Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0057

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0057
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики"
Название доклада
Разработка технологии непрерывно-детонационного гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя
Докладчик
Булат Павел Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка методики проектирования и расчета оптимальной ударно-волновой структуры для камеры сгорания непрерывно-детонационного гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя. Исследование методов инициирования сильной (пересжатой) и слабой (недосжатой) детонации при помощи подкритических СВЧ разрядов, созданных квазиоптическим излучением. Разработка принципиальной схемы прямоточного воздушно-реактивного двигателя со сверхзвуковым горением.
Актуальность и новизна исследования
Совершенствование современных двигателей и энергетических машин традиционных схем подошло к своему технологическому пределу. По оценке ЦИАМ, в рамках эволюционного развития традиционных технологий можно рассчитывать на рост удельных показателей (термодинамический КПД, удельный импульс, снижение удельного веса - отношение веса двигателя к развиваемой тяге, снижение удельного расхода топлива) на 5-10%, что связывается с доработками отдельных узлов и решений. Учитывая динамику внедрения технологических новшеств за последние десятилетия и анализируя предельные характеристики существующих схем очевидно, что достижение целевых показателей 2035 года и далее возможно исключительно за счёт применения принципиально новых схем и технических решений.
Одно из основных прорывных направлений - это разработка непрерывно - детонационных и ротационно-детонационных двигателей. Применение термодинамического цикла детонационного горения теоретически позволяет получить увеличение кпд на 25% за счет очень высокой скорости сгорания топлива.
Применение детонационного горения дает ощутимые преимущества и в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД), типичное давление в камере сгорания которого - более 200 атм. Чтобы обеспечить аналогичные условия сжигания топлива в ударных волнах, компоненты топлива нужно подавать под давлением не более 10 атм, что позволяет отказаться от использования турбонасосных агрегатов и усиленных трубопроводов.
Описание исследования

Методология проведения исследований сочетает углубленное аналитическое изучение свойств оптимальных ударно-волновых структур, разработку новых численных методов повышенной точности и исследования с их помощью ударно-волновых процессов, натурный эксперимент.

Теоретическая часть исследования включает:

  1. Изучение влияния вязкости и калорического несовершенства газа на свойства одиночного скачка уплотнения, а  также на параметры отражения скачка от стенки.
  2. Изучение фронта горения в сверхзвуковом потоке как газодинамического разрыва.
  3. Определение множества допустимых перестроек газодинамических разрывов и обоснование применимости условий динамической совместности, разработанных для идеального газа, к изучению свойств разрывов в реальном газе.
  4. Изучение регулярной и маховской интерференции встречных скачков уплотнения, имеющих различную интенсивность, регулярного и маховского отражения косого скачка от стенки и от оси симметрии, проверка и обоснование критериев перехода от регулярного типа интерференции к маховскому типу и назад.
  5. Параметрическое исследование зависимости интенсивности исходящих разрывов от параметров приходящих скачков и характеристик течения перед ударно-волновой структурой.
  6. Изучение регулярной и нерегулярной интерференции скачков одного направления (догоняющих скачков).
  7. Изучение экстремальных и оптимальных ударно-волновых структур, тройных конфигураций ударных волн.
  8. Комплексное исследование областей существования различных ударно-волновых структур, возникающих при произвольном взаимодействии двух скачков уплотнения,  условий объединения одиночных разрывов, тройных точек в сложные многоскачковые ударно-волновые структуры.
  9. Исследование точных и приближенных решений задачи о произвольном взаимодействии двух сверхзвуковых потоков, изучение разностных схем, разработанных на их основе для расчета течений с сильными газодинамическими разрывами.

Экспериментальная часть исследований включает:

  1. Разработку экспериментальных стендов, имитирующих импульсную волновую турбину, импульсный детонационный двигатель, камеру сгорания со сверхзвуковым горением.
  2. Изучение методов инициирования детонации и горения в сверхзвуковом потоке (лазерный, искровой, СВЧ).
  3. Исследование процесса сверхзвукового горения.
  4. Исследование детонации, инициированной присоединенным и стримерным СВЧ разрядом.

Исследование возможности снижения выбросов окислов азота при сжигании топлива в среде холодной неравновесной плазмы, созданной СВЧ разрядом. 

Результаты исследования

Выполнены теоретические исследования путей создания оптимальной структурно-устойчивой ударно-волновой структуры в детонационном двигателе.

Изучены основные типы ударно-волновых структур, применение которых в детонационных и гиперзвуковых воздушно-реактивных двигателях является перспективным. Исследованы области их существования.

Введены критерии оптимальности ударно-волновых структур, исследованы их асимптотические и экстремальные свойства.

Выполнены работы по тарификации типовых разностных схем для задач с сильными разрывами. Доработан численный метод, основанный на приближенном и полном решении задачи Римана.

Выполнены экспериментальные исследования путей создания оптимальной структурно-устойчивой ударно-волновой структуры в детонационном двигателе.

Изучены основные типы ударно-волновых структур, возникающие при взаимодействии одиночной и блочной сверхзвуковой струи со стенками цилиндрического насадка – канала с внезапным расширением.

Исследованы области их существования, динамика колебаний ударно-волновой структуры, предельные режимы. В результате обработки экспериментальных данных получены параметрические зависимости ключевых параметров течения от геометрии установки.

Проведены работы по инициированию детонации.

Ряд научных результатов получен впервые в мире. Так, зафиксировано увеличение глубины сгорания топлива, сокращение времени горения при поджигании смеси стриммерным и  переходным СВЧ разрядом. Получена стабильная недосжатая детонация в потоке с М=2.

Продемонстрировано создание с помощью стриммерного разряда благоприятных условий для инициирования детонации.

Получена детонация стримерным и присоединенным СВЧ разрядом пропан-воздушной топливной смеси, при подведении энергии в 8-10 раз меньше, чем при искровом инициировании.

Получено существенное увеличение скорости обычного горения в среде холодной неравновесной плазмы, увеличение глубины сгорания топлива.

Выявлен фотохимический характер воспламенения, в котором существенную роль играет жесткое УФ излучение.

Практическая значимость исследования
Результаты могут быть применены при проектировании реактивных двигателей, энергетических установок, использующих детонационное горение.
Наиболее близким с точки зрения внедрения являются малые энергетические газотурбинные установки мощностью до 300 кВт с детонационной камерой сгорания и высокооборотным ротором и бортовая вспомогательная силовая установка для летательного аппарата. Другим перспективным направлением коммерциализации может стать производство газогенераторов, работающих на сжиженном природном газе.
Решение задачи организации и поддержания непрерывного детонационного горения открывает дорогу развития гиперзвуковых летательных аппаратов, рассчитанных на скорость М=4-6.
Полученные результаты по увеличению скорости горения и глубины сгорания могут быть использованы для разработки малоэмиссионных камер сгорания газотурбинных двигателей.
Результаты по интенсификации горения в среде холодной неравномесной плазмы могут быть использованы при разработке автомобильных двигателей повышенной удельной мощности.