Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Инициирование детонации ТВС и современное состояние исследований по ИДД 11
1.1 Перспективы детонационного сжигания топлива в проходящих детонационных волнах 11
1.2 Принципиальные схемы ИДД 15
1.3 Перспективы применения ИДД 23
1.4 Проблемы создания ИДД и поиск их решения 25
1.5. Инициирование детонации в ИДД 26
1.6 Действующие факторы электрического разряда как инициатора детонации.. 35
Глава 2. Экспериментальный стенд 38
2.1. Общее описание 38
2.1.1. Устройство форсунки 40
2.1.2. Детонационная труба 42
2.1.3. Блок питания разрядников 43
2.1.4. Разрядники ...44
2.1.5. Блок управления 49
2.1.6. Диагностический блок 50
2.1.7. Регистрирующий комплекс 52
2.2. Электрические разряды в воздухе 53
Глава 3. Инициирование детонации последовательными разрядами ...64
3.1. Инициирование детонации последовательными разрядами в газовых смесях 64
3.2. Инициирование детонации в распылах жидкого топлива двумя последовательными электрическими разрядами 71
Глава 4. Инициирование детонации комбинированными средствами 77
4.1. Исследование инициирующей способности спирали Щелкина в капельных углеводородо-воздушных смесях 77
4.2. Исследование инициирующей способности витка трубы 84
4.3. Инициирование детонации комбинированными средствами 87
4.3.1 Двухстадийное инициирование детонации 87
4.3.2. Комбинированный метод инициирования детонации с газодинамической фокусировкой ударной волны 88
4.4. Макет-демонстратор воздушно-реактивного импульсного детонационного двигателя на жидком топливе 94
Заключение 101
Список литературы
- Перспективы применения ИДД
- Детонационная труба
- Инициирование детонации в распылах жидкого топлива двумя последовательными электрическими разрядами
- Исследование инициирующей способности витка трубы
Введение к работе
В течение последних 10-12 лет нарастающими темпами ведутся работы по созданию нового типа реактивных двигателей на химическом топливе -так называемых импульсных детонационных двигателей (ИДД). В таких двигателях применяется новый принцип преобразования химической энергии топлива в реактивное 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 ИДЦ 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 ИДЦ 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 ИДЦ 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 ИДЦ 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 ИДЦ конкурентоспособности.
Данная диссертационная работа направлена на решение некоторых фундаментальных проблем, стоящих на пути создания воздушно-реактивного ИДЦ 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 ИДЦ 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 детонациояного 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 ИДЦ 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 двухконтурныи 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.
Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного горения распылов жидкого топлива в трубе со спиралью Щелки на.
Результаты экспериментальных исследований высокоскоростного горения в трубе с фокусирующим витком.
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.
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, Лос 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.
Перспективы применения ИДД
Простота конструкции и принципа работы ИДД, а также высокая потенциальная термодинамическая эффективность рабочего цикла, делают его очень привлекательным для приложений, особенно в, авиации и ракетной технике. В авиации наиболее перспективным считают использование ИДД для форсирования тяги: предлагают заменить существующие форсажные камеры в турбореактивных двигателях ЛА на трубчато-кольцевые камеры ИДД [12]. Ввиду того, что на форсажных режимах потребление топлива значительно возрастает, использование эффективных ИДД позволит существенно расширить маневренные показатели и увеличить дальность полета ЛА. Также изучают возможности использования ИДД в основной силовой установке ЛА [10] и рассматривают схемы с комбинированными силовыми установками [13, 14]. В ракетной технике основное внимание уделяют возможности замены дорогостоящих малогабаритных газотурбинных двигателей на воздушно-реактивные ИДД. Разрабатывают схемы ИДД для ракет-носителей [14].
Вследствие жестких весовых и габаритных ограничений, а также требований экономичности, устойчивости и долговечности, свойственных силовым установкам Л А, кроме требований высоких тяговых характеристик к ИДД предъявляют целый ряд других требований. В соответствии с ними одна из наиболее приемлемых конфигураций ИДД - связка труб длиной 1-2 м, диаметром 70-100 мм с единым воздухозаборником и общим соплом.
Что касается энергетических приложений, известна разработка фирмы Адройт Системе (США) [15] - энергетическая установка (ЭУ), работающая на циклическом детонационном сжигании природного газа. В разработке предусмотрено использование предетонатора или организация перехода горения в детонацию (ПГД) для получения детонационной волны в камере сгорания ЭУ. Для использования предетонатора требуются дополнительный окислитель (например, кислород) и/или топливо (например, водород), или сенсибилизатор, повышающий детонационную способность смеси. Для организации ПГД требуются большие длины камеры сгорания (больше 100 диаметров в случае гладкой трубы) или размещение препятствий внутри камеры, которые сокращают в несколько раз необходимую длину камеры, но значительно увеличивают потери кинетической энергии. Кроме того, возрастает продолжительность заполнения камеры смесью, что приводит к низкой частоте работы ЭУ и необходимости использования большого числа камер сгорания. Тем не менее, ввиду того, что для стационарных ЭУ ограничения по весу, геометрическим размерам и рабочей частоте не являются определяющими, успех на пути создания такой установки следует рассматривать как технологический прорыв.
Подобные ЭУ в настоящее время отсутствуют, хотя имеются фундаментальные обоснования возможности их реализации. По сравнению с существующими аналогами (ЭУ на основе поршневых двигателей, газовых или паровых турбин), такая установка отличается повышенным термодинамическим КПД, простотой конструкции и масштабирования, т.е. перехода от модели к полноразмерным агрегатам промышленного масштаба. Наилучшее предназначение таких ЭУ - покрытие пиковых нагрузок в электроэнергетических сетях. Такие разработки могут использоваться и для создания автономных источников энергии для целого ряда приложений (например, судовых ЭУ, автономных электростанций и т.д.). Установки с импульсным детонационным сжиганием топлива можно использовать и в качестве горелочных устройств, эффективность которых может превышать эффективность существующих горелок, главным образом, благодаря импульсному высокоскоростному потоку горячих продуктов детонации, обеспечивающему высокую теплопередачу.
Несмотря на значительные успехи, достигнутые за последние годы в исследовательских и опытно-конструкторских работах по созданию ИДД, пока нет достоверных сведений об их полетных испытаниях. Созданы лабораторные образцы ИДД, работающие на газовом (водород, этилен, пропан) и жидком (бензин, частично испаренный керосин) топливе и воздухе с частотой от 1 до 90 Гц (см. например, [10, 17, 18]). На стендах измерены тяговые характеристики таких двигателей. Однако в литературе отмечаются многочисленные отклонения от идеальной схемы ИДД, связанные с (1) несовершенным смешением компонентов ТВС, (2) неравномерным заполнением камеры сгорания свежей ТВС, (3) конечными значениями длины и времени развития детонационной волны и (4) ее неустановившимся характером распространения, (5) несоответствием параметров детонации параметрам детонации Ч-Ж и другими факторами.
В практических ИДД желательно использовать штатные жидкие топлива (типа авиационного керосина) без активных добавок с непосредственной подачей в камеру сгорания без предварительного смешения с воздухом. В настоящее время именно эти факторы оказались основным барьером на пути создания ИДД, конкурирующего с существующими силовыми установками. Необходимость использования жидкого углеводородного топлива типа керосина в рабочем цикле воздушно-реактивного ИДД порождает ряд фундаментальных проблем, связанных с низкой детонационной способностью таких то пли в и необходимостью больших энергетических затрат на инициирование детонации [19].
Детонационная труба
Испытания форсунки показали, что такая схема подачи топлива весьма эффективна для обеспечения тонкого распыления жидкости и регулировки качества смеси. Преобладающий диаметр капель топлива в воздушной струе составляет 5-10 мкм для углеводородных топлив с температурой кипения от 69до180С.
Для определения размеров капель использовался метод следовых отпечатков. На узкую стеклянную пластинку наносился слой сажи из верхней зоны факела пламени оргстекла. Пластинка крепилась на маятнике по нормали к струе топлива. Струя распыленного топлива диафрагмировалась, чтобы ограничить количество капель. Скорость пролёта пластинки через струю составляла от 5 до 10 м/с. При пролёте пластинки через струю на ней оставались следовые отпечатки отдельных капель. Обработка пластинки проводилась под микроскопом на просвет. За диаметр капель принималась ширина следового отпечатка на слое сажи, разрушенном каплей. При недостатке кинетической энергии капля не пробивала слой сажи, при избытке - характерно разрушала слой по периметру отпечатка.
Толщина и прочность слоя сажи подбирались опытным путём, что позволяло проводить оценку размеров капель на расстоянии от 70 до 200 мм от сопла форсунки с плотностью заполнения отпечатков от 101 до 103 частиц на мм . приведена схема детонационной трубы постоянного сечения с измерительной секцией. Внутренний диаметр трубы 51 мм»
Детонационная труба и измерительная секция снабжены крепежными фланцами и резьбовыми отверстиями Ml8x1,5 под датчики давления и электрические зонды. Труба снабжена резьбовыми отверстиями диаметром dy = 25 мм труб, под разрядники. Все резьбовые отверстия расположены в сечениях трубы с шагом 100 мм. 1000 500
Схема детонационной трубы постоянного сечения с измерительной секцией. Внутренний диаметр трубы 51 мм. 1 - разрядная камера, 2 - измерительная секция, 3 - датчик давления, 4 — разгонная секция, 5 - разрядники.
Открытый конец детонационной трубы выходит в расширитель 4 (рис. 13) объёмом 30 л, сообщающийся с атмосферой через глушитель 5. Глушитель представляет собой трубу из нержавеющей стали диаметром 80 мм и длиной 900 мм, в которую вставлен рулон сетки из стальной витой проволоки диаметром 1,2 мм. Общая масса проволоки 6 кг. Конец трубы глушителя длиной 250 мм перфорирован. Такая конструкция газодинамического тракта обеспечивает превышение начального давления на срезе детонационной трубы над атмосферным не более 0,005 МПа при расходе ТВС до 40 л/с.
Блок питания разрядников обеспечивает одновременную зарядку конденсаторных батарей до предварительно установленного напряжения от 100 до 5000 В. Распределительное устройство регулирует ток зарядки конденсаторных батарей и обеспечивает одинаковое напряжение на них. Разряжаются батареи независимо. Каждый разрядник снабжен инициирующей схемой, которая запускается от контроллера при зарядке конденсаторов до заданного напряжения. В работе используются различные схемы инициирования разрядников. Две основные схемы приведены на рис. 16. Они содержат фототиристор D2 с накопительной емкостью С2 = 2 мкФ и импульсный трансформатор с ферритовьтм сердечником сечением I см2,
В схеме на рис. 16а через инициирующий электрод разряжается емкость Сз, равная 25 мкФ, заряженная до максимального напряжения. На схеме рис. 166 ток инициирующего электрода ограничен резистором 15 Ом до значений 100-200 А. Резисторы R4 ограничивают экстраток при касании дуги разряда заземленных корпусных элементов ударной трубы. Накопительная емкостью Сі набрана из импульсных конденсаторов К-41И номиналом 100 мкф/5000 В.
По техническим требованиям, предъявляемым к установке, разрядники должны срабатывать с минимальным разбросом времени задержки срабатывания, в пределах ±5 мкс. В нормальных условиях это требование выполнить легко. Однако в условиях испытаний в детонационной трубе с высокотурбулентньш гетерогенным потоком со средней скоростью в несколько десятков метров в секунду, разброс времени задержки увеличивается до сотни микросекунд. Кроме того, разрядник должен срабатывать в УВ вблизи фронта, где скорости потока достигают сотен метров в секунду. Существенно затрудняет срабатывание разрядника и высокая плотность газа за фронтом УВ, которая определяет величину электрической прочности среды.
На рис. 17-19 представлены основные конструкции разрядников, которые применялись в работе. Корпуса разрядников выполнены из фторопласта, стеклопластика или поликарбонатного стекла.
Инициирование детонации в распылах жидкого топлива двумя последовательными электрическими разрядами
На основании описанных опытов и расчетов можно полагать, что внешнее стимулирование химических превращений в первичной УВ с помощью электрического разряда, запускаемого почти синхронно с приходом первичной У В, приводит к ускорению У В вплоть до ее перехода в детонацию. Важную роль в развитии переходного явления может играть и столкновение ударных волн.
Таким образом, экспериментально доказано, что детонацию в горючем газе можно инициировать с помощью бегущего импульса принудительного зажигания, который формируется путем последовательного запуска нескольких разрядников с тщательно подобранными временами задержки. Такой способ инициирования детонации существенно отличается от традиционных способов - прямого инициирования или ПГД.
При прямом инициировании одним источником детонация возникает после стадии ослабления очень сильной первичной УВ, поэтому большая доля энергии инициатора и горючего газа расходуется нецелевым образом — на сжатие, нагрев и термическое разложение продуктов реакции за УВ.
При ПГД необходимо, чтобы пламя ускорилось до видимой скорости порядка 1000 м/с. В случае пропано-воздушной смеси для этого надо иметь гладкую трубу длиной более 260 диаметров [63] или трубу с турбулизато-рами в виде регулярных препятствий длиной более 60 диаметров [64]. Часть энергии при таком инициировании детонации также расходуется нецелевым образом — идет на сжатие и нагрев большого объема продуктов сгорания.
При использовании бегущего импульса зажигания обеспечивается целевая подача энергии горючего газа во фронт У В, которая быстро усиливается и достигает интенсивностей, достаточных для возбуждения детонации. Для получения детонации на кратчайших расстояниях поджигающий импульс должен перемещаться с ускорением. В проведенных экспериментах с 8 разрядниками ДВ возникала на длинах 0.6-0.7 м, равных 12-14 диаметрам трубы. Первичная У В была относительно слабой — имела скорость (между сечениями 2 и 4) около М = 2.0-2.5. Суммарная номинальная энергия электрических разрядов для условий трубы рис. 15 равна 1.68 МДж/м , что меньше значения 3 МДж/м , приведенного в [19] для критической энергии инициирования детонации плоским зарядом ВВ. Учитывая, что эффективность преобразования электрической энергии разряда в энергию УВ мала по сравнению с эффективностью ВВ и обычно составляет около 10% [65], реальное значение суммарной критической энергии инициирования детонации оказывается значительно меньшим.
Инициирование детонации в распылах жидкого топлива двумя последовательными электрическими разрядами
Проведено три серии экспериментов, цель которых - получить детонацию в распыле жидкого w-гексана в воздухе с помощью двух последовательно срабатывающих электрических разрядников. Для этого использовали стальные трубы диаметром 51 и 28 мм. На одном конце трубы установлена пневматическая форсунка, обеспечивающая весь расход воздуха (15-30 л/с) и тонкое распыление топлива со средним размером капель 5-10 мкм. Другой конец трубы был соединён с атмосферой глушителем. Опыты проводили при импульсной подаче воздуха и топлива. Длительность импульса — 1 с. Труба состояла из инициирующей секции с двумя электрическими разрядниками и измерительной секции. Первый разрядник помещали на расстоянии 60 мм от сопла форсунки, а второй - на расстоянии L от первого разрядника, кратном 100 мм.
Электропитание разрядников включало высоковольтные конденсаторы емкостью С\ и Сг. Энергию разрядов Е\ и Е2 варьировали, изменяя напряжение на конденсаторах U, которое было одинаковым для обоих разрядников. Энергию ёмкостных накопителей рассчитывали по емкости конденсаторов и напряжению. Сигнал запуска разряда поступал на разрядник от цифрового управляющего блока. Управляющий блок позволял заранее устанавливать время задержки запуска второго разряда по отношению к первому. Продолжительность импульса разрядного тока г составляла от 50 до 100 мкс для разрядников разной конструкции.
Исследование инициирующей способности витка трубы
Анализ экспериментальных данных позволил выявить закономерности переходных процессов в трубах диаметром, близким к критическому диаметру распространения детонации. После зажигания смеси пламя ускоряется, приводя к формированию куполообразной волны давления амплитудой до нескольких атмосфер. По мере распространения вдоль трубы амплитуда купола возрастает, формируется передний фронт У В. После достижения некоторых максимальных значений, скорость волны давления и ее амплитуда далее практически не изменяются, что свидетельствует о квазистационарном распространении волны высокоскоростного горения.
После выхода волны из спирали профиль давления в ней приобретает треугольную форму, и, начиная с некоторого расстояния (100-150 мм) от конца спирали, волна начинает затухать.
Наблюдаемый режим высокоскоростного горения характеризуется максимальными скоростями распространения до 1120 м/с для трубы диаметром 36 мм и до 930-950 м/с для трубы диаметром 28 мм. Максимальная амплитуда давления в таких волнах - 10 атм. В прямых трубах со спиралью инициирование детонации не наблюдалось ни при коротких, ни при длинных спиралях (длиной до 750 мм), свитых из стальной проволоки диаметром 4 и 7 мм с разным шагом витков.
При изменении местоположения спирали и разрядника в трубе найдена оптимальная конфигурация системы с предельно короткой (400 мм) спиралью и минимальной энергией разряда Екь при которой на выходе из спирали образуется достаточно сильная УВ, распространяющаяся со скоростью около 900 м/с. При меньших энергиях разряда амплитуда образованных УВ уменьшалась. Для длинных спиралей (750 и 600 мм) энергия Ек - это минимальная энергия воспламенения струи жидкого топлива, которая в условиях опытов составила от 12-18 Дж. При меньших энергиях разрядник, обдуваемый скоростным двухфазным потоком, не зажигал горючую смесь.
Обнаружено, что минимальная энергия Ек возрастает при укорачивании спирали и увеличении диаметра трубы. Оказалось, что для образования УВ достаточной интенсивности недостаток длины спирали для разгона волны горения можно компенсировать увеличением энергии разряда.
Таким образом, использование спирали Щёлкина длиной от 400 до 750 мм позволяет получить квазистационарные волны высокоскоростного горения, распространяющиеся со скоростью от 800 до 1100 м/с при инициировании разрядом с энергией от 18 до 240 Дж.
Известно, что повороты трубопроводов являются местами повышенной вероятности возникновения детонации. При входе У В в поворот трубы возникают локальные области отражений с газодинамической фокусировкой УВ, а также области расширения. Кроме того, при движении газа по криволинейной траектории с высокими скоростями возникает существенное перераспределение термодинамических параметров и скорости по сечению трубы, вызывающее дополнительную генерацию турбулентности. В областях повышенного давления и температуры создаются условия для быстрого энерговыделения и ускорения пламени, а иногда и для возникновения детонации.
Для экспериментального исследования были изготовлены 2 секции из трубы диаметром 28 мм, представляющие собой один виток трубы и два витка трубы. Осевая линия трубы образует спираль диаметром 65 мм . Торцы секций снабжены резьбой.
Для анализа эффективности витков трубы в качестве турбулизатора и инициатора детонации была собрана детонационная труба. Схема компоновки трубы приведена на рис.41. Камера сгорания соединена с 2-х оборотным змеевиком, затем присоединен змеевик в 1 оборот. На выходе из него установлена цилиндрическая секция с датчиками давления. Затем труба диаметром 28 мм переходит в трубу диаметром 42 мм через конус с углом раствора около 2.
Испытания были проведены в широком диапазоне энергий разрядника от 96 до 507 Дж. На рис. 42 представлены измеренные значения средних скоростей У В на разных измерительных базах в зависимости от энергии разрядника.
Опыты показали, что все скорости У В регулярно растут с увеличением энергии инициирования. Дисперсия полученных значений скоростей УВ относительно велика, что характеризует процесс ускорения У В как чувствительный к случайным факторам начальных условий в детонационной трубе.
Средние скорости УВ в змеевике во всем диапазоне энергий сверхзвуковые (ряд 6). Форма ударных волн на датчике ДД1 как правило близка к прямоугольной с выраженными колебаниями, на датчиках ДД2 и ДДЗ волна обычно перестраивается в треугольную (при отсутствии детонации) (см. рис. 43а).
При энергии зажигания 470 Дж и выше наблюдалась детонация с характерными для детонации ТВС значениями скоростей 1630 - 1720 м/с (см. рис. 436). В одном опыте при энергии 46 Дж детонация развивалась только с отметки 1241 мм. На предыдущих базах скорость УВ в опыте составляла всего 1020 и 1230 м/с. Это означает, что энергия, выделяющаяся в змеевике при переходных значениях энергии инициирования, фокусируется в виде ударной волны на значительном расстоянии от него ниже по трубе.
