АНАЛОГИЯ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ОБЫЧНОГО ГОРЕНИЯ С ГОРЕНИЕМ В ДЕТОНАЦИОННЫХ ВОЛНАХ

АННОТАЦИЯ

В данной статье выполняется сравнение коэффициентов полезного действия и удельных тяг и импульсов прямоточных реактивных двигателей разных типов с медленным горением и с горением в детонационных волнах.

Ключевые слова: воздушно-реактивный двигатель; дефлаграция; детонационная волна; коэффициент полезного действия; удельная тяга; термодинамический анализ; стационарные и нестационарные течения.

Проведем сравнение коэффициентов полезного действия и удельных тяг и импульсов прямоточных реактивных двигателей разных типов обычного горения с горением в детонационных волнах.

Актуальность такого анализа заключается в утверждении о возможном увеличении тяговых характеристик воздушно-реактивных двигателей детонационного горения в сравнении с воздушно – реактивными двигателями при постоянном давлении в дозвуковом потоке. Такие прогнозы опираются не на прямой расчет тяг этих двигателей, а на сравнение их идеальных термических коэффициентов полезного действия (кпд).

В рассматриваемых воздушно-реактивных двигателях медленного горения работе почти всегда способствует сжатие в воздухозаборнике идущего из атмосферы со скоростью V₀ воздуха и всегда заканчивается расширением в сопле продуктов сгорания до давления набегающего потока р₀. В рассматриваемых моделях двигателей предварительное сжатие воздуха в воздухозаборнике и расширение продуктов сгорания в сопле принимаются стационарными. По идеальным термическим кпд находится отношение:

V_e/V₀,                                                                                                     (1)

где V_e – скорость на выходе из сопла при расчетном давлении набегающего потока  р₀, м/с;

V₀ – скорость поступающего воздуха, м/с.

Удельные тяга и импульс согласно формуле (2) пропорциональны разности:

(V_e/V₀ – 1).                                                                                             (2)

Способ организации детонационного горения в воздушно-реактивном двигателе для высоких скоростей полета заключается в том, что набегающий сверхзвуковой поток воздуха затормаживают в криволинейном пространстве воздухозаборника. Через топливные сопла непрерывно подают топливо, смешивают его с воздухом и создают непрерывный поток горючей смеси, имеющей зону недостаточного смешения в зоне топливных сопел и зону хорошо перемешанной горючей смеси, расположенную ниже по течению потока.

При фиксированных показателях адиабаты воздуха, горючей смеси и продуктов сгорания совершенные характеристики рассмотренных двигателей, предусматривающие, отсутствие потерь при торможении воздуха в воздухозаборнике, его смешении с газообразным топливом и истечении продуктов сгорания из реактивного сопла, зависят от двух безразмерных параметров: числа Маха полета М₀ и безразмерной теплотворной способности горючей смеси, вычисляемой по формуле (3):

q° = q/(c_pT₀),                                                                                               (3)

где q°– безразмерный коэффициент теплотворной способности горючей смеси;

с_р – теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кгК);

T₀ – температура воздуха, К.

Расчёты проводятся в рамках одномерной задачи в приближении уравнений Эйлера. Система уравнений одномерной нестационарной газовой решается с помощью монотонной разностной схемы второго порядка (для гладких решений) по пространственной координате х и по времени t. Второй порядок по времени обеспечивался привлечением схемы Рунге - Кутты. При заданных f ° (отношении площади критического сечения сопла к площади поперечного сечения детонационной камеры), М₀ и q° в течении периода работы детонационной камеры отношение скоростей (формула (1)) получается, как функция времени. Его интегрирование по периоду дает средние значения отношения скоростей и тяговые характеристики с учетом нестационарности течения продуктов сгорания в детонационной камере.

Рисунок 1. Кривые V_e/V₀ прямоточного воздушного двигателя и детонационного двигателя, рассчитанные по идеальному кпд

На рисунке 1 приведены кривые отношений (формула (1)) для прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) (цикл Брайтона, от времени не зависит) и для детонационного двигателя: посчитанных по идеальному термическому кпд. Видно, что в типичных ситуациях ПВРД лучше многокамерных детонационных с вращающимся клапаном (для f °= 0.3 и 0.1 – при М₀ ³ 2 и М₀ ³ 3). Тяговые характеристики ПВРД заведомо лучше тяговых характеристик и однокамерного детонационного двигателя. В последнее время особое внимание уделяется двигателям с вращающейся или спиновой детонационной волной. Одно из объяснений такого внимания – переход к стационарному течению во вращающейся со скоростью волны системе координат и последующие рассуждения с сохраняющейся в стационарных потоках полной энтальпией. При этом в координатах, вращающихся с угловой скоростью w, вдоль линий тока сохраняется не "обычная" полная энтальпия H, а её разность. В силу сохранения H удельный импульс двигателя с сужающимся центральным телом и цилиндрической "внешней" образующей сопла заметно уменьшается.

Следовательно, этому сравнению, можно предположить, что увеличение тяговых характеристик воздушно-реактивных двигателей на десятки процентов благодаря детонационному горению не обоснованы. Даже для дозвуковых и малых сверхзвуковых чисел Маха, на которых ПВРД обычного горения могут по тяговым характеристикам уступать ротационным детонационным двигателям. Поэтому преимущества воздушно-реактивных двигателей с детонационным горением, если и возможно, то не по тяговым характеристикам, а по простоте конструкции или по меньшей теплонапряженности тракта двигателя.

Список литературы:

1. Крайко А.Н., Александров В.Ю., Александров В.Г. и др. Способ организации горения топлива и детонационно-дефлаграционный пульсирующий прямоточный воздушно-реактивный двигатель. 2016. Патент РФ № 2585328.
2. Сравнение воздушно-реактивных двигателей с медленным горением и горением в детонационных волнах [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://youngschool.imec.msu.ru/index.php/en/component/zoo/item/sravnenie-vozdushno-reaktivnykh-dvigatelej-s-medlennym-goreniem-i-goreniem-v-detonatsionnykh-volnakh-2 (дата обращения 25.01.24)