- •Оглавление
- •Глава 1. Литературный обзор
- •Глава 2. Элементарная теория ударных волн
- •Моделирование ударной волны
- •Уравнение энергии
- •Глава 3. Ударные волны в идеальном газе Энтальпия
- •Адиабата Гюгонио
- •Уравнение Гюгонио
- •Глава 4. Детонация
- •Численное моделирование детонационного процесса
- •Прямая Михельсона
- •Глава 5. Энергетическое использование детонации
- •Электрогенератор на идд
- •Численное моделирование цикла идгтд
- •Глава 6. Приложение идд
- •Список Литературы
Глава 5. Энергетическое использование детонации
Впервые вопрос об использовании детонации для получения полезной работы в энергетических установках был поднят Я.Б. Зельдовичем в 1940 г. Согласно его статье «К вопросу об энергетическом использовании детонационного горения» термодинамическая эффективность детонационных установок значительно превышает кпд двигателей с дефлаграционным сжиганием топлива. Это обусловлено тем, что продукты детонации обладают меньшей энтропией по сравнению с продуктами обычного горения, а при изэнтропическом расширении большая часть химической энергии переходит в полезную работу.
Существует достаточно большое количество различных конфигураций двигателей, в основе которых лежит детонация. А.А. Васильев выделяет 3 основных типа:
-
Традиционный («оружейная схема») ИДД
-
Пульсирующий сверхзвуковой прямоточный ИДД
-
ИДД со спиновой детонацией
ИДД
Схема простейшего ИДД достаточно примитивна. Однотрубный ИДД состоит из камеры сгорания, представленной трубой. Длина камеры зависит от способа инициирования детонации. Если ударная волна инициируется в предетонаторе, а затем поступает в камеру сгорания, то габариты ИДД не очень большие. Если же предетонатора не предусмотрено, и расчёт на то, что дефлаграционное горение перейдет в детонацию, то камера сгорания может достигать 2000 мм и более. Итак, один конец камеры сгорания закрыт, он называется тяговой стенкой, второй оснащен соплом. В большинстве источников предлагают использовать сопло Лаваля.
Труба заполняется топливно-воздушной смесью (ТВС), тем или иным способом происходит инициация детонации, образуется волна разрыва термодинамических потенциалов, идущая по камере сгорания, в ней происходит ускоренное сжигание ТВС. После прохождения фронта детонационной волны и собственно протекания самой химической реакции образуются стремительно расширяющиеся продукты детонации. Все это приводит к избыточному давлению на закрытый конец камеры сгорания (тяговую стенку) и вследствие этого вылета детонационной волны и продуктов горения через сопло. В этот момент тяга ИДД достигает своего максимума, а по мере истечения оставшихся продуктов детонации, начинает падать. Затем инициируется следующая детонация и цикл проходится заново. Очевидно, что для достижения большей эффективности следует увеличивать частоту инициации детонации, что и является основной проблемой на данный момент. Ее решают путем увеличения количества труб, т. е. современные ИДД представляют собой связку из нескольких труб с общим топливным баком и соплом.
В ИДД можно достигнуть относительной равномерности тяги, путем установления различных систем сглаживания ударных волн, благодаря которым отсутствию толчков. Без подобных устройств ИДД будет выбрасывать продукты детонации резко и станет более пригоден для использования в ракетных установках (от того эта схема и названа «оружейная»).
Электрогенератор на идд
На данный момент ученые идут большей частью экстенсивным путем, чтобы увеличить мощность ИДД, т. е. увеличивают количество труб. Из-за этого вес двигателя непомерно растет, и на ЛА их устанавливать становится просто бессмысленно. Однако, ученые г. Хиросима решили создать экспериментальную установку, где бы ИДД использовался в качестве генератора энергии.
На рис. 5 представлена схема импульсного детонационного газо-турбинного двигателя (ИДГТД), созданного в университете г. Хиросима.
Через насос-форсунки в камеру сгорания (3) впрыскивается пропилен (), в это же время подается через трубу, идущую от турбокомпрессора, подается воздух. В это же время в предетонаторе (1) путем окисления пропана () инициируется детонационная волна, которая попадает в камеру сгорания и проходит по ней, сжигая ТВС. Затем, часть газов попадает в трубу, соединенную с турбокомпрессором, создает давление, открывает клапан и раскручивает турбинное колесо (5). Турбинное колесо соединено неподвижной осью с наносным колесом, которой так же начинает крутиться, засасывая воздух извне, нагнетая его под давлением в трубу, соединенную с камерой сгорания. Таким образом, воздух уже подается в камеру сгорания под давлением, детонационная волна движется быстрее, и частота увеличивается, а заодно и топливо быстрее перемешивается.
Рис. 5
(Все размеры в мм) 1 – предетонатор; 2 – свеча зажигания; 3 – камера сгорания; 4 – насосное колесо; 5 – турбинное колесо; 6 – турбокомпрессор; 7 – труба с V-образным вырезом; 8 – многоступенчатый отражатель; 9 – поворотный клапан.
Другая часть детонационной волны и продуктов горения попадает в сглаживающее устройство. Оно состоит из трубы с V-образным вырезом и многоступенчатого отражателя, которые в совокупности таким образом отражают детонационные волны, что тяга двигателя почти выравнивается.
Для изменения же режимов работы на входе в камеру сгорания был установлен поворотный клапан, пропускающий лишь определенное количество ТВС, а соответственно влияющий и на мощность детонационной волны.
Вылетающие из ИДГТД газы раскручивали турбину, из чего и извлекали электричество. В принципе, маленький индукционный генератор можно было присоединить и турбокомпрессору.
К сожалению, термический кпд системы был крайне мал, вследствие низкой частоты генерации ударных волн и некоторых других допущенных ошибок.