Инициирование детонации в гомогенных смесях и распылах жидкого топлива последовательными электрическими разрядами

В течение последних 10−12 лет нарастающими темпами ведутся работы по созданию нового типа реактивных двигателей на химическом топливетак называемых импульсных детонационных двигателей (ИДД). В таких двигателях применяется новый принцип преобразования химической энергии топлива в реактизное движение: топливо сжигают в бегущей детонационной волне. По сравнению с существующими схемами организации горения в воздушно-реактивных и ракетных двигателях детонационное сжигание топлива в бегущей волне имеет ряд принципиальных преимуществ. Во-первых, термодинамический коэффициент полезного действия (КПД) детонационного цикла значительно превышает КПД других циклов, особенно при низких давлениях в камере сгорания. Во-вторых, ИДД может работать как на специальных топливах, так и на штатном (жидком) авиационном или ракетном топливе. В-третьих, в отличие от многих существующих реактивных двигателей, ИДД конструктивно прост (не требует дорогостоящих компрессорных и турбонасосных агрегатов), надежен (в ИДД отсутствуют подвижные элементы) и самодостаточен (не требует разгонных блоков для выхода на рабочий режим). Наконец, использование многокамерных схем ИДД позволяет простым увеличением числа камер повышать тяговые характеристики двигателя. Несмотря на ряд нерешенных фундаментальных проблем по организации рабочего процесса, в настоящее время уже разрабатываются ИДД для замещения основных силовых установок различных летательных аппаратов и ракет-носителей, а также для форсирования тяги в турбореактивных двигателях самолетов. Ожидается, что применение ИДД значительно удешевит производство и эксплуатацию новой техники, расширит маневренные показатели летательных аппаратов, увеличит полезную нагрузку, дальность полета и другие летные характеристики. Ввиду того, что практическая реализация детонационного сжигания топлива приведет к экономии энергоресурсов, работают также над созданием стационарных энергетических установок. Научные исследования и опытно-конструкторские работы по этим направлениям активно ведутся в ведущих авиастроительных и энергетических компаниях, национальных лабораториях и университетах.

Вопрос об использовании детонационного горения в реактивных двигателях и стационарных энергетических установках впервые был поставлен Я. Б. Зельдовичем в 1940 году [1]. По его оценкам, двигатели, использующие детонационное сгорание топлива, должны быть термодинамически более эффективными, чем двигатели, работающие на медленном (дефлаграционном) сжигании топлива. Это связано с тем, что при одинаковых начальных условиях продукты детонации горючей смеси обладают меньшей энтропией, чем продукты горения в замкнутом объеме (V = const) и продукты горения при постоянном давлении (р = const), и, следовательно, при изэнтропическом расширении продуктов в атмосферу большая часть химической энергии топлива превращается в полезную работу. Практически одновременно с [1] появилась работа Г. Хоффмана [2], в которой опубликованы результаты экспериментов, направленных на изучение возможностей использования детонационного сжигания топлива в периодически генерируемых детонационных волнах для создания реактивной тяги. После работ Я. Б. Зельдовича и Г. Хоффмана систематических исследований не последовало. В 1950—70-е годы появилось несколько публикаций о работах, в основном в США, с целью выяснить перспективность использования периодической детонации в воздушно-реактивных и ракетных двигателях летательных аппаратов. Выяснилось, что для получения приемлемого удельного импульса необходимо сжигать топливо с высокой частотой генерации детонационных волн. Ввиду возникших технических сложностей организации пульсирующего процесса с периодическим заполнением камеры сгорания топливно-воздушной смесью.

ТВС) и инициированием детонации был сделан вывод о нецелесообразности применения детонационного горения в двигателях летательных аппаратов. В 1990;е годы интерес к данной проблеме вновь возродился: появилось множество патентов и научных публикаций. В связи с технологическими достижениями последних лет ряд технических проблем по организации контролируемого периодического детонационного сжигания топлива в камере сгорания, казавшихся ранее непреодолимыми, удалось решить. Исследования стали проводиться во многих исследовательских центрах, связанных с авиационной и двигательной тематикой и работами по детонации. В настоящее время наиболее интенсивно эти работы проводятся в США, Франции, Канаде, Швеции, Японии и Китае.

В современном представлении ИДД — это труба, оборудованная системами подачи топлива и воздуха. Один конец трубы, называемый тяговой стенкой закрыт, частично закрыт или периодически закрыт механическим клапаном. Другой конец трубы оборудован реактивным соплом. По заполнении трубы ТВС производится инициирование детонации смеси с помощью того или иного источника инициирования. В результате по смеси распространяется детонационная волна, которая, сжигая ТВС, создает высокое избыточное давление на тяговой стенке. После выхода детонационной волны в атмосферу через сопло давление в трубе снижается. При снижении давления на тяговой стенке до определенного уровня в трубу подается новая порция ТВС и процесс повторяется. Для высокой эффективности ИДД необходимо обеспечить высокую частоту генерации детонационных волн (около 100 Гц и выше). Наиболее привлекательными являются бесклапанные схемы ИДД.

Вследствие жестких весовых и габаритных ограничений, а также требований экономичности, устойчивости и долговечности, свойственных силовым установкам летательных аппаратов, кроме требований высоких тяговых характеристик к ИДД предъявляют целый ряд других требований.

В соответствии с ними одна из наиболее приемлемых конфигураций ИДЦ — связка труб длиной 1 -2 м, диаметром до 100 мм с единым воздухозаборником и общим соплом.

В практических ИДД желательно использовать штатные жидкие углеводородные топлива без активных добавок с непосредственной подачей в камеру сгорания без предварительного смешения с воздухом. В настоящее время именно эти требования оказались основным барьером на пути создания ИДД, конкурирующего с существующими силовыми установками. Необходимость использования жидкого углеводородного топлива в рабочем цикле воздушно-реактивного ИДД порождает ряд фундаментальных проблем, связанных с низкой детонационной способностью таких топлив. Инициирование каждого цикла детонации требует больших энергетических затрат или длинной детонационной трубы. Инициирование детонации существенно облегчается, если использовать обогащение ТВС кислородом или использовать чувствительное и легколетучее топливо. Однако необходимость иметь на борту такие компоненты лишает ИДД конкурентоспособности.

Данная диссертационная работа направлена на решение некоторых фундаментальных проблем, стоящих на пути создания воздушно-реактивного ИДД на жидком углеводородном топливе.

Цель работы — экспериментальная проверка новых методов инициирования детонации в ТВС, обеспечивающих предельно низкие минимальные энергии зажигания и предельно короткие предетонационные расстояния.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Всесторонне исследовать прямое инициирование детонации ТВС последовательными электрическими разрядами.

2. Использовать дополнительные средства (турбулизаторы, газодинамические фокусирующие элементы, переходные конусы и др.) для значительного снижения минимальной энергии зажигания и предетонационного расстояния в трубах.

Кроме отмеченных выше фундаментальных проблем, связанных с созданием воздушно-реактивного ИДД на жидком топливе, необходимость в таких исследованиях обусловлена наличием других нерешенных фундаментальных проблем в физике детонации и другими многочисленными практическими задачами, включая и новые приложения. До сих пор в научных кругах идут споры о механизме и режимах распространения газовой и гетерогенной (капельной) детонации, о природе критических условий возбуждения и распространения детонационной волны. Что касается практических задач, связанных с темой диссертации, к их числу относятся задачи по предотвращению и подавлению детонационного взрыва в промышленности, использованию детонации в технологических операциях штамповки, напыления, бурения, геологической разведки и др. Это обусловливает актуальность и практическую значимость исследований, описанных в диссертации.

На предварительной стадии работы проведены экспериментальные исследования генерации ударных волн электрическими разрядами разной конфигурации в воздухе при нормальных условиях. Проведено сравнение эффективности дуговых разрядов с различной ориентацией электродов и различным межэлектродным промежутком. Большие промежутки (более 10 мм) зажигали с помощью скользящих разрядов. На основе кинограмм и измерений в ударной трубе получено представление о газодинамической картине ударно-волнового процесса при импульсном электродуговом разряде длительностью около 50 мкс.

Диссертация состоит из 4 глав, заключения и списка литературы.

В первой паве описано состояние разработок ИДД и перспективы их применения. Приведен краткий обзор работ, направленных на инициирование детонации ТВС в коротких трубах. Выделены основные характеристики электрического разряда, влияющие на инициирование детонации в ТВС.

В главе 2 приведено описание экспериментального стенда для исследования инициирования частотной детонации в ТВС электрическими разрядами в короткой трубе. Через один конец трубы подаётся жидкое топливо и воздух. Для этого используется полнорасходная пневмофорсунка. Другой конец детонационной трубы сообщается с атмосферой через глушитель. Силовая схема обеспечивает зарядку накопительных конденсаторных батарей со средней мощностью до 1,2 кВт и их последовательный синхронизированный разряд через систему электрических разрядников в детонационной трубе. Проведено испытание разрядников в условиях, приближённых к условиям применения. Выполнена визуализация газодинамической картины распространения и развития дугового разряда в атмосфере и в детонационной трубе. Разработана полнорасходная пневматическая топливная форсунка и измерены характеристики распыла.

В главе 3 проведена экспериментальная проверка различных вариантов инициирования детонации ТВС последовательными электрическими разрядами. Подробно исследована схема инициирования детонации несколькими разрядами, синхронизированными с ударной волной от первого разряда. Впервые получен эффект значительного снижения полной энергии инициирования детонации при управляемом последовательном срабатывании двух разрядников. Определены критические энергии инициирования в трубах разного диаметра.

В главе 4 описаны исследования по сокращению длины перехода горения в детонацию в капельных ТВС при ограниченной энергии электрического разряда. Предложены новые способы сокращения предетонационного участка с использованием последовательных разрядов, спиралей Щёлкина и фокусирующих витков труб. Эффективная комбинация спирали Щёлкина и витка трубы позволила создать детонационную трубу с длиной переходного участка в капельных ТВС до 1 м и с энергией инициирования до 20 Дж. На основе экспериментальных исследований с комбинированными средствами инициирования детонации ТВС разработан и испытан двухконтурный макет-демонстратор ИДД. Приведены основные достигнутые характеристики макета-демонстратора — скорости детонации, частота и тяга.

В заключении приведены основные выводы работы.

Основные результаты, представляемые к защите:

1. Критерии возбуждения детонации в распылах жидкого топлива с помощью двух последовательных электрических разрядов.

2. Результаты экспериментальных и расчетных исследований инициирования газовой детонации распределенными электрическими разрядами.

3. Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного горения распылов жидкого топлива в трубе со спиралью Щелкина.

4. Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного горения в трубе с фокусирующим витком.

5. Результаты экспериментальных исследований инициирования детонации в распылах жидкого топлива в комбинированных трубах с разрядной камерой, спиралью Щёлкина, витком трубы, переходным конусом и двумя электрическими разрядниками.

6. Результаты испытаний двухконтурного макета-демонстратора воздушно-реактивного бесклапанного ИДД на жидком топливе и измерений тяговых характеристик.

Основные результаты диссертации опубликованы в 20 работах, включая 14 статей и 6 тезисов докладов на тематических конференциях.

Материалы диссертации докладывались на семинаре кафедры химической физики МИФИ (ГУ), Москва, 2005; научных сессиях МИФИ (ГУ), Москва, 2004 и 2005 гг.- XXVII, XXVII и XXIX Академических чтениях по космонавтике, Москва, 2003, 2004 и 2005 гг.- Всероссийской конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках», Москва, 2005; XIII Всероссийском симпозиуме по горению, Черноголовка, 2005; совещании-симпозиуме «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах, Черноголовка, 2004; Международном коллоквиуме по применению детонации в двигательных установках, С.-Петербург, 2004; Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2004, Петрозаводск, 2004; 17-й Международной конференции по двигательным установкам, Кембридж, США, 2004; 16-й Международной конференции по двигательным установкам, JIoc Анжелес, США, 2003; Международном коллоквиуме по детонации в ограниченных объемах, Москва, 2002; 19-м Международном коллоквиуме по динамике взрывов и реагирующих систем, Хаконе, Япония, 2003; Российско-Германском семинаре по реагирующим течениям, Берлин, 2002; 14-й Международной конференции по двигательным установкам, Чикаго, США, 2002.

Работа выполнена на кафедре № 4 МИФИ (ГУ) и в Институте химической физики им. Н. Н. Семёнова РАН.

Благодарю профессора Фролова С. М. и д.т.н. Басевича В. Я. за постановку задачи и руководство при проведении работ, аспиранта Полихова С. А. за помощь и поддержку, проф. Губина С. А. и доцента кафедры № 4 Маклашову И. В. за неоценимое внимание к работе.

Основные результаты настоящей работы, опубликованные в работах [21, 62, 67 — 85], продемонстрировали результативность применённого подхода — воздействия на горючую смесь инициирующих импульсов с широким диапазоном энергией. Энергии электрических разрядов изменялись более чем на два порядка — от минимальной энергии воспламенения до энергии прямого инициирования детонации. Факторы, действующие на горючую смесь, движущуюся в витке гладкой трубы, достаточно очевидны, однако для создания количественной картины процесса необходимо будет использовать гидродинамику в закрученных потоках. Выводы.

1) Предложены и испытаны новые методы инициирования детонации для импульсных детонационных камер сгорания: (а) метод инициирования детонации бегущим импульсом принудительного зажигания- (б) метод двухстадийного инициирования детонации, совмещающий классический метод спирали Щёлкина с идеей внешнего стимулирования взрыва во фронте бегущей УВи (в) комбинированный метод с газодинамической фокусировкой УВ с помощью витков труб.

2) Впервые создан и испытан компактный макет-демонстратор воздушно-реактивного бесклапанного ИДЦ на жидком топливе.

3) В результате использования новых методов инициирования детонации и мероприятий по оптимизации конструкции макета-демонстратора энергия инициирования детонации жидкого топлива снижена более чем на 2 порядка (с 3300 до 30 Дж), а предетонационные расстояния — на порядок (до 1−2 м).

4) Получено устойчивое инициирование детонации во втором контуре макета-демонстратора ИДД. Измерены тяговые характеристики макета-демонстратора в частотном режиме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.