Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Булат П.В. 1 Ильина Е.Е. 2

---

1 ООО НОЦ «Динамика»

2 ООО «Проблемная лаборатория «Турбомашины»

Задача увеличения КПД традиционных реактивных двигателей к сегодняшнему дню является в целом решенной и достигла предела своих возможностей, дальнейшее увеличение КПД возможно только в случае значительного капиталовложения. Однако эта задача имеет еще одно довольно тривиальное решение, – переход к двигателям, использующим иные принципы и иные термодинамические циклы. В статье показано преимущество использования термодинамического цикла детонационного горения по сравнению с циклами Брайтона (горение при постоянном давлении) и Хамфри (горение при постоянном объеме). Рассмотрены принципы работы пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, детонационного воздушно-реактивного и жидкостного ракетного двигателей. Сделаны выводы о необходимых направлениях исследований. Показано, что главным преимуществом импульсно-детонационного двигателя является его конструктивная простота. Реализация термодинамического превосходства цикла детонационного горения требует увеличения частоты следования ударных волн или перехода от импульсного к непрерывному детонационному горению.

Статья в формате PDF

613 KB

детонационный двигатель

пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

детонационное горение

цикл Хамфри

1. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. Колебания донного давления // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 3. – С. 204–207.

2. Булат П.В., Засухин О.Н., Продан Н.В. Особенности применения моделей турбулентности при расчете течений в сверхзвуковых трактах перспективных воздушно-реактивных двигателей. Двигатель. – 2012. – № 1. – С. 20–23.

3. Булат П.В., Продан Н.В. О низкочастотных расходных колебаниях донного давления. – 2013. – № 4(3). – С. 545–549.

4. Работы ведущих авиадвигателестроительных компаний по созданию перспективных авиационных двигателей (аналитический обзор). ЦИАМ им. Баранова. – М., 2004. – 211 с.

5. Тарасов А.И., Щипаков В.А. Перспективы использования пульсирующих детонационных технологий в турбореактивных двигателях. ОАО «НПО «Сатурн» НТЦ им. А. Люльки, Москва, Россия. Московский авиационный институт (ГТУ). – М.: Россия. ISSN 1727-7337. Авиационно-космическая техника и технология, 2011. – № 9 (86).

6. Усков В.Н., Булат П.В. О задаче проектирования идеального диффузора для сжатия сверхзвукого потока // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 6 (часть 1). – С. 178–184.

7. Усков В.Н., Булат П.В. Об исследовании колебательного движения газового подвеса ротора турбохолодильных и детандерных машин. Часть I. Постановка задачи // Вестник МАХ. – 2012. – № 3. – С. 3–7.

8. Усков В.Н., Булат П.В. Об исследовании колебательного движения газового подвеса ротора турбохолодильных и детандерных машин. Часть II. Колебания давления в соплах питающей систеы на сверхкритическом режиме работы // Вестник МАХ. – 2012. – № 1. – С. 57–60.

9. Фролов С.М. Реактивный двигатель на детонационном сжигании топлива // Фундаментальные и прикладные проблемы совершенствования поршневых двигателей: X Международная научно-практическая конференция. Владимирский государственный университет. ISBN 5-86953-146-2. г. – Владимир, 2005. – 8 с.

10. Проблемы математического моделирования детонационных двигателей для перспективных летательных аппаратов / Г.П. Шиндяпин, Я.Г. Сапунков, С.П. Шевырёв, В.А. Поршнев, Н.В. Федорец, В.Н. Федорец // Известия Саратовского университета. – 2006. – Т. 6. Сер. Математика. Механика. Информатика, Вып. 1/2.

Потенциал повышения КПД традиционных реактивных двигателей, работающих в соответствии с термодинамическим циклом Брайтона (цикл подвода тепла при постоянном давлении), исчерпан в настоящее время практически полностью. В течение многих десятков лет они непрерывно совершенствовались, и их дальнейшее улучшение требует больших капитальных вложений, связанных с внедрением новых материалов, таких как высокотемпературная керамика, карбиды и нитриды, сплавы, содержащие рений и рутений. Тенденция последних 10–15 лет такова, что увеличение удельной тяги или снижение удельного расхода топлива на 5–7 % ведет к увеличению стоимости двигателя на 40–60 %. Выход видится в переходе к реактивным двигателям, использующим иные принципы и иные термодинамические циклы. В настоящей работе рассматриваются пульсирующие и детонационные двигатели.

Этому направлению в последнее время уделяется большое внимание. В работе [9] описан принцип работы детонационного двигателя, а также фундаментальные и технические проблемы, стоящие на пути создания практического образца такого мотора. Подробно рассмотрены конструкция и характеристики макета- демонстратора импульсного детонационного двигателя. В работе [10] рассматриваются математические и физические аспекты проблемы детонационных двигателей, оцениваются перспективы развития и применения детонационных двигателей. Важность работы над детонационными двигателями указана и в обзоре ЦИАМ, посвященном перспективам развития двигателестроения [4].

Сравнение термодинамических циклов

Может ли быть предложено что-то лучшее, чем цикл Брайтона? Да, это цикл Хамфри – цикл подвода тепла при постоянном объеме. Сравнение термодинамических циклов показано на рис. 1.

Рис. 1. Сравнение термодинамических циклов Брайтона и Хамфри

Работа тепловой машины равна площади, ограниченной кривой 1–2–3–4. Сектор 2–3 показывает преимущество термодинамического цикла Хамфри, по сравнению с циклом Брайтона. Сектор 1–4 показывает область, недоступную для циклов тепловых машин Отто и Дизеля. Тепловой коэффициент полезного действия у ВРД, действующего в соответствии с традиционным циклом Брайтона, значительно меньше во всем диапазоне коэффициентов повышения давления (рис. 2).

Примером устройства, реализующего преимущества цикла Хамфри, является пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД или PDE). Сегодня ПуВРД применяются, главным образом, на дешевых беспилотных летательных аппаратах (БПЛА), что объясняется его простотой и дешивизной. Там, где требуются высокие удельные характеристики, ПуВРД проигрывают ТРД.

Рис. 2. Сравнение коэффициентов полезного действия циклов Брайтона и Хамфри в разных диапазонах повышения давления

Пульсирующие реактивные двигатели (ПуВРД)

Принцип действия ПуВРД понятен из схемы, приведенной на рис. 3. Во время первого такта цикла работы детонационная камера заполняется топливо-воздушной смесью (ТВС). На втором такте происходит ее воспламенение. Во время третьего такта детонационная волна пробегает по детонационной камере, поднимая давление в ней при постоянном объеме. На четвертом такте рабочая среда расширяется и совершает работу. На пятом и шестом такте детонационная камера продувается свежим воздухом.

Идея создания (ПуВРД) была запатентована в 1906 г. русским инженером В.В. Караводиным. До 1925 г. ряд опытных ГТД был создан Г. Хольцвартом. Несмотря на высокие для того времени параметры, ГТД Хольцварта, равно как и установка В.В. Караводина, вследствие ряда недостатков не нашла применения в промышленности. В 1930 г. одноклапанная камера сгорания резонансного типа была предложена Паулем Шмидтом для ПуВРД. Впоследствии она была применена на беспилотных самолетах-снарядах «Фау-1». Значительный вклад в решение проблемы создания ПуВРД был внесен Б.С. Стечкиным. Несмотря на высокий КПД собственно сжигания топлива общая полезная работа у ПуВРД обычно существенно ниже, чем у традиционных ГТД. Причина заключается в том, что сжатие топливно-воздушной смеси происходит в простых изоэнтропических волнах сжатия, имеющих достаточно большую протяженность. В результате, частота следования импульсов у ПуВРД низкая и общий механический КПД – невысокий. Другим типом двигателя, работающего в соответствии с термодинамическим циклом, близким к циклу Хамфри, является детонационный двигатель.

Рис. 3. Цикл пульсирующего воздушно-реактивного двигателя

Термодинамический цикл импульсно-детонационного двигателя

Логическим развитием ПуВРД являются импульсно-детонационные двигатели (ИДД), в которых волны сжатия заменены ударными волнами. Сжатие в ударных волнах широко используется в аэрокосмическом двигателестроении в конструкции сверхзвуковых воздухозаборников [6]. В самых различных отраслях техники применяются и колебания ударных волн [1, 3, 7–8]. Отличие цикла ИДД от цикла Хамфри состоит в том, что подвод тепла происходит не по изохоре, а по адиабате Гюгонио в очень узкой области течения, равной протяженности ударной волны, которая в типичных случаях имеет порядок длины свободного пробега молекул газа. Детонационное сгорание топлива в ПуВРД термодинамически более выгодно, чем изохорическое (рис. 4) во всем диапазоне чисел Маха полета летательного аппарата.

Потенциальные преимущества термодинамического цикла детонационных двигателей (рис. 5) вызвали огромное множество исследовательских работ в этом направлении [5]. В новой программе VAATE – преемнике программы IHPTET – американские специалисты ставят задачу дальнейшего снижения стоимости производства газогенераторов на 32…64 % для ВРД большой размерности, на 35…65 % для ГТД малой размерности, а технология создания еще более дешевого пульсирующего детонационного двигателя признана «ключевой» [2].

В газогенераторах ИДД нет необходимости использования высоконапорных компрессоров, что упрощает конструкцию и снижает массу двигателя. Это делает привлекательным использование импульсно-детонационного горения в жидкостных ракетных двигателях. Термодинамический цикл ИДД имеет заметное преимущество не только перед циклом Брайтона, но и перед более эффективным циклом Хамфри. Однако реализовать его можно только с увеличением частоты следования ударных волн или переходом к непрерывному детонационному горению.

Рис. 4. Преимущество КПД термодинамического цикла прямоточного воздушно-реактивного (ПВРД) импульсно-детонационного двигателя (ИДД)

Рис. 5. Сравнение циклов ИДД, Хамфри и Брайтона в p-V и T-S координатах

Рецензенты:

Пеленко В.В., д.т.н., профессор, заместитель директора по учебной работе Института холода и биотехнологий ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург;

Цветков О.Б., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Теоретические основы тепло- и хладотехники» Института холода и биотехнологий ФГБОУ «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», г. Санкт-Петербург.

Работа поступила в редакцию 29.10.2013.

Библиографическая ссылка