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:

1. Традиционный («оружейная схема») ИДД

2. Пульсирующий сверхзвуковой прямоточный ИДД

3. 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.