RU2490498C1 - Intermittent detonation engine - Google Patents
Intermittent detonation engine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2490498C1 RU2490498C1 RU2012115233/06A RU2012115233A RU2490498C1 RU 2490498 C1 RU2490498 C1 RU 2490498C1 RU 2012115233/06 A RU2012115233/06 A RU 2012115233/06A RU 2012115233 A RU2012115233 A RU 2012115233A RU 2490498 C1 RU2490498 C1 RU 2490498C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonator
- fuel
- engine
- annular nozzle
- unit
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для создания тяги на летательных аппаратах.The invention relates to the field of engine manufacturing and can be used to create traction on aircraft.
Детонационный двигатель является новым направлением в развитии авиадвигателестроения. По сравнению с существующими авиационными газотурбинными двигателями пульсирующие детонационные двигатели обеспечат существенное улучшение тягово-экономических и массово-габаритных показателей, упрощение конструкции и снижение их стоимости (Вестник воздушного флота, июль - август 2003, стр.72-76). Теоретически и экспериментально доказано, что такие двигатели могут обеспечить повышение термического КПД в 1,3…1,5 раза.The detonation engine is a new direction in the development of aircraft engine. Compared to existing aviation gas turbine engines, pulsating detonation engines will provide a significant improvement in traction, economic and mass-dimensional parameters, simplifying the design and reducing their cost (Bulletin of the Air Fleet, July - August 2003, pp. 72-76). It has been theoretically and experimentally proved that such engines can provide an increase in thermal efficiency by 1.3 ... 1.5 times.
Построение пульсирующих детонационных двигателей осуществляется по следующим схемам (Импульсные детонационные двигатели под ред. С.М.Фролова, изд. ТОРУС ПРЕСС, М.,2006):The construction of pulsating detonation engines is carried out according to the following schemes (Pulse detonation engines under the editorship of S.M. Frolov, ed. TORUS PRESS, M., 2006):
- классическая «Оружейная»;- classic "Armory";
- схема для прямоточного воздушно-реактивного двигателя;- scheme for ramjet engine;
- схема сжигания смеси с помощью стационарно вращающейся детонационной волны.- a scheme for burning a mixture using a stationary rotating detonation wave.
Кроме того, активно развивается «инвертированная» схема (ж. Двигатель №1 (25) 2003, стр.14-17, ж. Полет №11, 2006, стр.7-15, №5, 2007, стр.22-30, №12, 2008, стр.18-26).In addition, an “inverted" circuit is actively developing (J. Engine No. 1 (25) 2003, pp. 14-17, J. Flight No. 11, 2006, pages 7-15, No. 5, 2007, pages 22-30 , No. 12, 2008, pp. 18-26).
Пульсирующий детонационный двигатель, построенный по «оружейной» схеме (патент США №6484492), представляет собой прямолинейную трубу определенной длины, которая открыта с заднего конца и имеет клапанное устройство на переднем конце. При работе двигателя топливно-воздушная смесь подается в трубу через клапан, который затем закрывается.The pulsating detonation engine, built according to the "weapons" scheme (US patent No. 6484492), is a straight pipe of a certain length, which is open from the rear end and has a valve device at the front end. When the engine is running, the air-fuel mixture is fed into the pipe through a valve, which then closes.
Детонация топливно-воздушной смеси инициируется с помощью зажигателя, расположенного в трубе, а ударные волны, возникающие в результате детонации, распространяются «вниз» по трубе, повышая температуру и давление образующихся продуктов сгорания. Эти продукты вытесняются из открытого заднего конца, создавая импульс реактивной силы, направленный вперед. После выхода ударной волны возникает волна разрежения, которая обеспечивает подачу в трубу через клапан новой порции топливно-воздушной смеси и цикл повторяется.The detonation of the air-fuel mixture is initiated using an ignitor located in the pipe, and the shock waves resulting from detonation propagate “down” along the pipe, increasing the temperature and pressure of the resulting combustion products. These products are forced out of the open rear end, creating a forward momentum of reactive force. After the shock wave emerges, a rarefaction wave occurs, which provides a new portion of the fuel-air mixture to the pipe through the valve and the cycle repeats.
Способ управления детонацией в таком двигателе описан в патенте США №6751943. Возникающая при воспламенении ударная волна и фронт детонационного горения будут стремиться распространяться в обоих продольных направлениях. Воспламенение инициируется на переднем конце трубы, так что волны будут распространяться по потоку к открытому выходному концу. Клапан необходим для того, чтобы препятствовать выходу ударной волны из передней стороны трубы и, более важно, чтобы воспрепятствовать прохождению фронта детонационного горения в систему топливно-воздушного впуска. Для цикла пульсирующей детонации требуется, чтобы клапан работал при чрезвычайно высоких температурах и давлениях и, кроме того, он должен работать при очень больших частотах, чтобы получить сглаженную по величине силу тяги. Эти условия значительно уменьшают надежность механических клапанных систем из-за многоцикловой усталости.A knock control method in such an engine is described in US Pat. No. 6,751,943. The shock wave arising upon ignition and the detonation combustion front will tend to propagate in both longitudinal directions. Ignition is initiated at the front end of the pipe, so that the waves will propagate downstream to the open outlet end. The valve is necessary in order to prevent the shock wave from leaving the front of the pipe and, more importantly, to prevent the front of detonation combustion from passing into the fuel-air intake system. A pulsating detonation cycle requires the valve to operate at extremely high temperatures and pressures and, in addition, it must operate at very high frequencies in order to obtain a smoothed thrust force. These conditions significantly reduce the reliability of mechanical valve systems due to multi-cycle fatigue.
Для пульсирующего детонационного двигателя, построенного по «оружейной» схеме, варианты управления «электрическим» клапаном предложены в патенте РФ №2287713.For a pulsating detonation engine built according to the “weapon” scheme, control options for the “electric” valve are proposed in RF patent No. 2287713.
Такой двигатель включает трубу, имеющую открытый передний конец и открытый задний конец; топливно-воздушный вход, выполненный в трубе на переднем конце; зажигатель, расположенный в трубе в месте, находящемся между переднем и задним концом, а также систему магнитогидродинамического управления потоком, расположенную между зажигателем и топливно-воздушным входом. Предложено три варианта магнитогидродинамического управления потоком.Such an engine includes a pipe having an open front end and an open rear end; fuel-air inlet made in the pipe at the front end; an ignitor located in the pipe at a location between the front and rear ends, as well as a magnetohydrodynamic flow control system located between the igniter and the air-fuel inlet. Three variants of magnetohydrodynamic flow control are proposed.
Первый вариант системы магнитогидродинамического управления потоком включает обмотку возбуждения электрического поля, намотанную вокруг трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом и пару постоянных магнитов, расположенных с противоположных сторон трубы для создания в ней магнитного поля перпендикулярного продольной оси трубы. Детонация топливно-воздушной смеси в трубе будет приводить к протеканию через магнитное поле электрически проводящих ионизированных продуктов горения, в результате возникает электрический ток в обмотке возбуждения, создающий электрическое поле.The first version of the magnetohydrodynamic flow control system includes an electric field field winding wound around the pipe in a place located between the igniter and the air-fuel inlet and a pair of permanent magnets located on opposite sides of the pipe to create a magnetic field in it perpendicular to the longitudinal axis of the pipe. Detonation of the air-fuel mixture in the pipe will lead to the flow of electrically conductive ionized combustion products through the magnetic field, resulting in an electric current in the field coil, creating an electric field.
Взаимодействие магнитного и электрического полей приводит к возникновению силы Лоренца, направленной против движения ударной и детонационной волн. На время ее действия прямой фронт горения будет рассеиваться и не пройдет через открытый передний конец трубы. Кроме того, обмотка возбуждения электрического поля подключена к системе управления режимом мощности, обеспечивающей подачу в соответствующие моменты времени импульсов тока на зажигатель.The interaction of magnetic and electric fields leads to the emergence of the Lorentz force directed against the motion of the shock and detonation waves. For the duration of its operation, the direct combustion front will dissipate and will not pass through the open front end of the pipe. In addition, the field winding of the electric field is connected to a power mode control system that provides current pulses to the ignitor at appropriate times.
Второй вариант системы магнитогидродинамического управления потоком включает обмотку возбуждения магнитного поля, намотанную вокруг трубы в месте, находящемся между зажигателем и топливно-воздушным входом. К обмотке через устройство управления подключается источник энергии, обеспечивающий протекание через нее электрического тока, и тем самым создание магнитного поля. В районе обмотки находящаяся на входе трубы ионизированная топливно-воздушная смесь под действием магнитного поля разделяется на зону обогащенную топливом, окруженную обедненной воздушной зоной. При детонации прямая волна давления и прямой фронт горения распространяясь к входу трубы сталкиваются с разделенными топливной и воздушной зонами. В результате процесс горения передней зоны детонации нарушается, вызывая рассеивание прямого фронта горения. Как только прямой фронт пламени рассеется, подача электропитания на обмотку прекращается.The second variant of the magnetohydrodynamic flow control system includes a magnetic field field winding wound around the pipe in a place located between the ignitor and the air-fuel inlet. An energy source is connected to the winding through the control device, ensuring the flow of electric current through it, and thereby creating a magnetic field. In the area of the winding, the ionized fuel-air mixture located at the inlet of the pipe under the influence of a magnetic field is divided into a fuel-rich zone surrounded by a depleted air zone. In detonation, a direct pressure wave and a direct combustion front propagating to the inlet of the pipe collide with separate fuel and air zones. As a result, the combustion process of the front detonation zone is violated, causing the scattering of the direct combustion front. As soon as the front edge of the flame dissipates, the power supply to the winding is cut off.
Третий вариант системы магнитогидродинамического управления потоком объединяет первый и второй варианты, обеспечивающих отбор энергии и разделения топливно-воздушной смеси. Он содержит расположенные друг за другом обмотку возбуждения магнитного поля и обмотку возбуждения электрического поля, намотанные с наружи трубы на участке между зажигателем и топливно-воздушным входом, пару постоянных магнитов, расположенных с противоположных сторон трубы возле обмотки возбуждения электрического поля для создания в ней магнитного поля перпендикулярного продольной оси трубы.The third version of the magnetohydrodynamic flow control system combines the first and second options for energy selection and separation of the fuel-air mixture. It contains a magnetic field excitation winding and an electric field excitation winding, wound from the outside of the pipe in the area between the igniter and the air-fuel inlet, a pair of permanent magnets located on opposite sides of the pipe near the electric field excitation winding to create a magnetic field in it perpendicular to the longitudinal axis of the pipe.
Предложенные варианты магнитогидродинамического управления потоком заменяют механический клапан «электрическим», обеспечивая предотвращение выхода фронта детонационного горения в систему топливо-воздушного впуска. Однако при этом детонационный двигатель существенно усложняется, увеличиваются его массо-габаритные характеристики. Известен способ и устройство получения тяги (Патент РФ 2215890).The proposed magnetohydrodynamic flow control options replace the mechanical valve with an “electric” one, preventing the detonation combustion front from entering the fuel-air intake system. However, at the same time, the detonation engine is significantly complicated, its mass and size characteristics increase. A known method and device for producing traction (RF Patent 2215890).
Двигатель на основе данного способа состоит из блока подачи горючего и окислителя, корпуса, размещенной в корпусе с образованием кольцевого канала камеры сгорания, зон резонансной активации горючего и окислителя, в которых помещены средства активации в виде искровых разрядников, соединенных с выходами блока управления. К входу блока управления подключен выход блока питания. На выходе камеры сгорания помещен отражатель и оптически связанный с ним центрально расположенный профильный экран, выполненный с вогнутой поверхностью для фокусировки отраженной детонационной волны. Отражатель и экран изготовлены из материала с высокой магнитной проницаемостью, они могут перемещаться друг относительно друга, и предназначены для снятия с их поверхности электрической энергии при ударном воздействии по ним ионизированного газового потока.An engine based on this method consists of a fuel and oxidizer supply unit, a housing placed in the housing to form an annular channel of the combustion chamber, resonant activation zones of the fuel and oxidizer, in which activation means are placed in the form of spark gaps connected to the outputs of the control unit. The output of the power supply is connected to the input of the control unit. At the outlet of the combustion chamber, a reflector and a centrally located profile screen optically connected with it are arranged, made with a concave surface for focusing the reflected detonation wave. The reflector and the screen are made of a material with high magnetic permeability, they can move relative to each other, and are designed to remove electrical energy from their surface when impacted by an ionized gas stream.
Однако ионизированный газовый поток при столкновении с экраном, теряет часть зарядов за счет их притяжения и растекания по поверхности конусообразного отражателя. В результате уменьшается степень ионизации и скорость отраженного газового потока.However, the ionized gas stream in a collision with the screen loses part of the charges due to their attraction and spreading over the surface of the conical reflector. As a result, the degree of ionization and the speed of the reflected gas flow are reduced.
Двойное отражение детонационной волны в противоположных направлениях от экрана и отражателя создает тягу равную разности сил механических воздействий, что приведет в зависимости от их соотношения или к очень малому значению тяги или к нулевой тяге или даже изменит направление тяги. Поэтому такое устройство не может использоваться как двигатель.Double reflection of the detonation wave in opposite directions from the screen and the reflector creates a thrust equal to the difference in the forces of mechanical stress, which will lead, depending on their ratio, to a very small thrust value or to zero thrust, or even change the direction of thrust. Therefore, such a device cannot be used as an engine.
В кольцевой камере сгорания образовавшаяся детонационная волна распространяется в обоих продольных направлениях. Однако конструкция двигателя не имеет устройств, препятствующих прохождению фронта детонационного горения в зоны активации окислителя и горючего, что может вызвать детонацию в этих зонах.In the annular combustion chamber, the resulting detonation wave propagates in both longitudinal directions. However, the engine design does not have devices that prevent the front of detonation combustion from passing into the oxidizer and fuel activation zones, which can cause detonation in these zones.
Кроме того, в таком устройстве электрические импульсы формируются на экране и отражателе и снимаются с их поверхностей при ударном воздействии по ним ионизированного газового потока. Для обеспечения высоких значений ионизации потока необходимо использовать дополнительные мероприятия, например, введение в топливо легко ионизированных добавок. Такое устройство менее эффективно, чем преобразователь, построенный на преобразовании ударных воздействий в электрические импульсы с помощью сегнетоэлектриков.In addition, in such a device, electrical pulses are generated on the screen and the reflector and are removed from their surfaces when impacted by an ionized gas stream. To ensure high ionization of the flow, it is necessary to use additional measures, for example, the introduction of easily ionized additives into the fuel. Such a device is less efficient than a converter built on the conversion of shock to electrical pulses using ferroelectrics.
Известна камера пульсирующего двигателя детонационного горения построенная по инвертированной схеме (патент №2084675), содержащая расположенные в корпусе сверхзвуковое сопло и соосно с ним резонатор Гартмана в виде трубки замкнутой с одного конца и открытой с другого конца. Они располагаются таким образом, что между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью сопла образована полость, являющаяся камерой смешения, выходная часть которой представляет критическое сечение с дальнейшим переходом в сверхзвуковое сопло внешнего расширения с усеченным центральным телом.A known chamber of a pulsating detonation combustion engine constructed according to an inverted circuit (patent No. 2084675) containing a supersonic nozzle located in the housing and a Hartmann resonator coaxial with it in the form of a tube closed at one end and open at the other end. They are located in such a way that a cavity is formed between the inner surface of the casing and the outer surface of the nozzle, which is a mixing chamber, the outlet of which is a critical section with a further transition to a supersonic nozzle with an external expansion with a truncated central body.
Такая камера пульсирующего двигателя не имеет предварительной подготовки топлива к детонационному сгоранию и поэтому КПД ее низкий.Such a chamber of a pulsating engine does not have preliminary preparation of fuel for detonation combustion and therefore its efficiency is low.
Пульсирующий детонационный двигатель, построенный по инвертированной схеме (Патент СССР №1672933 от 22.04.1991, Патент РФ №2034996 от 10.05.1995, Химическая физика, 2001, том 20, №6, с.90-98) состоит из реактора и резонатора, соединенных между собой через кольцевое сопло. Сжатый воздух и топливо подаются в реактор, и в нем осуществляется предварительная подготовка топлива к детонационному сгоранию путем разложения компонентов топливно-воздушной смеси на химически активные составляющие. Для чего в реакторе осуществляют пиролиз горючего до получения рабочей смеси.A pulsating detonation engine constructed in an inverted circuit (USSR Patent No. 1672933 dated 04/22/1991, RF Patent No. 2034996 dated 05/10/1995, Chemical Physics, 2001,
Подготовленная смесь через кольцевое сопло в виде радиальных сверхзвуковых струй подается в резонатор, в результате на основе известного эффекта Гартмана-Шпренгера возникают ударные волны, которые при движении в сторону днища сжимают и нагревают горючую смесь. Отражаясь от донной поверхности резонатора, имеющего вогнутую форму, ударные волны фокусируются в узкой области, где происходит дальнейшее повышение температуры и давления, способствующие детонации горючей смеси. Возникающая детонационная волна движется по топливно-воздушной смеси со сверхзвуковой скоростью, при этом происходит практически мгновенное (взрывное) сгорание топлива, сопровождающееся значительным повышением температуры и давления продуктов сгорания. Детонационная волна, встречаясь со сверхзвуковым потоком рабочей смеси, образует «газовый затвор», который преграждает путь сверхзвуковому потоку рабочей смеси в резонатор. После отражения от донной стенки детонационная волна превращается в отраженную ударную волну, которая по сгоревшей смеси движется в сторону выхода и увлекает за собой продукты сгорания, выбрасывая их в атмосферу со сверхзвуковой скоростью. Воздействие детонационной волны на внутреннюю донную поверхность резонатора создает тягу. За отраженной ударной волной следует волна разрежения, которая, проходя мимо кольцевого сопла и, имея за фронтом давление, меньше атмосферного, обеспечивает открытие «газового замка» и всасывание новой порции рабочей смеси. Далее процесс повторяется.The prepared mixture is fed through the annular nozzle in the form of radial supersonic jets into the resonator; as a result, shock waves arise on the basis of the well-known Hartmann-Sprenger effect, which compress and heat the combustible mixture when moving toward the bottom. Reflecting from the bottom surface of the resonator having a concave shape, the shock waves are focused in a narrow region, where a further increase in temperature and pressure occurs, contributing to the detonation of the combustible mixture. The resulting detonation wave travels through the fuel-air mixture at a supersonic speed, with almost instantaneous (explosive) combustion of the fuel, accompanied by a significant increase in temperature and pressure of the combustion products. The detonation wave, meeting with the supersonic flow of the working mixture, forms a "gas shutter", which blocks the path of the supersonic flow of the working mixture into the resonator. After reflection from the bottom wall, the detonation wave turns into a reflected shock wave, which moves along the burnt mixture toward the outlet and carries the combustion products along, releasing them into the atmosphere at supersonic speed. The impact of the detonation wave on the inner bottom surface of the resonator creates traction. The reflected shock wave is followed by a rarefaction wave, which, passing by the annular nozzle and having a pressure lower than the atmospheric pressure behind the front, ensures the opening of the “gas lock” and the absorption of a new portion of the working mixture. The process is then repeated.
Недостатками такого пульсирующего детонационного двигателя являются:The disadvantages of such a pulsating detonation engine are:
- снижение к.п.д. двигателя за счет расхода части топлива при пиролизе горючего в реакторе для разложения топливно-воздушной смеси на химически активные составляющие;- decrease in efficiency the engine due to the consumption of part of the fuel during the pyrolysis of fuel in the reactor for decomposition of the fuel-air mixture into chemically active components;
- газодинамический клапан Гартмана недостаточно препятствует проникновение фронта детонационного горения через кольцевое сопло в реактор;- the Hartmann gas-dynamic valve does not sufficiently prevent the penetration of the detonation combustion front through the annular nozzle into the reactor;
- не осуществляется преобразование кинетической энергии отраженных ударных и детонационных волн от донной поверхности резонатора в электрическую импульсную энергию.- the kinetic energy of the reflected shock and detonation waves from the bottom surface of the resonator into electrical pulse energy is not converted.
Известен пульсирующий детонационный двигатель (патент №2435059), содержащий корпус, резонатор, реактор с кольцевым соплом, средства для подачи в него горючего и окислителя, выходное сопло Лаваля. При этом реактор выполнен полым цилиндром, входом которого являются тангенсально направленные патрубки горючего и продольный патрубок окислителя, а выходом кольцевое сопло, направленное во внутреннюю полость резонатора и образованное соединением выходной стенки резонатора и входной стенки реактивного сопла. Резонатор выполнен в виде цилиндра, задний конец которого с выпуклым дном, а передний имеет свободный выход. Дно резонатора состоит из двух частей, разделенных буфером, внутренняя часть выполнена из высокопрочного материала с высоким ударно волновым импедансом, а на наружной части дна размещены пьезоэлектрические элементы, соединенные электрически параллельно, и являющихся совместно с резонансным контуром пьезогенератором. Геометрические характеристики дна резонатора и направление выхода кольцевого сопла реактора обеспечивают совмещение в одной точке фокусировку отраженной ударной волны от вогнутого дна и пересечение выходящих струй смеси. Кроме того, на критическом сечении кольцевого сопла размещен постоянный магнит, а на внутренней части сопла установлены электроды, соединенные с выходом пьезогенератора.Known pulsating detonation engine (patent No. 2435059), comprising a housing, a resonator, a reactor with an annular nozzle, means for supplying fuel and an oxidizing agent to it, an output Laval nozzle. In this case, the reactor is made by a hollow cylinder, the input of which is the tangentially directed fuel nozzles and the longitudinal oxidizer nozzle, and the output is an annular nozzle directed into the internal cavity of the resonator and formed by the connection of the outlet wall of the resonator and the inlet wall of the jet nozzle. The resonator is made in the form of a cylinder, the rear end of which is with a convex bottom, and the front has a free exit. The bottom of the resonator consists of two parts separated by a buffer, the inner part is made of high-strength material with a high shock wave impedance, and on the outer part of the bottom there are piezoelectric elements connected electrically in parallel, which are together with the resonant circuit of the piezoelectric generator. The geometric characteristics of the bottom of the resonator and the direction of exit of the annular nozzle of the reactor ensure that the reflected shock wave from the concave bottom is combined at one point and the outgoing jets of the mixture intersect. In addition, a permanent magnet is placed on the critical section of the annular nozzle, and electrodes connected to the output of the piezoelectric generator are installed on the inside of the nozzle.
Основными недостатками такого пульсирующего детонационного двигателя являются:The main disadvantages of such a pulsating detonation engine are:
- не обеспечивается синхронизация между моментами подачи топливо-воздушной смеси в резонатор и подачей импульсов тока на электроды для активации молекул смеси;- there is no synchronization between the moments of supply of the fuel-air mixture to the resonator and the supply of current pulses to the electrodes to activate the molecules of the mixture;
- отсутствие автоматической системы управления и контроля работой двигателя;- lack of an automatic control and monitoring system for engine operation;
- находящийся на критическом сечении постоянный магнит не обеспечивает периодическое отключение создания магнитного поля в период активации ТВС.- a permanent magnet located on a critical section does not provide a periodic shutdown of the creation of a magnetic field during the activation of a fuel assembly.
По наибольшему количеству сходных признаков данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.According to the greatest number of similar features, this technical solution is selected as a prototype.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности горения и удельных тяговых характеристик пульсирующего детонационного двигателя и осуществление автоматического управления и контроля его работой.The task to which the claimed invention is directed is to increase the combustion efficiency and specific traction characteristics of a pulsating detonation engine and to automatically control and control its operation.
Поставленная задача решается за счет того, что в пульсирующем детонационном двигателе, содержащем корпус, средства для хранения и подачи в реактор горючего и окислителя, реактор с кольцевым соплом и газодинамический резонатор в виде трубы из немагнитного материала меньшего диаметра, один конец которой с выпуклым дном, а второй со свободным выходом, при этом резонатор размещен в трубе реактора так, что выход кольцевого сопла направлен во внутреннюю полость резонатора, и совмещены точка пересечения струй смеси топлива и окислителя, вытекающей из кольцевого сопла, и точка фокусировки отраженной от дна ударной волны, причем па критическом сечении кольцевого сопла размещены средства импульсной активации, выходящей смеси топлива и окислителя, а дно резонатора состоит из двух частей, разделенных буфером, внутренняя часть выполнена из материала, выдерживающего высокие импульсные нагрузки, а наружная - из блока пьезоэлектрических элементов, соединенных электрически параллельно, являющихся пьезогенератором, в состав двигателя включена система управления и контроля процессом работы двигателя, состоящая из чувствительных элементов, которыми являются постоянный магнит и обмотка из провода, намотанная вокруг наружного корпуса резонатора, а также пьезоэлектрический генератор, выходы которых соединены с входом блока приема и преобразования сигнала, усилительно преобразовательного устройства, состоящего из источника питания, блока контроля и блока приема и преобразования сигнала, при этом вход блока приема и преобразования соединен с обмоткой из провода, намотанной вокруг наружного корпуса резонатора, выходом пьезогенератора и блоком запуска и останова, а его выход с исполнительным элементом и блоком контроля, исполнительного элемента, которым является электронный переключатель, через который источник питания подключен или к средствам импульсной активации или к обмотке из провода, находящейся на критическом сечении кольцевого сопла, при этом управляющий вход электронного переключателя соединен с выходом блока приема и преобразования.The problem is solved due to the fact that in a pulsating detonation engine containing a housing, means for storing and supplying fuel and an oxidizer to the reactor, a reactor with an annular nozzle and a gas-dynamic resonator in the form of a pipe of non-magnetic material of smaller diameter, one end of which with a convex bottom, and the second with a free exit, while the resonator is placed in the reactor tube so that the output of the annular nozzle is directed into the internal cavity of the resonator, and the intersection point of the jets of the mixture of fuel and oxidizer is aligned, of the annular nozzle, and the focus point of the shock wave reflected from the bottom, and a pulse activation means emerging from the fuel and oxidizer mixture is placed on the critical section of the annular nozzle, and the bottom of the resonator consists of two parts separated by a buffer, the inner part is made of material that can withstand high impulse loads, and the external one - from a block of piezoelectric elements connected electrically in parallel, which are a piezoelectric generator, a process control and monitoring system is included in the engine Engine operation, consisting of sensitive elements, which are a permanent magnet and a wire winding, wound around the outer cavity of the resonator, as well as a piezoelectric generator, the outputs of which are connected to the input of the signal reception and conversion unit, an amplifier-converter device consisting of a power source, a control unit and a signal receiving and converting unit, wherein the input of the receiving and converting unit is connected to a winding from a wire wound around the outer case of the resonator, with an output the piezoelectric generator and the start and stop unit, and its output with an actuating element and a control unit, an actuating element, which is an electronic switch through which the power source is connected either to pulse activation means or to a winding from a wire located on the critical section of the annular nozzle, while the control input of the electronic switch is connected to the output of the reception and conversion unit.
В пульсирующем детонационном двигателе выход блока включения и выключения двигателя может быть соединен с входом блока приема и преобразования, блоком контроля и с управляющими входами электронневмоклапанов подачи окислителя и горючего, при этом выход пьезогенератора соединен с блоком приема и преобразования и с входом источника питания.In a pulsating detonation engine, the output of the engine on and off unit can be connected to the input of the reception and conversion unit, the control unit and to the control inputs of the electron-oil and oxidizer and fuel supply valves, while the output of the piezoelectric generator is connected to the reception and conversion unit and to the input of the power source.
В полости реактора может быть размещен смеситель, состоящий из завихрителя горючего и тангенциально направленного патрубка окислителя.In the cavity of the reactor can be placed a mixer consisting of a swirl of fuel and a tangentially directed pipe of the oxidizer.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлен пульсирующий детонационный двигатель в момент возникновения детонации, на Фиг.2 - прохождение групп детонационных волн в районе критического сечения кольцевого сопла, на Фиг.3 возникновение волны разряжения.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows a pulsating detonation engine at the moment of detonation, Fig. 2 shows the passage of detonation wave groups in the vicinity of the critical section of the annular nozzle, and Fig. 3 shows the occurrence of a rarefaction wave.
Предлагаемый пульсирующий детонационный двигатель состоит из следующих элементов и узлов: корпуса (1), реактора (2), электродов активации (3), кольцевого сопла (4), турболизатора горючего (5), точки фокусирования ударной волны (6), укороченного сопла Лаваля (7), вогнутого дна резонатора (8), демпфера (9), сегнетоэлектрических элементов (10), электропневмоклапана окислителя (11), электропневмоклапана горючего (12), обмотки электромагнита (13), электронного переключателя (14), устройство приема и преобразования сигнала (15), источников питания (16), средств хранения и подачи горючего в реактор (17), средств хранения и подачи окислителя в реактор (18), устройства пуска и остановки двигателя (19), обмотки электромагнита (20), устройства контроля процесса функционирования двигателя (21); постоянного магнита (22).The proposed pulsating detonation engine consists of the following elements and assemblies: a housing (1), a reactor (2), activation electrodes (3), an annular nozzle (4), a fuel turbolizer (5), a focal point of the shock wave (6), and a shortened Laval nozzle (7), concave bottom of the resonator (8), damper (9), ferroelectric elements (10), oxidizer electro-pneumatic valve (11), fuel electro-pneumatic valve (12), electromagnet winding (13), electronic switch (14), receiving and converting device signal (15), power sources (16), storage facilities Ia and supplying fuel to the reactor (17), storage means and supplying the oxidizer to the reactor (18), starter and stop the motor (19), the electromagnet winding (20), the control apparatus of engine operating process (21); permanent magnet (22).
Указанные устройства и связи между ними показаны на Фиг.1These devices and the relationships between them are shown in figure 1
Автоматическая система управления и контроля, входящая в состав двигателя, состоит из:The automatic control and monitoring system, which is part of the engine, consists of:
- чувствительного элемента, состоящего из пьезогенератора (10), обмотки (20), намотанной вокруг наружного корпуса резонатора, и постоянного магнита (22);- a sensitive element consisting of a piezoelectric generator (10), a winding (20) wound around the outer casing of the resonator, and a permanent magnet (22);
- усилительно преобразовательного устройства, состоящего из источника питания (16), блока контроля (21),блока приема и преобразования (15);- amplifier conversion device consisting of a power source (16), a control unit (21), a reception and conversion unit (15);
- исполнительного элемента - электронного переключателя (14).- Executive element - electronic switch (14).
При этом вход блока приема и преобразования сигнала (15) соединен с блоком запуска и останова (19), а также с обмоткой (20), находящейся на наружном корпусе резонатора, и выходом пьезоэлектрических элементов, а его выход с исполнительным элементом (14) и блоком контроля (21). Источник питания (16) через электронный переключатель (14) подключен или к средствам импульсной активации (3) или к обмотке (13), находящейся на критическом сечении кольцевого сопла. Кроме того, блок запуска и останова (19) соединен с управляющими входами электропневмоклапанов (11) и (12), находящихся соответственно в системах подачи окислителя (18) и горючего (17).In this case, the input of the signal receiving and converting unit (15) is connected to the start and stop unit (19), as well as to the winding (20) located on the outer casing of the resonator, and the output of the piezoelectric elements, and its output with the actuating element (14) and control unit (21). The power source (16) is connected via an electronic switch (14) to either the pulse activation means (3) or to the winding (13) located at the critical section of the annular nozzle. In addition, the start and stop unit (19) is connected to the control inputs of the electro-pneumatic valves (11) and (12) located in the oxidizer (18) and fuel (17) supply systems, respectively.
С целью повышения эффективности горения и удельных тяговых характеристик пульсирующего детонационного двигателя предлагается обеспечить предварительную подготовку смеси в реакторе путем:In order to increase combustion efficiency and specific traction characteristics of a pulsating detonation engine, it is proposed to provide preliminary preparation of the mixture in the reactor by:
- создания вихревого смешивания окислителя и горючего;- creating a vortex mixing of the oxidizing agent and fuel;
- активации молекул смеси при воздействии на них электромагнитным излучением или потоком различных элементарных частиц.- activation of the molecules of the mixture when exposed to electromagnetic radiation or a stream of various elementary particles.
Предлагаемый пульсирующий детонационный двигатель включает два основных узла: реактор и резонатор.The proposed pulsating detonation engine includes two main components: a reactor and a resonator.
В реакторе для повышения эффективности горения и сокращения предетонационного расстояния предварительно подготавливают смесь путем смешения и активации молекул окислителя и горючего. Горение как элементарная химическая реакция может произойти только в объеме, где имеет место столкновения молекул топлива и окислителя. Подготовка такого объема заключается в формировании контактной поверхности потоков окислителя и горючего. Увеличить площадь контактной поверхности можно генерацией вихревых течений в потоках горючего и окислителя. В возмущенном турбулентном потоке площади контактной поверхности двух сред растут во времени по экспоненциальному закону. Увеличение площади контактной поверхности способствует интенсификации процесса смешения горючего и окислителя.In the reactor, in order to increase the combustion efficiency and reduce the pre-pitch distance, the mixture is preliminarily prepared by mixing and activating the oxidizing and fuel molecules. Combustion as an elementary chemical reaction can occur only in a volume where there is a collision of fuel molecules and an oxidizing agent. The preparation of such a volume consists in the formation of the contact surface of the flows of oxidizing agent and fuel. It is possible to increase the area of the contact surface by generating vortex flows in the flows of fuel and oxidizer. In a perturbed turbulent flow, the contact surface areas of two media grow exponentially. The increase in the area of the contact surface contributes to the intensification of the process of mixing fuel and oxidizer.
Главным звеном предварительной подготовки смеси окислителя и горючего является активация молекул смеси путем модернизации их электронно-ядерной структуры. Суммарная энергия связей в активированной молекуле существенно меньше, чем в той же молекуле в свободном основном состоянии. В активированной молекуле межъядерные расстояния увеличены, чтобы затем при свершении химической реакции горения полностью покинуть друг друга и стать частями новых конечных молекул. Активация есть снижение энергетического барьера молекул смеси, вызванная воздействием на ее молекулы электромагнитным излучением или другими видами воздействий.The main link in the preliminary preparation of the oxidizing agent and fuel mixture is the activation of the mixture molecules by modernizing their electronic nuclear structure. The total binding energy in the activated molecule is significantly less than in the same molecule in the free ground state. In the activated molecule, the internuclear distances are increased, so that when the chemical reaction of combustion is completed, they completely leave each other and become parts of new final molecules. Activation is a decrease in the energy barrier of mixture molecules caused by exposure to its molecules by electromagnetic radiation or other types of effects.
В предлагаемой заявке интенсивное вихревое смешение осуществляется путем введения в реактор горючего (керосина) через лопаточный завихритель 5, а окислителя (воздуха) через боковой продольно-тангенсальный патрубок, при которых их струи направлены в одну сторону и взаимно пересекаются, образуя вихревую закрутку потока.In the proposed application, intensive vortex mixing is carried out by introducing into the reactor fuel (kerosene) through the
Для активации смеси в реакторе используется электромагнитное воздействие на молекулы окислителя и горючего с помощью подачи на электроды высокочастотных импульсов высокого напряжения в течение времени заполнения смесью реактора.To activate the mixture in the reactor, electromagnetic action is applied to the oxidizing agent and fuel molecules by applying high-frequency high-voltage pulses to the electrodes during the filling time of the reactor mixture.
Время нахождение молекул смеси в активированном состоянии мало, поэтому активацию топливо-воздушной смеси (ТВС) необходимо осуществлять перед входом в резонатор в объеме критического сечения кольцевого сопла и быстро в виде высокоскоростных струй доставлять в точку резонатора 6. Активация происходит при подаче от источника питания 16 импульсов напряжения на электроды через электронный переключатель 14. Требуемая мощность таких импульсов небольшая, так как активации подвергается небольшой объем смеси, находящийся в пространстве критического сечения сопла, и используются высокочастотные наносекундной длительности импульсы.The residence time of the molecules of the mixture in the activated state is short, therefore, the activation of the fuel-air mixture (FA) must be carried out before entering the resonator in the volume of the critical section of the annular nozzle and quickly delivered in the form of high-speed jets to the
Резонатор выполнен из немагнитного материала в виде трубы, передний конец которой имеет выпуклое дно, а задний - свободный выход.The resonator is made of non-magnetic material in the form of a pipe, the front end of which has a convex bottom, and the rear is a free exit.
Выпуклое дно резонатора состоит из двух частей, разделенных буфером, обеспечивающим уменьшение силы ударного воздействия на пьезоэлектрические элементы. Внутренняя часть выполнена из высокопрочного материала с высоким ударно волновым импедансом (произведение плотности вещества на скорость звука в нем), а на наружной части дна находится пьезоэлектрический преобразователь механической энергии воздействия на дно детонационной волны в электрическую энергию выходных импульсов.The convex bottom of the resonator consists of two parts separated by a buffer, which provides a decrease in the force of impact on the piezoelectric elements. The inner part is made of high-strength material with a high shock-wave impedance (the product of the density of a substance and the speed of sound in it), and on the outer part of the bottom there is a piezoelectric transducer of mechanical energy acting on the bottom of the detonation wave into the electrical energy of the output pulses.
Механические ударные воздействия на дно детонационных и ударных волн за счет ударной деполяризации сегнетоэлектрика преобразуются в электрический сигнал. Электрические импульсы подаются с выхода пьезогенератора на вход источника питания для осуществления накопления электрической энергии и на вход блока преобразования сигнала.Mechanical shock effects on the bottom of detonation and shock waves due to shock depolarization of a ferroelectric are converted into an electrical signal. Electrical pulses are fed from the output of the piezoelectric generator to the input of the power source for the accumulation of electrical energy and to the input of the signal conversion unit.
Взаимное расположение и конструктивные характеристики реактора и резонатора такие, что:The relative position and design characteristics of the reactor and the resonator are such that:
- точка пересечения струй 6 активированной смеси, вытекающей из кольцевого сопла, совмещена с точкой фокусирования отраженной ударной волны от выпуклого дна. Такое совмещение улучшает условия возникновения детонационной волны;- the intersection point of the
- выход резонатора направлен на вход укороченного сопла Лаваля.- the resonator output is directed to the input of the shortened Laval nozzle.
Обмотка возбуждения 20 намотана снаружи трубы резонатора в соосном положении. Пара магнитов 22 размещена вблизи обмотки возбуждения 20 с противоположных сторон трубы резонатора так, чтобы магнитное поле с индуктивностью В создавалось внутри резонатора в направлении, перпендикулярном его продольной оси.Field winding 20 is wound outside the resonator pipe in a coaxial position. A pair of magnets 22 is placed near the field winding 20 on opposite sides of the resonator tube so that a magnetic field with inductance B is created inside the resonator in a direction perpendicular to its longitudinal axis.
Пульсирующий детонационный двигатель работает следующим образом. Подаваемый для запуска двигателя сигнал, с устройства 19, обеспечивает открытие электропневмоклапанов 11 и 12 в цепях подачи окислителя 18 и горючего 17. В результате топливо в реактор поступает через открытый клапан 12 и завихритель 5, а воздух через клапан 11. Взаимное пересечение потоков окислителя и горючего обеспечивают их вихревое смешение.A pulsating detonation engine operates as follows. The signal supplied to start the engine, from the
Одновременно сигнал с блока 19 поступает на блок преобразования 15, который переводит электронный переключатель 14, в положение, обеспечивающее подачу высокочастотных импульсов с источника питания 16 на электроды 3. В результате осуществляется активация ТВС в полости критического сечения кольцевого сопла.At the same time, the signal from
В дальнейшем заполнение резонатора на каждом цикле происходит автоматически через постоянно открытые электропневмоклапана 11 и 12 после окончания истечения продуктов детонации и прохождения волны разряжения. Заполнение ТВС происходит за счет разности давлений между выходом кольцевого сопла и внутренней полостью резонатора. При этом синхронизацию начала заполнения резонатора ТВС и момента подачи высокочастотных импульсов на электроды 3, обеспечивает система управления двигателя.Subsequently, the filling of the resonator on each cycle occurs automatically through the constantly open electro-
Ионизированный поток ТВС, выходящий из кольцевого сопла 4, со сверхзвуковой скоростью, проходя через магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 22, наводит в обмотке 20, ЭДС отрицательной полярности, которая используется системой управления для фиксации процесса заполнения.The ionized fuel assembly flow coming out of the
В резонаторе при взаимодействии сверхзвуковых струй активированной смеси, выходящих из кольцевого сопла 4, инициируется ударная волна, которая после отражения от вогнутого дна резонатора 8 фокусируется в очке 6. В месте фокусировки создается высокая температура и давление, обеспечивающие возникновение детонационного горения и распространение детонационных волн в обоих продольных направлениях.In the resonator, during the interaction of supersonic jets of the activated mixture emerging from the
В точке фокусировки возникают две группы детонационных волн (Фиг.1), содержащих волну давления и прямой фронт горения. Одна прямая группа движется в сторону дна резонатора, другая задняя на выход из резонатора. В результате горения и детонации возникающий газ становится ионизированным и, следовательно, электрически проводящим. Когда электропроводящий поток газа, идущий за задний группой волн давления и фронта горения (Фиг.2) проходит через перпендикулярно направленное магнитное поле, созданное магнитами 22, в обмотке 20 генерируется электрический ток вследствие электромагнитной индукции. Возникающий в этот момент импульс тока используется в качестве сигнала, характеризующего момент времени возникновения детонации. Этот сигнал используется системой управления для обеспечения срабатывания электронного переключателя 14, который отключает подачу импульсов на электроды 3 и осуществляет подачу напряжения от источника 16 на обмотку 13. Протекающий в обмотке 13 ток создает магнитное поле в пространстве критического сечения кольцевого сопла. На ионизированные частицы ТВС будет воздействовать созданное магнитное поле, которое приведет к разделению смеси на зоны, обогащенные топливом, окруженные обедненной воздушной зоной. Разделение топлива и воздуха ограничивает процесс горения впереди зоны детонации и тем самым рассеивает прямой фронт горения по мере его движения к входу критического сечения кольцевого сопла. Тем самым выполняется функция «электрического» клапана, не допускающая прохождения фронта горения в реактор.At the focal point, two groups of detonation waves arise (FIG. 1) containing a pressure wave and a direct combustion front. One direct group moves towards the bottom of the resonator, the other back to the exit of the resonator. As a result of combustion and detonation, the resulting gas becomes ionized and, therefore, electrically conductive. When the electrically conductive gas flow following the rear group of pressure waves and the combustion front (FIG. 2) passes through a perpendicularly directed magnetic field created by magnets 22, an electric current is generated in the winding 20 due to electromagnetic induction. The current pulse arising at this moment is used as a signal characterizing the instant of occurrence of detonation. This signal is used by the control system to ensure the operation of the
После отражения от дна прямой группы детонационных волн происходит многократное повышения давления и температуры, в результате чего во фронте отраженной волны активируются процессы химических превращений горючего и окислителя, а фокусировка в точке 6 отраженной прямой детонационной волны приводит к дальнейшему повышению давления и температуры. Воздействие детонационной волны по дну резонатора создает тягу двигателя, а движение ее фронта в противоположном направлении увлекает за собой продукты сгорания. После их выхода со сверхзвуковой скоростью в атмосферу (Фиг.3), возникает волна разрежения, которая обеспечивает всасывание новой порции активированной смеси, и части наружного воздуха и цикл работы двигателя повторяется.After reflection from the bottom of a direct group of detonation waves, a multiple increase in pressure and temperature occurs, as a result of which the processes of chemical transformations of fuel and oxidizer are activated in the front of the reflected wave, and focusing at
С выхода блока преобразования 15 на блок контроля 21 в каждом цикле работы двигателя подается усиленный и преобразованный сигнал от чувствительных элементов системы управления и импульс тока от пьезогенератора, которые характеризуют протекающие процессы работы двигателя.From the output of the
Работу предлагаемого детонационного двигателя на временном интервале каждого цикла характеризуют следующие моменты времени:The work of the proposed detonation engine on the time interval of each cycle is characterized by the following points in time:
t1 - начало заполнения полости резонатора ТВС;t 1 - the beginning of the filling of the cavity of the cavity of the fuel assembly;
t2 - возникновение детонации;t 2 - the occurrence of detonation;
t3 - отражение детонационной волны от дна резонатора;t 3 - reflection of the detonation wave from the bottom of the resonator;
t4 - прохождения задней и отраженной передней детонационных волн мимо выхода кольцевого сопла.t 4 - the passage of the rear and reflected front detonation waves past the exit of the annular nozzle.
Протекающие процессы в эти моменты времени характеризуют такие параметры как амплитуда и скорость нарастания фронта возникающих импульсов тока в обмотке 20 и на выходе пьезогенератора 10.The ongoing processes at these time points characterize such parameters as the amplitude and the rate of rise of the front of the emerging current pulses in the winding 20 and at the output of the
Динамический процесс функционирования пульсирующего детонационного двигателя протекает под действием случайных возмущений и помех, и поэтому в каждом цикле значения указанных характеристик носят случайный характер.The dynamic process of functioning of a pulsating detonation engine proceeds under the influence of random perturbations and interference, and therefore, in each cycle, the values of these characteristics are random in nature.
Таким образом, каждый из четырех моментов времени содержит три параметра (момент времени, амплитуда и скорость нарастания фронта импульса тока), а в четырех моментах времени - 12 дискретных случайных параметров.Thus, each of the four time instants contains three parameters (the time instant, amplitude and slew rate of the current pulse front), and 12 discrete random parameters at four time instants.
На каждом цикле на вход блока 21 из блока 15 поступают 12 значений указанных параметров, которые в нем сохраняются для дальнейшей статистической обработки. При большом количестве циклов исправно работающего двигателя можно вычислить такие их дискретные случайные характеристики как математическое ожидание, дисперсия и среднеквадратичное отклонение.On each cycle, the input of
Дисперсия случайной величины характеризует в каждый момент времени разброс (меру отклонения) возможных реализаций случайных величин относительно математического ожидания. С дисперсией аналитически связано среднеквадратичное отклонение случайной величины.The dispersion of a random variable characterizes at each moment of time the scatter (measure of deviation) of the possible realizations of random variables relative to the mathematical expectation. The standard deviation of a random variable is analytically associated with dispersion.
Полученные после статистической обработки 12 значений дисперсий дискретных случайных величин названы эталонными параметрами, характеризующими исправное состояние двигателя.The 12 dispersion values of discrete random variables obtained after statistical processing are called reference parameters characterizing the working condition of the engine.
Оценка состояния пульсирующего детонационного двигателя определяется в процессе его работы путем сравнения реальных значений 12 параметров с их дисперсиями. Если значения всех параметров не выходят за пределы их дисперсий, то считается, что пульсирующий детонационный двигатель функционирует нормально. При выходе хотя бы одного из параметров за пределы его дисперсии считается возникновение неисправности и формируется управляющий сигнал на закрытие электропневмоклапанов 11 и 12, обеспечивающих остановку двигателя для исключения аварийной ситуации.Assessment of the state of a pulsating detonation engine is determined during its operation by comparing the real values of 12 parameters with their dispersions. If the values of all parameters do not go beyond their dispersions, then it is believed that the pulsating detonation engine is functioning normally. When at least one of the parameters goes beyond its dispersion, a malfunction is considered and a control signal is generated to close the electro-
В состав пульсирующего детонационного двигателя включена автоматическая система управления и контроля, которая обеспечивает для каждого цикла:The pulsating detonation engine includes an automatic control and monitoring system that provides for each cycle:
- оценку момента начала заполнения реактора активированной смесью горючего и окислителя;- an assessment of the start of filling the reactor with an activated mixture of fuel and an oxidizing agent;
- синхронизацию между моментами подачи топливовоздушной смеси в резонатор и подачей импульсов высокого напряжения на электроды для активации молекул смеси, в результате чего повышается эффективность горения и удельные тяговые характеристики двигателя;- synchronization between the moments of supplying the air-fuel mixture to the resonator and the supply of high voltage pulses to the electrodes to activate the molecules of the mixture, resulting in increased combustion efficiency and specific traction characteristics of the engine;
- в момент возникновения детонации автоматическое отключение подачи импульсов тока на электроды 3 и подачу напряжения на обмотку электромагнита 13, создающего магнитное поле в полости критического сечения кольцевого сопла, обеспечивающее закрытие «электрического» клапана;- at the moment of detonation, the automatic shutdown of the supply of current pulses to the
- прием, преобразование и хранение параметров, характеризующих процессы, протекающие в каждом цикле работы двигателя;- reception, conversion and storage of parameters characterizing the processes occurring in each cycle of the engine;
- отслеживание исправного состояния двигателя, определение момента возникновения неисправности и создание управляющего воздействия на отключение двигателя для предотвращения аварийной ситуации;- tracking the working condition of the engine, determining the moment of occurrence of the malfunction and creating a control action to turn off the engine to prevent an emergency;
- возможность настройки некоторых параметров для обеспечения эффективной работы двигателя.- the ability to configure certain parameters to ensure efficient operation of the engine.
С использованием системы управления можно осуществлять настройку некоторых параметров для обеспечения эффективной работы двигателя. Такими параметрами при неизменных конструктивных характеристиках двигателя могут, например, быть:Using the control system, it is possible to configure some parameters to ensure efficient operation of the engine. Such parameters with constant structural characteristics of the engine can, for example, be:
- величины давлений окислителя и горючего, подаваемых на вход резонатора;- the pressure values of the oxidizer and fuel supplied to the input of the resonator;
- частота и амплитуда импульсов, поступающих на электроды активации;- the frequency and amplitude of the pulses arriving at the activation electrodes;
- величины напряжений, подаваемых на обмотку, создающую магнитное поле в пространстве критического сечения сопла.- the magnitude of the voltage applied to the winding, creating a magnetic field in the space of the critical section of the nozzle.
Изменяя величины указанных параметров можно анализировать значения 12 характеристик, поступающих с выхода блока 15 на блок 21. При этом выбрать такие значения входных параметров, которые обеспечивают оптимальные (наилучшие) значения 12 выходных характеристик процесса функционирования двигателя.By changing the values of these parameters, it is possible to analyze the values of 12 characteristics coming from the output of
Новыми существенными признаками предлагаемого пульсирующего детонационного двигателя являются: 1 Введение в состав двигателя системы автоматического управления и контроля, состоящей из:The new significant features of the proposed pulsating detonation engine are: 1 Introduction to the engine of the automatic control and monitoring system, consisting of:
- чувствительного элемента, которым является постоянный магнит и обмотка из провода, намотанная вокруг наружного корпуса резонатора, а также пьезогенератор;- a sensitive element, which is a permanent magnet and a winding of wire wound around the outer casing of the resonator, as well as a piezoelectric generator;
- усилительно преобразовательного устройства, состоящего из источника питания, блока контроля, блока приема и преобразования сигнала;- amplifier conversion device consisting of a power source, a control unit, a unit for receiving and converting a signal;
- исполнительного элемента, которым является электронный переключатель.- an actuator, which is an electronic switch.
При этом вход блока приема и преобразования сигнала соединен с выходом пьезогенератора и блоком запуска и останова, а также с обмоткой, находящейся на наружном корпусе резонатора, а его выход с исполнительным элементом и блоком контроля. Источник питания через электронный переключатель подключен или к средствам импульсной активации или к обмотке, находящейся на критическом сечении кольцевого сопла, а блок запуска и останова соединен с электропневмоклапанами, находящимися в системах подачи окислителя и горючего, блоком контроля и блоком преобразования.In this case, the input of the signal receiving and converting unit is connected to the output of the piezoelectric generator and the start and stop unit, as well as to the winding located on the outer casing of the resonator, and its output with an actuating element and a control unit. The power source is connected through an electronic switch to either pulse activation means or to a winding located at the critical section of the annular nozzle, and the start and stop unit is connected to electro-pneumatic valves located in the oxidizer and fuel supply systems, a control unit, and a conversion unit.
2 Размещение в полости реактора смесителя топлива и окислителя.2 Placement in the reactor cavity of the fuel and oxidizer mixer.
3 Соединение выхода пьезогенератора с блока приема и преобразования и с входом источника питания.3 Connection of the piezoelectric generator output from the receiving and converting unit and to the input of the power source.
4 Установка на критическом сечении кольцевого сопла электромагнита, который с помощью автоматической системы управления обеспечивает периодическое создание магнитного поля только в моменты возникновения детонации4 Installation at the critical section of the annular nozzle of an electromagnet, which with the help of an automatic control system ensures periodic creation of a magnetic field only at the moment of detonation
Технический результат, который может быть получен при реализации совокупности признаков, заключается в следующем:The technical result that can be obtained by implementing a set of features is as follows:
- осуществляется синхронизация между моментами подачи топливовоздушной смеси в резонатор и подачей импульсов высокого напряжения на электроды для активации молекул смеси, в результате чего повышается эффективность горения и удельные тяговые характеристики двигателя;- synchronization between the moments of supplying the air-fuel mixture to the resonator and the supply of high voltage pulses to the electrodes to activate the mixture molecules, resulting in increased combustion efficiency and specific traction characteristics of the engine;
- автоматически отключается в момент возникновения детонации подача импульсов на электроды для активации ТВ С и подключается источник питания к обмотке, создающей магнитное поле в полости реактора, тем самым создается «электрический» клапан, предотвращающий прохождение прямого фронта горения в реактор;- the pulse supply to the electrodes is automatically switched off at the moment of detonation when the TV C is activated and the power source is connected to the winding that creates a magnetic field in the reactor cavity, thereby creating an “electric” valve that prevents the passage of a direct combustion front into the reactor;
- автоматически отслеживается исправное состояние двигателя в процессе его работы;- the engine is in good condition in the process of its operation;
- автоматически определяется момент возникновения неисправности и подача управляющего сигнала на остановку двигателя для исключения аварийной ситуации.- the moment of occurrence of the malfunction and the supply of a control signal to stop the engine are automatically determined to eliminate an emergency
- с использованием системы управления можно осуществлять настройку некоторых параметров двигателя для повышения эффективности его работы.- using the control system, you can configure some engine parameters to increase its efficiency.
- повышена эффективность горения и удельные тяговые характеристики пульсирующего детонационного двигателя за счет использования эффективного смешения и активации ТВС, а также системы автоматического управления и контроля.- increased combustion efficiency and specific traction characteristics of a pulsating detonation engine through the use of efficient mixing and activation of fuel assemblies, as well as automatic control and monitoring systems.
- полученная электрическая энергия в результате преобразования кинетической энергии ударных волн о дно резонатора, используется для аккумуляции в высоковольтном источнике питания для дальнейшего использования системой управления и контроля.- the received electric energy as a result of the conversion of the kinetic energy of the shock waves to the bottom of the resonator is used for accumulation in a high-voltage power source for further use by the control and monitoring system.
Реализация заявленного технического решения не вызывает технических трудностей, так как при изготовлении двигателя будут использоваться известные способы и технологии организации детонационных процессов. Схема построения пульсирующего детонационного двигателя с реактором и резонатором, имеющем дно в передней части и кольцевое сопло (А.И.Тарасов и др. «Новый подход к организации рабочего процесса пульсирующих детонационных двигателей», Химическая физика, 2001, том 20, 3 6, с.90-98), реализована и испытана на экспериментальном образце в НТЦ им. А. Люльки ОАО «НПО»Сатурн». Преобразование механической энергии детонационной волны в электрическую энергию экспериментально исследовались в РФЯЦ-ВНИИЭФ (Электрические явления в ударных волнах под редакцией В.А. Борисенка и др. - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2005). Было показано, что взрывные пьезогенераторы обладают оптимальными характеристиками как генераторы токовых импульсов, мощность которых достигает нескольких мегаватт, энергия - десятков джоулей.The implementation of the claimed technical solution does not cause technical difficulties, since in the manufacture of the engine will use known methods and technologies for organizing detonation processes. The scheme of building a pulsating detonation engine with a reactor and resonator with a bottom in the front and an annular nozzle (A.I. Tarasov et al. “A new approach to organizing the working process of pulsating detonation engines”, Chemical Physics, 2001,
Система управления и контроля двигателя конструктивно проста и ее построение с использованием малогабаритных элементов микроэлектроники не вызывает особых трудностей.The engine control and monitoring system is structurally simple and its construction using small-sized elements of microelectronics does not cause special difficulties.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012115233/06A RU2490498C1 (en) | 2012-04-18 | 2012-04-18 | Intermittent detonation engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012115233/06A RU2490498C1 (en) | 2012-04-18 | 2012-04-18 | Intermittent detonation engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2490498C1 true RU2490498C1 (en) | 2013-08-20 |
Family
ID=49162886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012115233/06A RU2490498C1 (en) | 2012-04-18 | 2012-04-18 | Intermittent detonation engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2490498C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110513044A (en) * | 2019-09-18 | 2019-11-29 | 河南理工大学 | A kind of forming method and device of self-oscillation supercritical carbon dioxide jet stream |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4881373A (en) * | 1988-04-25 | 1989-11-21 | Paloma Kogyo Kabushiki Kaisha | Pulse combustion device |
| RU2034996C1 (en) * | 1993-10-11 | 1995-05-10 | Владимир Федорович Антоненко | Method and device for obtaining thrust |
| RU2084675C1 (en) * | 1994-08-25 | 1997-07-20 | Саратовская научно-производственная фирма "Растр" | Chamber for puls detonation engine |
| US6484492B2 (en) * | 2001-01-09 | 2002-11-26 | General Electric Company | Magnetohydrodynamic flow control for pulse detonation engines |
| RU2215890C2 (en) * | 2001-08-13 | 2003-11-10 | Закрытое акционерное общество "Орбита-Центр" | Thrust forming method and device |
| RU2435059C1 (en) * | 2010-03-10 | 2011-11-27 | Виктор Григорьевич Петриенко | Intermittent detonation engine |
-
2012
- 2012-04-18 RU RU2012115233/06A patent/RU2490498C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4881373A (en) * | 1988-04-25 | 1989-11-21 | Paloma Kogyo Kabushiki Kaisha | Pulse combustion device |
| RU2034996C1 (en) * | 1993-10-11 | 1995-05-10 | Владимир Федорович Антоненко | Method and device for obtaining thrust |
| RU2084675C1 (en) * | 1994-08-25 | 1997-07-20 | Саратовская научно-производственная фирма "Растр" | Chamber for puls detonation engine |
| US6484492B2 (en) * | 2001-01-09 | 2002-11-26 | General Electric Company | Magnetohydrodynamic flow control for pulse detonation engines |
| US6751943B2 (en) * | 2001-01-09 | 2004-06-22 | General Electric Company | Method of magnetohydrodynamic flow control for pulse detonation engines |
| RU2215890C2 (en) * | 2001-08-13 | 2003-11-10 | Закрытое акционерное общество "Орбита-Центр" | Thrust forming method and device |
| RU2435059C1 (en) * | 2010-03-10 | 2011-11-27 | Виктор Григорьевич Петриенко | Intermittent detonation engine |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110513044A (en) * | 2019-09-18 | 2019-11-29 | 河南理工大学 | A kind of forming method and device of self-oscillation supercritical carbon dioxide jet stream |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7739867B2 (en) | Compact, low pressure-drop shock-driven combustor | |
| RU2287713C2 (en) | Pulsating detonation engine with magnetohydrodynamic control of flow (versions) and method of detonation control | |
| Knight et al. | Survey of aerodynamic flow control at high speed using energy deposition | |
| Huang et al. | Studies of DDT enhancement approaches for kerosene-fueled small-scale pulse detonation engines applications | |
| KR20080092858A (en) | Electro-dynamic swirler, combustion apparatus and methods using the same | |
| CN106352372A (en) | Supersonic velocity detonation combustion chamber and explosion initiation and self-mastery control method thereof | |
| Frolov et al. | Detonation initiation by controlled triggering of electric discharges | |
| WO2016060581A1 (en) | Device and method for organizing the operating process of a jet engine | |
| Knight | A short review of microwave and laser discharges for supersonic flow control | |
| RU2633075C1 (en) | Method for creating electric propulsion thrust | |
| Bulat et al. | Modeling and simulation of combustion and detonation by subcritical streamer discharge | |
| US2961559A (en) | Methods and means for obtaining hydromagnetically accelerated plasma jet | |
| RU2490498C1 (en) | Intermittent detonation engine | |
| RU2435059C1 (en) | Intermittent detonation engine | |
| Sinibaldi et al. | Investigation of transient plasma ignition for pulse detonation engines | |
| US4826581A (en) | Controlled process for the production of thermal energy from gases and apparatus useful therefore | |
| US20200378605A1 (en) | Auto-driven plasma actuator for transition from deflagration to detonation combustion regime and method | |
| Macheret et al. | Energy efficiency of plasma-assisted combustion in ram/scramjet engines | |
| RU2675732C2 (en) | Hydrocarbon fuel combustion method and device for its implementation | |
| RU60144U1 (en) | DETONATION ENGINE WITH MAGNETIC-DYNAMIC CONTROL DEVICE | |
| Samimy et al. | Active control of high speed and high Reynolds number free jets using plasma actuators | |
| Frolov et al. | Initiation of heterogeneous detonation in tubes with coils and Shchelkin spiral | |
| Frolov et al. | Air-Breathing Liquid-Fueled Pulse Detonation Engine Demonstrator. | |
| RU52940U1 (en) | CAMERA OF THE PULSING DETONATION COMBUSTION ENGINE | |
| RU59738U1 (en) | DETONATION ENGINE WITH MAGNETIC-DYNAMIC CONTROL DEVICE |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140419 |