Анатолий Полев, д.т.н., профессор, начальник кафедры
НТЦ им. А.М. Люльки
Евгений Марчуков, д.т.н., директор
Александр Тарасов, к.т.н., главный конструктор
Проблема создания реактивных двигателей, использующих цикл с подводом тепла при постоянном объеме (цикл Гемфри), издавна привлекала внимание изобретателей. В цикле Гемфри заложена возможность значительного повышения давления в процессе сгорания топлива, вследствие чего либо совсем не требуется предварительное сжатие топливовоздушной смеси (ТВС) перед ее подачей в камеру сгорания, либо можно ограничиться применением компрессора со значительно меньшей степенью повышения давления, чем у ГТД, использующих цикл с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Брайтона). При этом, как показали результаты теоретических исследований, переход от цикла Брайтона к циклу Гемфри может обеспечить повышение термического к.п.д. цикла на 30…50 % и более.
Идея создания пульсирующих воздушно-реактивных двигателей (ПуВРД) была запатентована в 1906 г. русским инженером В.В. Караводиным.
До 1925 г. ряд опытных ГТУ был создан Г. Хольцвартом. Несмотря на высокие для того времени параметры, ГТУ Хольцварта, равно как и установка В.В. Караводина, вследствие ряда недостатков не нашла применения в промышленности.
В 1930 г. одноклапанная камера сгорания резонансного типа была предложена Паулем Шмидтом для ПуВРД. Впоследствии она была применена на беспилотных самолетах-снарядах "Фау-1".
Значительный вклад в решение проблемы создания ПуВРД был внесен Б.С. Стечкиным.
Известно множество других попыток создания ПуВРД. Но все они заканчивались неудачами.
Перспективы использования детонационного сгорания топлива, открывшиеся в последние годы, существенно повысили интерес к двигателям периодического сгорания. Об этом свидетельствуют появившиеся в печати многочисленные проекты пульсирующих детонационных двигателей (ПуДД). Дело в том, что в детонационных волнах (ДВ) процесс сгорания ТВС осуществляется практически мгновенно, обеспечивая значительное повышение давления в камерах сгорания, имеющих форму полузамкнутого объема; при этом отпадает необходимость в выпускных клапанах.
Однако, как показывает анализ имеющихся публикаций, несмотря на многообразие предлагаемых схем ПуДД, всем им свойственно использование в качестве резонансных устройств детонационных труб значительной длины.
Преимущества цикла с детонационным сгоранием топлива обоснованы в ряде статей и обзоров авторов настоящей статьи, где дано сравнение термодинамической эффективности цикла с детонационным сгоранием топлива (ДСТ) с циклами Брайтона и Гемфри.
Отличие цикла ДСТ от цикла Гемфри состоит в том, что подвод тепла происходит не по изохоре, а по адиабате Гюгонио. Детонационное сгорание топлива термодинамически более выгодно, чем изохорическое. В газогенераторах ПуДД нет необходимости использования высоконапорных компрессоров, что упрощает конструкцию и снижает массу двигателя.
Предлагаемый ПуДД запатентован с участием авторов данной статьи в 1989 г. Были разработаны и выполнены несколько моделей тяговых модулей (ТМ) таких двигателей, которые прошли предварительные испытания. Двигатель состоит из газогенератора и тяговых модулей. Схема оригинальна и отличается отсутствием каких-либо механических клапанов и запальных устройств прерывистого действия.
Проводимые исследования позволили разработать оптимальные схемы и провести стендовые испытания новых высокочастотных ПуДД. Модельные испытания проводились на специальном импульсном стенде с использованием в качестве топлива ацетилено-воздушных смеси. Испытания аналогичной модели на керосине подтвердили в целом полученные положительные результаты.
ТМ ПуДД предлагаемой схемы состоит из реактора и резонатора. Реактор служит для подготовки ТВС к детонационному сгоранию, разлагая молекулы горючей смеси на химически активные составляющие. Подготовленная ТВС через кольцевое сопло поступает в резонатор, где и осуществляется детонационное сгорание топлива.
Образуется пересжатая ДВ, движущаяся по топливовоздушной смеси со сверхзвуковой скоростью. В ней происходит практически мгновенное сгорание топлива, сопровождающееся значительным повышением температуры и давления продуктов сгорания.
Сверхзвуковая скорость истечения продуктов сгорания на выходе из резонатора исключает необходимость сопла Лаваля. В целом рабочий процесс ТМ ПуДД может быть уподоблен тактам поршневого двигателя внутреннего сгорания.
Оригинальной особенностью ТМ ПуДД предлагаемой схемы является сочетание высокой частоты пульсаций и малых размеров.
Схема устройства ПуДД
а - газогенератор с тяговыми модулями;
б - блок резонаторов; 1 - реактор, 2 - резонатор, 3 - кольцевое сопло, 4 - топливный смеситель
