Под редакцией С. М. Шляхтенко М.: Машиностроение, 1975. с. 568.

43. Стандартная атмосфера. Параметры. ГОСТ 4401-73. М.: Гос. Ком. стандартов, 1974. 117 с.

44. Нечаев Ю. Н. Теория авиационных двигателей / ВВИА им. Н. Е. Жуковского. 1990. 703 с.