Введение к работе
Актуальность. Современные авиационные двигатели, использующие сжигание топлива при постоянном давлении, практически достигли максимально возможного термодинамического совершенства. Одна из возможностей улучшения их характеристик может быть связана с использованием детонационного сжигания топлива.
Как известно, детонация практически мгновенный процесс с выделением тепловой энергии на длине соизмеримой с длиной свободного пробега молекул и сопровождающийся возникновением ударной волны. Такой процесс близок к адиабатному, протекающему без теплообмена с внешней средой при постоянном объеме. Анализ рабочего процесса показывает, что детонационное сжигание топлива термодинамически более выгодно, даже по сравнению с изохорическим. Использование детонационного сжигания топлива позволит, во-первых, упростить конструкцию двигателя путем либо исключения, либо существенного упрощения системы подачи топлива и, во-вторых, увеличение термодинамического КПД цикла для пульсирующих детонационных двигателей (ПДД) позволяет надеяться на получение более высокой топливной экономичности.
Хотя идея использования детонационного горения в двигателях и стационарных установках была высказана давно, систематических исследований по этой проблеме долгое время не проводилось. Выполненные, в основном в США в середине прошлого века, исследования показали, что для получения приемлемых тяговых характеристик необходимо сжигать топливо с частотой генерации детонационных волн не менее 100 гц.
В настоящее время в авиации самым перспективным направлением использования ПДД считается форсирование тяги двигателя. В одном из вариантов предлагается заменить существующие форсажные камеры в турбореактивных авиационных двигателях на трубчато-кольцевые камеры ПДД. Учитывая потенциально более высокую топливную экономичность ПДД по сравнению с традиционной форсажной камерой, их использование должно позволить существенно расширить маневренные показатели и увеличить дальность полета ЛА. Кроме того, рассматриваются возможности использования ПДД в качестве основного двигателя или в составе комбинированной силовой установки. В ракетной технике основное внимание уделяют изучению возможности замены дорогостоящих малогабаритных газотурбинных двигателей на воздушно-реактивные ПДД.
Однако практически во всех работах анализ характеристик ПДД рассматривается применительно к одиночному циклу, тогда как приемлемые удельные тяговые характеристики и полный КПД для различных движительных систем с ПДД достигается только при высокой частоте пульсаций.
Объектом исследования данной диссертации являются схема пульсирующего детонационного двигателя и анализ его составных частей.
Целью диссертационного исследования является решение задачи структурного синтеза в части выбора состава основных подсистем и элементов, а также оценка их эффективности и определение основных закономерностей изменения эффективности ПДД различных схем на основе расчетно-экспериментального исследования.
Достижение поставленной в работе цели обеспечивается решением следующих основных задач:
-
Создан экспериментальный стенд для исследования инициирования детонационной волны и режимов работы камеры сгорания.
-
Предложен и экспериментально подтвержден способ инициирования детонационной волны, обеспечивающий высокую частоту работы двигателя;
-
На основе экспериментальных данных разработана математическая модель ПДД для анализа эффективности различных схем движителей в составе двигателя.
Методами решения задач являются численные методы для решения задач газовой динамики и методы системного анализа. Экспериментальное изучение объекта исследования обеспечивается модельным экспериментом.
На защиту выносятся:
-
Модельный стенд для исследования газодинамического способа инициирования и режимов работы для различных топливных пар;
-
Газодинамический способ инициирования детонационной волны в камере сгорания ПДД;
-
Организация автоколебательного режима работы камеры сгорания с использованием газодинамического способа инициирования;
-
Инженерная методика расчета характеристик ПДД для задач формирования облика двигателя;
-
Результаты математического моделирования с использованием различных движительных систем.
Научная новизна. Разработан способ устойчивого инициирования детонационной волны и способ поддержания автоколебательного режима работы камеры сгорания ПДД. На модельном стенде экспериментально подтверждена его работоспособность на высоких частотах в режиме автоколебаний. Разработана методика расчета тяги ПДД для задач формирования облика двигателя.
Практическое значение. Разработана методика оценки основных характеристик ПДД на этапе проектирования для выбора геометрии камеры сгорания и оценки влияния движителей на характеристики ПДД.
Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями по инициированию детонационной волны, соответствием измеренной скорости детонационной волны оптическими датчиками и пьезоэлектрическими датчиками, значениям скоростей, полученных с помощью представленной методики расчета.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на двенадцатой международной научно-технической конференции –«МЭИ» г. Москва 2006, на конкурсе научно-технических работ и проектов «Молодежь и будущее авиации и космонавтики» г. Москва 2009, на заседаниях кафедры конструкции двигателей летательных аппаратов МАИ.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в статьях [1,2] журналов, входящих в рекомендованный ВАКом Минобрнауки России перечень изданий, в сборниках тезисов докладов [3,4]. Выпущено два отчета о НИР.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 51 наименования. Текст работы изложен на 130 машинописных страницах, включает в себя 50 рисунков и 3 таблицы.
