Детонационные двигатели и некоторые другие вопросы

[Kolobock Kolobock]

Development of a Rotating Detonation Engine Facility   at the University of Cincinnati





На первом рисунке режим непрерывной детонации, на втором обычное горение при тех же условиях. Это конечно не доказательство высокого УИ, но вот такая разница наглядно.

[mihalchuk]

Похоже, в теме спутались два типа двигателей - собственно детонационные и даигатели со сверхзвуковым горением.

[G.K.]

А чего это там на заднем плане находится ( на первой фотке видно)? Рельсотрон что ли?

[Salo]

В России впервые в мире экспериментально доказана энергоэффективность ракетного двигателя с непрерывно-детонационным горением

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук"
Источник: www.chph.ras.ru
 
В 1940 г. выдающийся советский ученый Яков Борисович Зельдович выдвинул идею о возможности энергетического использования детонационного горения – горения топливной смеси в режиме самовоспламенения за сильной ударной волной. По его оценкам термодинамический коэффициент полезного действия (КПД) цикла с детонационным горением топлива может существенно превышать КПД цикла с горением при постоянном давлении, широко используемого в современных ракетных, прямоточных и газотурбинных двигателях. Позже теоретические выводы и оценки Зельдовича были подтверждены термодинамическими и многомерными газодинамическими расчетами. Так, термодинамические расчеты показали, что КПД цикла Зельдовича (так сегодня называют цикл с детонационным горением) может на 20%–30% превышать КПД цикла с горением при постоянном давлении, а многомерные газодинамические расчеты рабочего процесса в жидкостном ракетном двигателе с детонационном горением дают превышение КПД на 13%–15% по сравнению с обычным жидкостным ракетным двигателем. Несмотря на то, что теоретические выводы об энергоэффективности цикла Зельдовича не подвергаются сомнению, прямых экспериментальных доказательств этих выводов до сих пор не было.
В 2014 г. ученые Института химической физики Российской академии наук (г. Москва, http://idgcenter.ru) впервые в мире получили экспериментальное доказательство того, что термодинамический цикл Зельдовича с непрерывно-детонационным горением водородно-кислородной смеси в кольцевой камере сгорания эффективнее, чем термодинамический цикл с непрерывным горением той же смеси при прочих равных условиях. Удельный импульс и тяга двух разных малоразмерных стендовых образцов ракетных двигателей при работе в непрерывно-детонационном режиме оказался на 6%–8% выше, чем при работе в режиме непрерывного горения. Результаты опубликованы в Докладах академии наук (2014, т. 459, №6, с. 711–716) и в Международном журнале водородной энергетики (International Journal of Hydrogen Energy, 2015, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.03.128). Это достижение российских ученых открывает реальные перспективы для качественного скачка в повышении эффективности использования химической энергии моторных топлив в реактивных силовых установках летательных аппаратов и других транспортных средств.

[Salo]

http://idgcenter.ru/orbit.htm
 

[mihalchuk]

Salo пишет:
 В России впервые в мире экспериментально доказана энергоэффективность ракетного двигателя с непрерывно-детонационным горением
 
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт химической физики им. Н.Н.Семенова Российской академии наук"
Источник: www.chph.ras.ru
 
В 1940 г. выдающийся советский ученый Яков Борисович Зельдович выдвинул идею о возможности энергетического использования детонационного горения – горения топливной смеси в режиме самовоспламенения за сильной ударной волной. По его оценкам термодинамический коэффициент полезного действия (КПД) цикла с детонационным горением топлива может существенно превышать КПД цикла с горением при постоянном давлении, широко используемого в современных ракетных, прямоточных и газотурбинных двигателях.

Я, как говорится, не читал, но осуждаю. Вообще-то Зельдович не совсем термодинамик. Есть теорема Карно и доказательство, что цикл Карно идеален. Но можно вместо простой адиабаты нарисовать адиабату Гюгонио, и цикл покажется более выпуклым. Из этого можно сделать какие-то выводы.
 

Позже теоретические выводы и оценки Зельдовича были подтверждены термодинамическими и многомерными газодинамическими расчетами. Так, термодинамические расчеты показали, что КПД цикла Зельдовича (так сегодня называют цикл с детонационным горением) может на 20%–30% превышать КПД цикла с горением при постоянном давлении, а многомерные газодинамические расчеты рабочего процесса в жидкостном ракетном двигателе с детонационном горением дают превышение КПД на 13%–15% по сравнению с обычным жидкостным ракетным двигателем.

Что такое горение при постоянном давлении? Это то, что происходи в КС ЖРД? Не верю в 20-30%, им неоткуда взяться. КПД современных ЖРД зависит от степени расширения сопла и переваливает за 70%. Что такое обычный ЖРД в смысле расширения сопла?

В 2014 г. ученые Института химической физики Российской академии наук (г. Москва, http://idgcenter.ru ) впервые в мире получили экспериментальное доказательство того, что термодинамический цикл Зельдовича с непрерывно-детонационным горением водородно-кислородной смеси в кольцевой камере сгорания эффективнее, чем термодинамический цикл с непрерывным горением той же смеси при прочих равных условиях. Удельный импульс и тяга двух разных малоразмерных стендовых образцов ракетных двигателей при работе в непрерывно-детонационном режиме оказался на 6%–8% выше, чем при работе в режиме непрерывного горения. Результаты опубликованы в Докладах академии наук (2014, т. 459, №6, с. 711–716) и в Международном журнале водородной энергетики (International Journal of Hydrogen Energy, 2015, http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.03.128 ).

Ну вот почему я должен платить 35 долларов за то, что интригует, интересно, но противоречит моим представлениям? Тем более, что неясно заранее, в чём фишка. Чтобы обеспечить детонационное непрерывное горение, нужно обеспечить сверхзвуковую подачу топливной смеси, причём значительно сверхзвуковую. При этом температура смеси после прохождения скачуа уплотнения должна быть выше температуры воспламенения.Тогда без всяких явлений типа лучшего диспергирования топлива при прохождении через скачок уплотнения банально прибавляем к скорости истечения начальную скорость компонентов, и получаем те самые 6-8%. При этом камера сгорания удлиняется, Зельдович отдыхает в сторонке. Если "учёные" использовали не ЖРД, а только камеру сгорания с коротким соплом, то могли что-то подобное получить. Как это организовать в реальном ЖРД замкнутого цикла...

[Alexandr_A]

mihalchuk пишет:
Ну вот почему я должен платить 35 долларов за то, что интригует, интересно, но противоречит моим представлениям?

http://zalivalka.ru/214404

Чтобы обеспечить детонационное непрерывное горение, нужно обеспечить сверхзвуковую подачу топливной смеси, причём значительно сверхзвуковую.

Подача топлива более менее обычная. Вся фишка в том куда подавать.
Больше всего публикаций по этой теме за китайцами. В последних работах запустили устойчивую детонацию в обычном цилиндре. В отличие от кольцевой камеры убран внутренний цилиндр, а впрыск топлива остался примерно такой же, то-есть по периметру. Причем испытывали на смесях водород - воздух, метан - кислород и метан - воздух.

Похоже что не спроста именно воздух сейчас все пилят.

[korund]

mihalchuk пишет:
Чтобы обеспечить детонационное непрерывное горение, нужно обеспечить сверхзвуковую подачу топливной смеси, причём значительно сверхзвуковую..

Нет дибилушка!
Чтобы обеспечить детонационное непрерывное горение, нужно чтобы площадь сечения подаваемого топлива было в несколько раз больше площади сечения сопла (точно так же как в кумулятивной воронке)

[mihalchuk]

Alexandr_A пишет:
Alexandr_A

Спасибо, Александр!
Но, собственно, что-то там нашли при давлениях до 10 атм и водородно-воздушной смеси. К ЖРД на водороде это пока третьим боком.

[mihalchuk]

korund пишет:

mihalchuk пишет:
Чтобы обеспечить детонационное непрерывное горение, нужно обеспечить сверхзвуковую подачу топливной смеси, причём значительно сверхзвуковую..

Нет дибилушка!
Чтобы обеспечить детонационное непрерывное горение, нужно чтобы площадь сечения подаваемого топлива было в несколько раз больше площади сечения сопла (точно так же как в кумулятивной воронке)

А если подумать...

[Uriy]

Детонационное горение мне кажется можно обеспечить при процессе с постоянным объёмом,т.е. нужны клапана на момент горения в режиме детонации.В середине 80 я делал рецензию для кандитатской аспиранта ХАИ.У него была оригинальная конструкция клапанов для камеры сгорания ГТД на входе и выходе из КС.Но в принципе можно обеспечить и газодинамическое запирание на выходе в критике.Но запирание подачи топлива в головке в этот момент детонации надо обеспечивать клапанами. А в непрерывном режиме я пока не представляю,как обеспечить детонационное горение.

[Bell]

Александр пишет:
А что тут непонятного! Смесь не горит а взрывается. Максимальная скорость горения смеси.
Топлива требуется меньше.По сравнениюс обычным горением давление в камере в десятки раз выше.
Следовательно за единицу временитоплива все равно сгорает больше.Отсюда выход энергии
выше.

Вообще если немного подумать, что чушь получается. Ну сгорела там смесь быстрее, ну получили в единицу времени больше энергии, но бОльшая эффективность-то в чем? То же количество топлива дало то же количество энергии, которое в нем запасено. Разве УИ вырос?
Пассаж про "в десятки раз большее давление" вообще умиляет Если борются за непрерывный режим детонации, то придется в эти же десятки раз поднимать давление и на подаче, в ТНА

Короче, я что-то пока не просек фишку в этой детонации, во всяком случае по приведенным описаниям ее не видно.


ЗЫ. И чего-чего там на Аполлонах испытывали?

[Artemkad]

Bell пишет:

Пассаж про "в десятки раз большее давление" вообще умиляет Если борются за непрерывный режим детонации, то придется в эти же десятки раз поднимать давление и на подаче, в ТНА

В используемой сейчас кольцевой камере вспрыск топлива происходит позади/впереди фронта ударной волны. Давление как раз там, из-за сверхзвуковых процессов в камере, в разы меньше чем на самом фронте детонации.

[korund]

mihalchuk пишет:

korund   пишет:

mihalchuk пишет:
Чтобы обеспечить детонационное непрерывное горение, нужно обеспечить сверхзвуковую подачу топливной смеси, причём значительно сверхзвуковую..

Нет дибилушка!

А если подумать...

Даже если подумать...


Вот например опять:

При этом температура смеси после прохождения скачуа уплотнения должна быть выше температуры воспламенения.

Вы как бы не очень понимаете что такое детонация...
Детонация - это вид инициации химической реакции в смеси горючего и окислителя (в нашем случае), которая происходит НЕ путём теплообмена, а путём скачка давления ударной волны. Это как в дизельном двигателе, поршень сжимает воздух до такой температуры и давления, что впрыскиваемое топливо начинает воспламеняться само по себе. Только в дизельном двигателе смесь сжимает поршень, а при детонации ударная волна. (я уже и не знаю, как лучше объяснить чтобы вы поняли)
Так вот, возвращаясь к вашей цитате, ударная волна сожмёт/нагреет до требуемых величин топливоокислительную смесь. И она (смесь) совершенно НЕ должна быть нагрета выше температуры воспламенения.

[korund]

Uriy пишет:

Детонационное горение мне кажется можно обеспечить при процессе с постоянным объёмом,т.е. нужны клапана на момент горения в режиме детонации.В середине 80 я делал рецензию для кандитатской аспиранта ХАИ.У него была оригинальная конструкция клапанов для камеры сгорания ГТД на входе и выходе из КС.Но в принципе можно обеспечить и газодинамическое запирание на выходе в критике.Но запирание подачи топлива в головке в этот момент детонации надо обеспечивать клапанами.

Нет не надо. А так же не надо заливать топливо и окислитель в один бак.

 

Uriy пишет:А в непрерывном режиме я пока не представляю,как обеспечить детонационное горение.

Да! Существует ряд серьёзных проблем в решении данного вопроса. Одна из которой Скорость детанационной волны намного больше скорости подаваемого топлава, а так же больше скорости истечения из сопла....
Но можно например пускать детанационную волну по спирали.... Варианты есть;)

[Uriy]

korund пишет:

Uriy пишет:

Детонационное горение мне кажется можно обеспечить при процессе с постоянным объёмом,т.е. нужны клапана на момент горения в режиме детонации.В середине 80 я делал рецензию для кандитатской аспиранта ХАИ.У него была оригинальная конструкция клапанов для камеры сгорания ГТД на входе и выходе из КС.Но в принципе можно обеспечить и газодинамическое запирание на выходе в критике.Но запирание подачи топлива в головке в этот момент детонации надо обеспечивать клапанами.

Нет не надо. А так же не надо заливать топливо и окислитель в один бак.

 

Uriy пишет:А в непрерывном режиме я пока не представляю,как обеспечить детонационное горение.

Да! Существует ряд серьёзных проблем в решении данного вопроса. Одна из которой Скорость детанационной волны намного больше скорости подаваемого топлава, а так же больше скорости истечения из сопла....
Но можно например пускать детанационную волну по спирали.... Варианты есть

  У меня есть авторское свидетельство №72603. "Способ подачи топлива в кольцевую камеру сгорания."
Там предполагался процесс горения по спирали, волной, но без детонационного процесса. Потом американцы в середине 90 заинтересовались по кольцу спиральную детонацию делать,но вроде забросили эту идею.

[Дмитрий Инфан]

korund пишет:
Детонация - это вид инициации химической реакции в смеси горючего и окислителя (в нашем случае), которая происходит НЕ путём теплообмена,

А сколько процентов энергии в обычном ЖРД теряется на теплообмен? Иначе говоря, каков выигрыш?

[korund]

Bell пишет:
Вообще если немного подумать, что чушь получается. Ну сгорела там смесь быстрее, ну получили в единицу времени больше энергии, но бОльшая эффективность-то в чем? То же количество топлива дало то же количество энергии, которое в нем запасено. Разве УИ вырос?

Если УИ не вырос, то и городить огород нечего.
Надо делать так чтобы УИ вырос!

Bell пишет:
Пассаж про "в десятки раз большее давление" вообще умиляет    Если борются за непрерывный режим детонации, то придется в эти же десятки раз поднимать давление и на подаче, в ТНА    

Поднимать давление на подаче в ТНА - это вообще НЕ про детанацию, а про теоретический предел ЖРД. Поднять давление в КС в каких 5-10 раз большой проблемой не является (практически при тех же массогабаритах), (на звуковые колебания пока забъём), но вот создать ТНА на 5000- 10000 атмосфер - это уже серьёзная проблема.

Bell пишет:
Короче, я что-то пока не просек фишку в этой детонации, во всяком случае по приведенным описаниям ее не видно.

Фишка детанации в том:
(в идеале)
1. Используется высокий перепад давления (на входе топливо и окислитель при средней температуре скажем 20.С и давлении 2бар, на выходе выхлоп 20.С и давление 2бар вся энергия ушла в кинетическую)
2. Двигатель не греется, нет передачи энергии через теплообмен.
3. Нет пожаров - если удаётся контролировать детанацию, то про явления связанные с теплообменом можно забыть.
4. Нет высокочастотных колебаний - нет трения в процессе горения,
5. Большие размеры и тяга двигателя идут в плюс, а не как в ЖРД в минус.
6. Решается проблема со сверхзвуковым горением в атмосфере, соответственно первая ступень может быть с теоретическим УИ в 3000с.

[Alexandr_A]

korund пишет:
Детонация - это вид инициации химической реакции в смеси горючего и окислителя (в нашем случае), которая происходит НЕ путём теплообмена, а путём скачка давления ударной волны.

Не совсем.
1 Скачек давления не может распространяться в разы быстрее скорости звука в данной среде, в отличие от.
2. В кольцевой камере ударные волны являются помехой основному фронту горения.

korund пишет:
6. Решается проблема со сверхзвуковым горением в атмосфере, соответственно первая ступень может быть с теоретическим УИ в 3000с.

Хорошая идея, осталось только нарисовать Ангару на таких ДВигателях. )

[mihalchuk]

korund пишет:
Существует ряд серьёзных проблем в решении данного вопроса. Одна из которой Скорость детанационной волны намного больше скорости подаваемого топлава, а так же больше скорости истечения из сопла....
Но можно например пускать детанационную волну по спирали.... Варианты есть

Можно хоть узлы вязать. Если у нас реактивный двигатель, то тяга определяется давлением на стенки КС и сопла, и по барабану, какие там детонационные спирали унутре. Пусть у нас есть камера сгорания, пусть она цилиндрическая. Заполняем её топливом. В одном случае даём сгореть, в другом - обеспечиваем детонацию. Насколько будут отличаться параметры продуктов сгорания (а они будут отличаться), и как это использовать для увеличения эффективности в случае использования детонации?