Возможные примеры реализации систем охлаждения импульсной камеры сгорания

Импульсный детонационный двигатель (ИДД) является сложной технической установкой, в которой горение топливовоздушной смеси (ТВС) осуществляется детонацией. В свою очередь, детонация определяется сверхзвуковым горением, когда горение в классических камерах сгорания осуществляется при дефлаграции, то есть при дозвуковом горении. Принцип ее работы делятся на следующие этапы:

1. Заполнение камеры сгорания смесью;
2. Воспламенение, сопровождающееся формированием ударной волны;
3. Расширение и работа, повышая давление и температуру;
4. Продувка, осуществляемая для очистки от продуктов сгорания.

Преимущества данного типа двигателя заключается в следующем:

1. Простота конструкции;
2. Высокая эффективность, обусловленная быстрым сжатием и нагревом ТВС;
3. Широкий диапазон чисел Маха (4-5 Мах);
4. Потенциал для реализации и формирования гиперзвуковой авиации.

Однако у ИДД имеется свой ряд недостатков:

1. Низкая тяговая эффективность, обусловленная относительно низкой частотой пульсации;
2. Высокие тепловые и механические нагрузки на конструкцию;
3. Сложности с инициированием детонации, требующее сокращения длины преддетонационного участка;
4. Сложность продувки и подачи топлива.

Для уменьшения воздействия тепловых нагрузок на конструкцию камеры сгорания ИДД, представленной в виде детонационной трубы, необходимо формирование эффективной системы охлаждения.

Предлагается следующие варианты реализации системы охлаждения ИДД.

1. Воздушная система охлаждения, принцип работы которой заключается в том, что воздух поступает из общего ресивера, и далее нагнетается в специальные охлаждающие каналы. Процесс охлаждения осуществляется циркуляцией по воздушным рубашкам, после чего воздух может смешиваться с ТВС.

К основным достоинствам данной системы можно отнести следующие пункты:

• простота конструкции и обслуживания;
• снижение массы двигателя по сравнению с жидкостной системой;
• эффективное охлаждение, обеспечивающее быстрым отведением из ответственных деталей ИДД;
• возможность осуществления начала работы системы «холодными» запуском;
• экономичность производства.

К недостаткам данной системы относятся:

• увлечение габаритов;
• повышенный шум из-за работы вентилятора;
• неравномерный обдув, сопровождающийся неравномерностью поля температур охлаждающей поверхности;
• зависимость от чистоты;
• осуществление температурного контроля.

2. Жидкостная система охлаждения. Данная система нашла свое отражение в патенте RU 2734708 C2, которая заключается в том, что диэлектрическая трубка, заполненная инертным газом, оснащена прозрачной трубкой с торцами и патрубками, замыкающими контур, заполненной дистиллированной водой. Контур состоит из насоса и охладителя. Данная система позволяет увеличить число импульсов без изменения геометрии детонационной трубы. К дополнительным элементам данной системы относятся насосы для циркуляции охлаждающей жидкости (шестеренные или центробежные) и резервуар для ее хранения.

К основным преимуществам данной системы относятся:

• эффективная система, обеспечивающее охлаждение всех элементов ИДД;
• компактность системы из-за отсутствия воздушных полостей;
• низкий уровень шума по сравнению с воздушной системой.

К недостаткам такой системы относятся:

• сложность конструкции из-за наличия дополнительных элементов;
• увлечение общей массы двигателя;
• возможность утечек охлаждающей жидкости;
• зависимость от работы насоса;
• ограничения по температуре, обусловленные использованием теплостойких жидкостей.

3. Комбинированная система охлаждения, представленная в патенте ED 218.016.7a45. Непосредственно рядом с препятствиями установлена жидкостная система охлаждения, в качестве охладителя которого используется дистиллированная вода. Для гладкой части – воздушная система охлаждения.

Помимо указанных способов охлаждения предлагаются следующие способы по снижению термических нагрузок на детонационную трубу ИДД:

1. Использование термостойких материалов;
2. Эффективная продувка детонационной трубы;
3. Оптимизация геометрии детонационной трубы для равномерного распределения тепла;
4. Разработка адаптивных систем управления охлаждения ИДД, учитывающие динамичность изменения основных параметров данного двигателя (скачок давления, средняя скорость распространения детонационной волны и другие параметры).

Преимущества предложенных ранее систем охлаждения заключается в следующем:

1. Увеличить ресурс ИДД;
2. Предотвращение перегрева конструкции детонационной трубы;
3. Возможность увеличения числа рабочих циклов;
4. Сохранение характеристик ИДД.

Невзирая на необходимость, у предложенных систем охлаждения имеется ряд сложностей:

1. Необходимость герметичности контуров;
2. Сложность поддержания установленного градиента температурного поля;
3. Увеличение общей массы силовой установки.

Несмотря на сложности реализации данной системы, данное направление имеет свою актуальность и перспективы. Система охлаждения ИДД играет ключевую роль для обеспечения долговечности и работоспособности. Ввиду воздействия высоких температур и давления могут привести к разрушению конструкции детонационной трубы. Учитывая существующие недостатки при ее проектировании, необходимо обеспечить ее надёжную и устойчивую работу во всех режимах работы.