RU2745975C1 - Rotary detonation gas turbine and the method of detonation combustion in it - Google Patents
Rotary detonation gas turbine and the method of detonation combustion in it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2745975C1 RU2745975C1 RU2020119922A RU2020119922A RU2745975C1 RU 2745975 C1 RU2745975 C1 RU 2745975C1 RU 2020119922 A RU2020119922 A RU 2020119922A RU 2020119922 A RU2020119922 A RU 2020119922A RU 2745975 C1 RU2745975 C1 RU 2745975C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- detonation
- combustion
- combustion chambers
- rotor
- channels
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
- F02C3/14—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant
- F02C3/16—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant the combustion chambers being formed at least partly in the turbine rotor or in an other rotating part of the plant
- F02C3/165—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid characterised by the arrangement of the combustion chamber in the plant the combustion chambers being formed at least partly in the turbine rotor or in an other rotating part of the plant the combustion chamber contributes to the driving force by creating reactive thrust
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C5/00—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
- F02C5/02—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion characterised by the arrangement of the combustion chamber in the chamber in the plant
- F02C5/04—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion characterised by the arrangement of the combustion chamber in the chamber in the plant the combustion chambers being formed at least partly in the turbine rotor
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к машиностроению, и может быть использовано для повышения мощности и энергоэффективности, а так же надежности работы детонационных камер сгорания (ДКС) двигательных установок (ДУ), используемых на летательных аппаратах (ЛА), других транспортных средствах (ТС), а так же в электрогенерирующих установках (ЭГУ).The invention relates to mechanical engineering, and can be used to increase power and energy efficiency, as well as the reliability of detonation combustion chambers (BCS) of propulsion systems (DU) used on aircraft (LA), other vehicles (TC), as well as in power generating plants (EGU).
Процесс детонационного горения - это эффективный способ сжигания смеси горючего и воздуха для высвобождения химической энергии. Теоретический эффективный КПД детонационного горения, вычисляемый путем деления полезной работы энергоустановки на подводимое тепло, составляет приблизительно 49%. С этим можно сравнить более традиционные процессы, такие, как горение при постоянном объеме, и горение при постоянном давлении, которые имеют значения теоретического эффективного КПД 47% и 27% соответственно. Повышенный КПД детонационного горения обусловлен присущим ему особым процессом тепловыделения, при котором сгорание топливо-воздушной смеси (ТВС) происходит в десятки тысяч раз быстрее, чем при традиционном горении, основанном на фронтальном распространении пламени. Но детонационное горение очень трудно организовать, и еще труднее им управлять.Detonation combustion is an efficient way to burn a mixture of fuel and air to release chemical energy. The theoretical effective efficiency of detonation combustion, calculated by dividing the useful work of the power plant by the supplied heat, is approximately 49%. This can be compared to more traditional processes such as constant volume combustion and constant pressure combustion, which have theoretical effective efficiencies of 47% and 27%, respectively. The increased efficiency of detonation combustion is due to its inherent special heat release process, in which the combustion of the fuel-air mixture (FA) occurs tens of thousands of times faster than in traditional combustion based on frontal flame propagation. But detonation combustion is very difficult to organize and even more difficult to control.
Процесс детонационного горения является нестационарным, и в сравнении с обычным горением имеет ряд существенных отличительных особенностей. Поэтому, прежде чем рассматривать способ организации детонационного горения в Роторном детонационном газотурбинном двигателе, целесообразно рассмотреть основные особенности, характерные для процессов детонационного горения, так как преимущества детонационного, с "объемной" формой, горения перед диффузионным "фронтовым" горением существенны, и очень внушительны.The detonation combustion process is unsteady and, in comparison with conventional combustion, has a number of significant distinctive features. Therefore, before considering the method of organizing detonation combustion in a rotary detonation gas turbine engine, it is advisable to consider the main features characteristic of detonation combustion processes, since the advantages of detonation combustion with a "volumetric" shape over diffusion "frontal" combustion are significant and very impressive.
Во-первых, детонационное горение - это природная, естественная, и самая совершенная форма объемного высвобождения тепловой энергии из химического топлива, и осуществляется в ДКС при Vк ~ const, а не при Рк ~ const. Изохорные процессы, протекающие при постоянном объеме имеют более высокие значения термодинамического КПД (примерно, на 30-50% больше), чем изобарические процессы.First, detonation combustion is a natural, natural, and the most perfect form of volumetric release of thermal energy from chemical fuel, and is carried out in a BCS at V k ~ const, and not at P k ~ const. Isochoric processes occurring at a constant volume have higher values of thermodynamic efficiency (approximately 30-50% more) than isobaric processes.
Во-вторых, абсолютная скорость детонационного горения ТВС сверхвысокая. В существующих реактивных двигательных установках скорость диффузионного горения ТВС не превышает 80-120 см/сек, а в детонационных процессах скорость горения ТВС составляет порядка 1500-2500 м/сек, и является физической константой, крайне слабо зависящей от физического состояния ТВС (по: р, ρ, Т), способа ее зажигания, от формы и размеров ДКС, а зависит только от химического состава ТВС. Это свойство детонационного горения ТВС является исключительно важным, и ниже, в описании принципа работы заявленного Роторного детонационного газотурбинного двигателя будет отмечено, в чем конкретно состоит важность этого свойства.Second, the absolute speed of detonation combustion of fuel assemblies is super high. In existing jet propulsion systems, the rate of diffusion combustion of fuel assemblies does not exceed 80-120 cm / s, and in detonation processes, the rate of combustion of fuel assemblies is about 1500-2500 m / s, and is a physical constant that is extremely weakly dependent on the physical state of the fuel assembly (by: p , ρ, T), the method of its ignition, the shape and size of the BCS, but depends only on the chemical composition of the fuel assembly. This property of detonation combustion of fuel assemblies is extremely important, and below, in the description of the principle of operation of the claimed Rotary detonation gas turbine engine, it will be noted what exactly is the importance of this property.
При создании детонационного двигателя наиболее важным является решение четыре основных вопроса, а именно:When creating a detonation engine, the most important is to solve four main questions, namely:
1. Способ управления процессом наполнения ДКС ТВС, и освобождения ДКС от продуктов ее сгорания;1. A method for controlling the process of filling the BCS with fuel assemblies, and freeing the BCS from its combustion products;
2. Способ инициирования детонационного горения ТВС в ДКС;2. A method for initiating detonation combustion of fuel assemblies in a booster compressor station;
3. Форма и характер инициируемого в ДКС детонационного горения ТВС;3. Form and nature of detonation combustion of fuel assemblies initiated in the BCS;
4. Частота циклов детонационного сгорания ТВС в ДКС.4. Frequency of cycles of detonation combustion of fuel assemblies in BCS.
Удачное конструкторское решение именно эти четырех вопросов во многом предопределяет эффективность работы детонационного двигателя. Рассмотрим по порядку эти четыре вопроса.The successful design solution of these four issues largely predetermines the efficiency of the detonation engine. Let's take these four questions in order.
Во - первых, условно ДКС по способу их наполнения ТВС, и освобождения их от продуктов сгорания можно разделить на два типа - "клапанные" и "бесклапанные". В "клапанных" (одно или многокамерных схемах) эти процессы реализуются с помощью вращающихся клапанов, или клапанов иных типов (например, так называемые "лепестковые" клапанные решетки, по аналогии с немецким изделием Фау - 1). В бесклапанных (одно или многокамерных схемах) эти процессы связаны только с динамикой изменения давления в ДКС (так называемое газодинамическое "запирание" ДКС). Недостатками "клапанных" схем являются: сложность и высокая стоимость их изготовления, низкая надежность, и ограниченный ресурс их работы, поэтому ввиду однозначной бесперспективности ДКС с "клапанной" схемой, в дальнейшем их не рассматриваем. Недостатками "бесклапанных" схем ДКС являются: сложность организации, и сложность управления их функционированием. Если процесс газодинамического "запирания" ДКС реализуется с помощью специальной системы управления, то в этом случае не удается реализовать автомодельный режим работы ДКС.Firstly, conventionally BCS can be divided into two types according to the method of filling them with fuel assemblies and releasing them from combustion products - "valve" and "valveless". In "valve" (single or multi-chamber circuits), these processes are realized with the help of rotating valves, or valves of other types (for example, the so-called "petal" valve grids, by analogy with the German product V-1). In valveless (single or multi-chamber circuits), these processes are associated only with the dynamics of pressure change in the booster compressor station (the so-called gas-dynamic "locking" of the booster compressor station). The disadvantages of the "valve" circuits are: the complexity and high cost of their manufacture, low reliability, and a limited resource of their operation, therefore, in view of the unambiguous futility of a booster compressor station with a "valve" circuit, we will not consider them in the future. The disadvantages of "valveless" BCS schemes are: the complexity of the organization, and the complexity of managing their operation. If the process of gas-dynamic "locking" of the BCS is realized with the help of a special control system, then in this case it is not possible to realize the self-similar mode of the BCS operation.
Во - вторых, в большинстве случаев реализации детонационного горения ТВС, его инициирование в каждом цикле работы ДКС осуществляется с помощью внешнего источника зажигания. Таким источником может служить, например, форкамерная свеча зажигания с мощным форсом пламени в ДКС, или электрический разряд в ДКС, или лазерные системы, и т.п.(например, S. Eidelman and W. Grossman "Pulsed Detonation Engine Experimental and Theoretical Rewiew", 1992, AIAA92-3168; T.E. Bratkovich and T. R. A. Bussing "A Pulse Detonation Engine Performance Model", 1995, AIAA95-3155). Недостатками таких систем являются: их не достаточная энергетическая мощность для запуска работы больших ДКС, а так же в ДКС с такими системами требуются большие преддетонационные расстояния, и времена, необходимые для возникновения зоны детонационного горения ТВС. Существует так же способ инициирования детонационного горения от ударной волны детонации (например, US 6000214 (А) - "Detonation cycle gas turbine engine system having intermittent fuel and air delivery", 1999, SCRAGG ROBERT, и др.). Данный способ инициирования детонационного горения реализуется с помощью так называемой "детонационной трубки". В этом случае постоянное поджигание ТВС в каждом цикле работы ДКС осуществляют ударной волной детонации, выходящей из указанной трубки. Сама трубка периодически наполняется готовой ТВС, а ударная волна детонации в ней инициируется электрическим разрядом необходимой мощности. Если реализация детонации в трубке не представляет особой проблемы, то создание с ее помощью ударной волны детонации в ДКС возможно только при "инициирующей", т.е. выходящих из трубки ударной волны детонации достаточно большой мощности, что вместе с системой управления, и синхронизации всем процессом детонационного горения ТВС в ДКС является конструктивно сложным, и громоздким, и это является одним из недостатков данного способа инициирования детонационного горения. Другим недостатком данного способа является то, что он исключает автомодельный режим работы детонационного двигателя.Secondly, in most cases of detonation combustion of fuel assemblies, its initiation in each cycle of the BCS operation is carried out using an external ignition source. Such a source can be, for example, a pre-chamber spark plug with a powerful flame force in the BCS, or an electric discharge in the BCS, or laser systems, etc. (for example, S. Eidelman and W. Grossman "Pulsed Detonation Engine Experimental and Theoretical Rewiew ", 1992, AIAA92-3168; TE Bratkovich and TRA Bussing" A Pulse Detonation Engine Performance Model ", 1995, AIAA95-3155). The disadvantages of such systems are: their insufficient power capacity to start the operation of large BCS, as well as in BCS with such systems, large pre-detonation distances are required, and the times required for the occurrence of a zone of detonation combustion of fuel assemblies. There is also a method for initiating detonation combustion from a detonation shock wave (for example, US 6000214 (A) - "Detonation cycle gas turbine engine system having intermittent fuel and air delivery", 1999, SCRAGG ROBERT, etc.). This method of initiating detonation combustion is implemented using the so-called "detonation tube". In this case, the constant ignition of the fuel assembly in each cycle of the BCS operation is carried out by a detonation shock wave coming out of the specified tube. The tube itself is periodically filled with a finished fuel assembly, and the detonation shock wave in it is initiated by an electric discharge of the required power. If the implementation of detonation in the tube does not pose a special problem, then the creation of a shock wave of detonation in the BCS with its help is possible only with an "initiating" one, i.e. of detonation shock wave of sufficiently high power, which, together with the control system and synchronization of the entire process of detonation combustion of fuel assemblies in the BCS, is structurally complex and cumbersome, and this is one of the disadvantages of this method of initiating detonation combustion. Another disadvantage of this method is that it excludes the self-similar mode of operation of the detonation engine.
В - третьих, в качестве реальных вариантов детонационной ДУ, с точки зрения использования в ЛА, специалистами рассматриваются различные варианты процесса детонационного горения ТВС в ДКС, например: с помощью многоячеистой детонации в трубах большого диаметра, спин-детонации в трубах умеренного диаметра, и/или галопирующей детонации в трубах очень малого диаметра, а так же с помощью косой стоячей детонационной волны, обычной (сильной и слабой) ударной волны, или с помощью квазидетонации в ДКС (см. «Реактивные двигатели», под редакцией О.Е. Ланкастера, Военное изд. МО СССР, 1962 г., с. 393, 396). ДКС, в которых инициируют косую стоячую детонационную волну, или спин-детонационную волну, работают в режиме непрерывного детонационного горения. При этом в стоячей спин-детонационной волне достигается максимальная концентрация химической энергии, запасенной в горючем, которая выделяется в режиме самовоспламенения при очень высоких локальных давлениях и температурах в тонком слое топливо-воздушной смеси. В таких непрерывно - детонирующих ДКС полное давление можно повысить на ~ 15% - 20% по сравнению с обычной камерой сгорания турбореактивного двигателя при прочих равных условиях. Однако такое повышение полного давления в ДКС является не достаточным, так как в итоге повышение тягово-экономических характеристик детонационного двигателя получается не столь существенным. При этом, как было сказано ранее, для инициирования стоячей детонационной волны, или спин-детонационной волны требуется высокий уровень энергии от внешнего источника, а так же требуются большие преддетонационные расстояния и времена, необходимые для возникновения в ДКС детонационного горения ТВС. Последнее обстоятельство не позволяет минимизировать в требуемой степени габаритные и массовые характеристики детонационного двигателя, что делает невозможным его создание принципиально.Third, as real options for detonation propulsion systems, from the point of view of use in aircraft, specialists are considering various options for the process of detonation combustion of fuel assemblies in a BCS, for example: using multi-cell detonation in large-diameter pipes, spin-detonation in pipes of moderate diameter, and / or galloping detonation in pipes of very small diameter, as well as with the help of an oblique standing detonation wave, an ordinary (strong and weak) shock wave, or with the help of quasi-detonation in the BCS (see Jet Engines, edited by O.E. Lancaster, Military edition of the USSR Ministry of Defense, 1962, pp. 393, 396). BCS, in which an oblique standing detonation wave, or spin-detonation wave is initiated, operate in a continuous detonation combustion mode. In this case, in a standing spin-detonation wave, the maximum concentration of chemical energy stored in the fuel is achieved, which is released in the autoignition mode at very high local pressures and temperatures in a thin layer of the fuel-air mixture. In such continuously detonating BCS, the total pressure can be increased by ~ 15% - 20% compared to a conventional combustion chamber of a turbojet engine, all other things being equal. However, such an increase in the total pressure in the BCS is not sufficient, since, as a result, the increase in the traction and economic characteristics of the detonation engine is not so significant. At the same time, as mentioned earlier, a high level of energy from an external source is required to initiate a standing detonation wave, or a spin-detonation wave, and large pre-detonation distances and times are required for the occurrence of detonation combustion of fuel assemblies in the BCS. The latter circumstance does not allow minimizing the overall and mass characteristics of the detonation engine to the required extent, which makes it impossible to create it in principle.
В - четвертых, в зависимости от способа управления процессом наполнения ДКС ТВС, и освобождения ДКС от продуктов ее сгорания, а так же от способа организации детонационного горения ТВС в ДКС, и вида детонационного горения ТВС, в ДКС могут быть реализованы различные частоты ее рабочих циклов. В ДКС с косой стоячей детонационной волной, или спин-детонационной волной, стараются добиться, как правило, максимально высокой частоты рабочих циклов ДКС (от сотен Гц, до десятков КГц). Более уместным было бы назвать этот процесс диффузионным горением, обуславливаемым ударным воздействием, а не детонацией. Высокая частота циклов работы непрерывно детонирующих ДКС объясняется желанием конструкторов получить наибольшее среднеинтегральное значение давления продуктов сгорания в ДКС, которое, как было отмечено выше, может быть увеличено на ~ 15% - 20% по сравнению с обычной КС турбореактивного двигателя, при прочих равных условиях.Fourthly, depending on the method of controlling the process of filling the BCS with fuel assemblies, and releasing the BCS from its combustion products, as well as on the method of organizing the detonation combustion of fuel assemblies in the BCS, and the type of detonation combustion of fuel assemblies, different frequencies of its operating cycles can be implemented in the BCS. ... In a BCS with an oblique standing detonation wave, or spin-detonation wave, they try to achieve, as a rule, the highest possible frequency of the BCS operating cycles (from hundreds of Hz to tens of KHz). It would be more appropriate to call this process diffusion combustion, caused by impact, rather than detonation. The high frequency of operating cycles of continuously detonating BCS is explained by the desire of the designers to obtain the highest average integral value of the pressure of the combustion products in the BCS, which, as noted above, can be increased by ~ 15% - 20% compared to the conventional CC of a turbojet engine, all other things being equal.
В ДКС, в которых инициирование детонационного горения ТВС реализуется с помощью приходящей ударной волны детонации, пиковое давление в продуктах сгорания может возрастать в 18-20 раз. Частота циклов работы ДКС при этом может быть меньше, чем в случае с косой стоячей детонационной волной, или спин-детонационной волной. Однако среднеинтегральное значение давления продуктов сгорания в ДКС в этом случае может быть существенно выше, чем в случае с косой стоячей детонационной волной, или спин-детонационной волной, а значит выше будет и среднеинтегральное значение мощности детонационного двигателя.In BCS, in which the initiation of detonation combustion of fuel assemblies is realized with the help of an incoming shock wave of detonation, the peak pressure in the combustion products can increase by 18-20 times. In this case, the frequency of the BCS operation cycles can be less than in the case of an oblique standing detonation wave or a spin-detonation wave. However, the average integral value of the pressure of the combustion products in the BCS in this case can be significantly higher than in the case of an oblique standing detonation wave or spin-detonation wave, which means that the average integral value of the detonation engine power will also be higher.
В результате проведения информационного поиска детонационных двигательных установок по классификациям: ГТД, ПВРД и ЖРД (включая зарубежные источники), в качестве ближайшего аналога выявлен детонационный газотурбинный двигатель, раскрытый в заявке на изобретение US 2004194469 от 7.10.2004 г., в описании которого представлено несколько вариантов исполнения этого двигателя, отличающихся организацией работы системы импульсной детонации (34). Из всех представленных в описании изобретения US 200419446 вариантов работы системы импульсной детонации (34) двигателя наиболее близкой к заявляемому изобретению является система, представленная на Фиг. 5.As a result of an information search for detonation propulsion systems according to the classifications: GTE, ramjet and liquid-propellant engines (including foreign sources), a detonation gas turbine engine was identified as the closest analogue, disclosed in the application for invention US 2004194469 dated October 7, 2004, in the description of which several versions of this engine, differing in the organization of the operation of the impulse detonation system (34). Of all the options for the operation of the impulse detonation system (34) of the engine presented in the description of the invention US200419446, the system shown in FIG. five.
Система импульсной детонации (34) для данного газотурбинного двигателя включает в себя вращающийся цилиндрический элемент (36), имеющий переднюю поверхность (38), заднюю поверхность (40) и внешнюю круговую поверхность (42), где расположена, по меньшей мере, одна ступень (46) разнесенных по окружности камер (48) детонации. Система импульсной детонации (34) дополнительно включает в себя вал (30), соединенный с возможностью вращения с цилиндрическим элементом (36), и статор (62), выполненный вокруг поверхности (38), поверхности (40), и поверхности (42) цилиндрического элемента (36), и части вала (30). Статор (62) имеет, по меньшей мере, одну группу образованных в нем отверстий (74), которые последовательно совмещаются с детонационными камерами (48) при вращении элемента (36). Таким образом, детонационные циклы выполняются в камерах (48) каждой ступени детонации, так что силы реакции, индуцированные детонационными циклами, создают крутящий момент, который вызывает вращение элемента (36). Каждая камера (48) включает в себя первый открытый конец (50), расположенный рядом с внешней поверхностью (42) элемента (36), и второй закрытый конец (52), расположенный в средней части элемента (36). Этот вариант системы импульсной детонации (34) интересен тем, что в нем камеры (48) соединены между собой так, что ударная волна детонации из одной камеры (48) передается в другую, расположенную рядом камеру (48) через внутренние проходы (102), причем так, что конец одной камеры (48) соединен внутренним проходом (102) с началом другой, следующей, рядом расположенной камеры (48).The pulse detonation system (34) for a given gas turbine engine includes a rotating cylindrical element (36) having a front surface (38), a rear surface (40) and an outer circular surface (42) where at least one stage ( 46) spaced around the circumference of the detonation chambers (48). The pulse detonation system (34) further includes a shaft (30) rotatably connected to the cylindrical element (36), and a stator (62) made around the surface (38), the surface (40), and the surface (42) of the cylindrical element (36), and part of the shaft (30). The stator (62) has at least one group of holes (74) formed therein, which are sequentially aligned with the detonation chambers (48) when the element (36) rotates. Thus, detonation cycles are performed in the chambers (48) of each detonation stage, so that the reaction forces induced by the detonation cycles create a torque that causes the element (36) to rotate. Each chamber (48) includes a first open end (50) located adjacent to the outer surface (42) of the element (36) and a second closed end (52) located in the middle of the element (36). This version of the impulse detonation system (34) is interesting in that the chambers (48) in it are interconnected so that the detonation shock wave from one chamber (48) is transmitted to another, located nearby chamber (48) through the internal passages (102), moreover, so that the end of one chamber (48) is connected by an internal passage (102) with the beginning of another, next, adjacent chamber (48).
Основными недостатками системы импульсной детонации (34) являются:The main disadvantages of the pulse detonation system (34) are:
1. Детонационные камеры (48) работают строго поочередно, и последовательно, одна за другой, по замкнутой круговой цепочке. То есть в каждый момент времени из всех камер (48) срабатывает только одна камера (48), затем следующая, рядом расположенная, и т.д., что не позволяет получить в данной системе импульсной детонации (34) высокого значения мощности. При этом не возможно значительно повысить частоту срабатывания камер (48) с целью повышения среднеинтегрального значения мощности всей системы импульсной детонации (34), так как истечение продуктов детонационного сгорания из камер (48), и последующее заполнение их свежей порцией окислительного, а так же и горючего вещества осуществляется последовательно, поочередно через одно, и тоже проходное сечение камеры (48). При этом инерционность процессов: истечения продуктов сгорания, понижения давления в камерах (48) при истечении продуктов сгорания, а так же заполнения их свежими порциями окислительного и горючего вещества будет существенно препятствовать увеличению частоты рабочих циклов камеры (48).1. Detonation chambers (48) operate strictly alternately, and sequentially, one after another, in a closed circular chain. That is, at each moment of time from all chambers (48), only one chamber (48) is triggered, then the next one located nearby, etc., which does not allow obtaining a high power value in this system of impulse detonation (34). At the same time, it is not possible to significantly increase the frequency of operation of the chambers (48) in order to increase the average integral value of the power of the entire pulse detonation system (34), since the outflow of detonation combustion products from the chambers (48), and their subsequent filling with a fresh portion of the oxidizing, as well as the combustible substance is carried out sequentially, alternately through one, and the same flow section of the chamber (48). In this case, the inertia of the processes: the outflow of combustion products, a decrease in pressure in the chambers (48) during the outflow of combustion products, as well as filling them with fresh portions of an oxidizing and combustible substance, will significantly hinder an increase in the frequency of the working cycles of the chamber (48).
2. Сложность синхронизации скорости вращения цилиндрического элемента (36) относительно статор (62) с моментами: процессов продувки камер (48), процессов заполнения их воздухом (35) через каналы (74), и топливом через каналы (76), процесса передачи ударной волны детонации с помощью внутреннего прохода (102) из одной камеры (48) в другую камеру (48), а так же процесса выхлопа продуктов детонационного горения через сопла (78), установленные в статоре (62). Решение столь сложной задачи синхронизации перечисленных взаимосвязанных моментов рабочих процессов системы импульсной детонации (34) со скоростью вращения ее элемента (36) относительно статор (62) на практике крайне маловероятно, если совсем не возможно, так как время реализации каждого из этих процессов в отдельности крайне мало (доли микросекунд), а каждый из этих процессов может иметь разные по абсолютному значению времени погрешности (особенно если учесть колебания давления в потоках воздуха (35) за секцией (20) вентилятора, и за бустерным компрессором (28)), суммарные значения которых при вероятностном сложении приведут к полному рассогласованию даже сверхэффективной электронной системы управления работой системы импульсной детонации (34). То есть надежность работы системы импульсной детонации (34) крайне низка, и критична, а ее практическое использование не допустимо, особенно в авиационных ДУ, как это показано в описании данного патента на Фиг. 1.2. The complexity of synchronizing the speed of rotation of the cylindrical element (36) relative to the stator (62) with the moments: the processes of blowing the chambers (48), the processes of filling them with air (35) through the channels (74), and fuel through the channels (76), the process of transferring the shock detonation waves using an internal passage (102) from one chamber (48) to another chamber (48), as well as the process of exhausting detonation combustion products through nozzles (78) installed in the stator (62). The solution of such a complex problem of synchronization of the listed interrelated moments of the working processes of the pulsed detonation system (34) with the speed of rotation of its element (36) relative to the stator (62) in practice is extremely unlikely, if not at all possible, since the time of implementation of each of these processes individually is extremely is small (fractions of microseconds), and each of these processes can have errors that are different in absolute value of time (especially if we take into account pressure fluctuations in the air flows (35) behind the fan section (20) and behind the booster compressor (28)), the total values of which are with probabilistic addition will lead to a complete mismatch of even an ultra-efficient electronic control system for the operation of the pulse detonation system (34). That is, the operational reliability of the pulse detonation system (34) is extremely low and critical, and its practical use is not permissible, especially in aircraft propulsion systems, as shown in the description of this patent in FIG. one.
3. Большие газодинамические потери энергии (скорости и давления) в потоках воздуха (35) при развороте их в статоре (62) под прямым углом для входа в камеры (48), а так же большие газодинамические потери энергии потоков продуктов детонации (детонационных волн (99)) при истечении их из камер (48) со звуковой/сверхзвуковой скоростью, с разворотом под прямым углом в статоре (62), перед входом в сопла (78).3. Large gas-dynamic energy losses (velocity and pressure) in air flows (35) when they turn in the stator (62) at right angles to enter the chambers (48), as well as large gas-dynamic energy losses of detonation product flows (detonation waves ( 99)) when they outflow from the chambers (48) at a sound / supersonic speed, with a turn at right angles in the stator (62), before entering the nozzles (78).
Обозначенные газодинамические потери энергии (скоростной кинетической, и потенциальной давления) в потоках воздуха (35) и в звуковых/сверхзвуковых потоках продуктов детонации (детонационных волн (99)) действительно очень велики, особенно в истекающих продуктах детонации, так как обусловлены возникновением еще и системы скачков уплотнения. Очевидно, что все эти потери энергии потоков рабочего тела способствуют существенному снижению мощности и экономичности работы системы импульсной детонации (34). А если быть точным, то газодинамика процесса звукового/сверхзвукового истечения продуктов детонации из камер (48), ставит под сомнение работоспособность системы импульсной детонации (34) в целом.The indicated gas-dynamic energy losses (high-speed kinetic and potential pressure) in air flows (35) and in sound / supersonic flows of detonation products (detonation waves (99)) are really very large, especially in the outflowing detonation products, since they are also caused by the emergence of the system shock waves. It is obvious that all these energy losses of the working fluid flows contribute to a significant decrease in the power and efficiency of the pulsed detonation system (34). To be precise, the gas dynamics of the process of sound / supersonic outflow of detonation products from chambers (48) casts doubt on the operability of the pulsed detonation system (34) as a whole.
4. Детонационные камеры (48) выполнены прямолинейными, и в их проточных трактах отсутствуют какие либо устройства, обеспечивающие минимизацию протяженности преддетонационного времени, и преддетонационного участка, на котором возникает процесс детонационного горения ТВС. В описании данного патента на Фиг. 1-13 представлены варианты конструкций системы импульсной детонации (34) с прямолинейными детонационными камерами (48), а так же сказано, что они могут быть изогнутыми по их центральной оси. Известно, что в коротких прямолинейных камерах сгорания организовать детонационное горение ТВС крайне затруднительно, а порой и не возможно, так как протяженность преддетонационного участка в камере сгорания, на котором "зарождается" процесс детонации очень велика, и может быть равна, или больше длинны самой камеры сгорания. Так, для детонационной камеры сгорания диаметром 30 мм длина преддетонационного участка может составлять до 100 калибров, что в практических целях не представляет интереса. Как правило, для сокращения протяженности преддетонационного времени и соответствующего участка камеры сгорания применяют различные технические приемы решения (например, стенки камеры сгорания делают с сильно повышенной шероховатостью, или в проточный тракт камеры сгорания вставляют закрученную по спирали проволоку, или делают специальные выступы и препятствия потоку продуктов сгорания. Некоторое искривление центральной оси камеры сгорания способствует сокращению протяженности преддетонационного времени и длины участка камеры сгорания, однако это сокращение становится более эффективным в сочетании с другими мероприятиями в камере сгорания, в том числе и газодинамическими (например, пересечение плотных, высокоскоростных потоков окислительного и/или горючего вещества в определенный момент времени, и в определенных сечениях проточного тракта камеры сгорания, с целью их турболизации, и возникновения скачков уплотнения). В вариантах конструкций системы импульсной детонации (34) все эти аспекты отсутствуют, что в принципе ставит под сомнение ее работоспособность.4. Detonation chambers (48) are straight-line, and there are no devices in their flow paths that ensure minimization of the pre-detonation time and pre-detonation section, where the process of detonation combustion of fuel assemblies occurs. In the description of this patent in FIG. 1-13, design options for a pulse detonation system (34) with rectilinear detonation chambers (48) are presented, and it is also said that they can be bent along their central axis. It is known that it is extremely difficult to organize detonation combustion of fuel assemblies in short rectilinear combustion chambers, and sometimes it is not possible, since the length of the pre-detonation section in the combustion chamber, on which the detonation process "originates", is very large, and can be equal to or longer than the length of the chamber itself combustion. So, for a detonation combustion chamber with a diameter of 30 mm, the length of the pre-detonation section can be up to 100 calibers, which is not of interest for practical purposes. As a rule, to reduce the length of the pre-detonation time and the corresponding section of the combustion chamber, various technical solutions are used (for example, the walls of the combustion chamber are made with a strongly increased roughness, or a spiral-wound wire is inserted into the flow path of the combustion chamber, or special protrusions and obstacles to the flow of products are made Some curvature of the central axis of the combustion chamber contributes to a reduction in the length of the pre-detonation time and the length of the section of the combustion chamber, however, this reduction becomes more effective in combination with other measures in the combustion chamber, including gas-dynamic (for example, the intersection of dense, high-speed streams of oxidizing and / or a combustible substance at a certain point in time, and in certain sections of the flow path of the combustion chamber, in order to turbolize them, and the occurrence of shock waves) .In the design options of the pulse detonation system (34), all these aspects kty are absent, which, in principle, casts doubt on its performance.
5. Технические решения по конструкции камер (48) не обеспечивают достаточно быстрое их заполнение, как воздухом (35), так и горючим, а так же не обеспечивают быстрое образование качественной, детонационно способной смеси. Эти обстоятельства существенно уменьшают интенсивность и частоту работы системы импульсной детонации (34), что снижает ее мощность и экономичность работы в целом.5. Technical solutions for the design of the chambers (48) do not provide a sufficiently fast filling, both with air (35) and fuel, and also do not provide for the rapid formation of a high-quality, detonation-capable mixture. These circumstances significantly reduce the intensity and frequency of operation of the pulsed detonation system (34), which reduces its power and efficiency of operation in general.
Техническими результатами заявляемого изобретения являются: повышение мощности, экономичности, и надежности работы Роторного детонационного газотурбинного двигателя.The technical results of the claimed invention are: increased power, efficiency, and reliability of the rotary detonation gas turbine engine.
Вышеуказанные технические результаты достигается тем, что в Роторном детонационном газотурбинном двигателе ротор выполнен в виде центробежного колеса с профилированными лопатками, закрытыми жестко по верхней кромке покрывным диском, с образованием закрытых сверху центробежных каналов, на выходе из которых установлено по окружности тангенциально, жестко и герметично, в плоскости вращения ротора, четное количество однонаправленных детонационных камер сгорания, по крайней мере, не менее четырех, каждая из которых представляет собой трубу постоянного сечения, открытую полностью с одного конца, и закрытую наглухо, прочно и герметично с другого конца полусферическим, выпуклым наружу днищем, оснащенным форсункой горючего вещества, а проточный тракт каждой камеры сгорания оснащен коллекторами с форсунками горючего вещества, при этом каждая камер сгорания оснащена автономной запальной системой инициирования детонационного горения смеси окислительного и горючего вещества, предназначенной только для первоначальных и повторных запусков двигателя, и выполнена с изгибом ее продольной оси по радиусу в плоскости вращения ротора, причем так, что ее концы направлены в сторону оси вращения ротора, а между собой все камеры сгорания соединены жестко, с образованием единого кольцевого открытого проточного тракта таким образом, что полусферическая полость в днище каждой камеры сгорания соединена с выходным сечением проточного тракта другой, рядом расположенной по направлению вращения ротора камеры сгорания детонационным каналом, а центробежное колесо выполнено с основными лопатками, имеющими полную длину их верхней кромки, от входа до выхода, а так же со вспомогательными лопатками, укороченными со стороны входа центробежного колеса по потоку, причем каждая вспомогательная лопатка расположена между двумя основными лопатками, при этом основные и вспомогательные лопатки выполнены на выходе из центробежного колеса с замкнутыми профилированными полостями, соединенными каналами горючего вещества с форсунками и коллекторами горючего вещества, причем число входных каналов центробежного колеса четное, и равно числу камер сгорания, по крайней мере, не менее четырех, а число выходных каналов центробежного колеса четное, по крайней мере, вдвое больше числа его входных каналов, и числа камер сгорания, при этом в ближайшей к выходным каналам боковой стенке каждой камеры сгорания, выполненной с меньшим радиусом изгиба, выполнены сквозные отверстия, в которые входят, по крайней мере, не менее двух выходных каналов центробежного колеса.The above technical results are achieved by the fact that in a rotary detonation gas turbine engine, the rotor is made in the form of a centrifugal wheel with profiled blades, rigidly closed along the upper edge by a cover disk, with the formation of centrifugal channels closed from above, at the exit from which they are installed along the circumference tangentially, rigidly and tightly, in the plane of rotation of the rotor, an even number of unidirectional detonation combustion chambers, at least four, each of which is a pipe of constant cross-section, completely open at one end, and closed tightly, firmly and tightly at the other end with a hemispherical, convex bottom equipped with a fuel nozzle, and the flow path of each combustion chamber is equipped with manifolds with fuel nozzles, while each combustion chamber is equipped with an autonomous ignition system for initiating detonation combustion of a mixture of oxidizing and combustible substances, designed only for initial and repeated engine starts, and is made with a bend of its longitudinal axis along the radius in the plane of rotation of the rotor, and so that its ends are directed towards the axis of rotation of the rotor, and all combustion chambers are rigidly connected to each other, with the formation of a single annular open flow path in such a way that the hemispherical cavity in the bottom of each combustion chamber is connected to the outlet section of the flow path of another, adjacent to the detonation channel located in the direction of rotation of the combustion chamber rotor, and the centrifugal wheel is made with main blades having the full length of their upper edge, from inlet to outlet, as well as with auxiliary blades shortened from the side of the centrifugal wheel inlet downstream, with each auxiliary blade located between two main blades, while the main and auxiliary blades are made at the outlet of the centrifugal wheel with closed profiled cavities connected by fuel channels and with fuel injectors and manifolds, where the number of inlet channels of the centrifugal wheel is even, and equal to the number of combustion chambers, at least four, and the number of outlet channels of the centrifugal wheel is even, at least twice the number of its inlet channels, and the number of combustion chambers, while in the side wall of each combustion chamber closest to the outlet channels, made with a smaller bending radius, through holes are made, into which at least two outlet channels of the centrifugal wheel enter.
В частных вариантах реализации изобретений, в целях дальнейшего повышения надежности работы Роторного детонационного газотурбинного двигателя:In particular embodiments of the inventions, in order to further improve the reliability of the Rotary Detonation Gas Turbine Engine:
- труба каждой камеры сгорания выполнена профилированной в поперечном сечении;- the pipe of each combustion chamber is profiled in cross section;
- коллектора проточного тракта каждой камеры сгорания выполнены кольцеобразной формы, в виде шпангоутов;- the collectors of the flow path of each combustion chamber are made of an annular shape, in the form of frames;
- коллектора проточного тракта каждой камеры сгорания выполнены продольной формы, в виде стрингеров;- the collectors of the flow path of each combustion chamber are made of a longitudinal shape, in the form of stringers;
- радиус изгиба продольной оси камеры сгорания определяется численным моделированием из условия эффективного инициирования в камере сгорания с помощью ударной волны детонации детонационного горения смеси окислительного и горючего вещества;- the bending radius of the longitudinal axis of the combustion chamber is determined by numerical simulation from the condition of effective initiation in the combustion chamber with the help of a shock wave of detonation of detonation combustion of a mixture of oxidizing and combustible substances;
- камеры сгорания выполнены с расширением их выходного сечения, в виде сверхзвуковой части сопла Лаваля;- the combustion chambers are made with an expansion of their outlet section, in the form of a supersonic part of the Laval nozzle;
- камеры сгорания выполнены с расширением от кромки их полусферического днища до их выходного сечения, в виде сверхзвуковой части сопла Лаваля;- the combustion chambers are made with an expansion from the edge of their hemispherical bottom to their outlet section, in the form of a supersonic part of the Laval nozzle;
- детонационные каналы выполнены профилированными в продольном, и поперечном сечениях;- detonation channels are profiled in longitudinal and cross sections;
- горючее вещество поступает в форсунки камер сгорания через систему отверстий, выполненных в валу, в задней стенке и профилированных полостях лопаток центробежного колеса;- the combustible substance enters the nozzles of the combustion chambers through a system of holes made in the shaft, in the rear wall and profiled cavities of the blades of the centrifugal wheel;
- лопатки центробежного колеса выполнены профилированными, с углом наклона на выходе от радиального направления в сторону, противоположную вращения ротора, причем угол наклона определяется путем численного моделирования из условия обеспечения стационарного течения окислительного вещества во входных каналах центробежного колеса, и условия минимизации времени заполнения камер сгорания окислительным веществом.- the blades of the centrifugal wheel are profiled, with an angle of inclination at the outlet from the radial direction in the direction opposite to the rotation of the rotor, and the angle of inclination is determined by numerical modeling from the condition of ensuring a steady flow of oxidizing agent in the input channels of the centrifugal wheel, and the condition of minimizing the time of filling the combustion chambers with oxidizing substance.
Вышеуказанные технические результаты достигается также тем, что в заявляемом способе детонационного горения в Роторном детонационном газотурбинном двигателе окислительное вещество подают во входные каналы закрытого центробежного колеса ротора, в котором окислительное вещество сжимают с повышением его температуры, давления, плотности и скорости, и направляют через выходные каналы центробежного колеса в детонационные камеры сгорания ротора, где происходит его смешение с горючим веществом, с образованием их детонационноспособной смеси, при этом запуск работы двигателя осуществляют инициированием детонационного горения смеси в камерах сгорания с помощью автономной запальной системы, причем только одноразовым и одновременным инициированием детонационного горения смеси в одной половине камер сгорания ротора, чередующихся с камерами сгорания его другой половины, а после запуска двигателя, в процессе его работы последующие инициирования детонационного горения смеси в каждой половине камер сгорания ротора осуществляют в каждый момент времени с помощью ударных волн детонации, направляемых из полусферических полостей одной половины детонирующих камер сгорания через детонационные каналы в выходные сечения проточных трактов другой половины камер сгорания ротора, при этом детонационный цикл работы каждой половины камер сгорания ротора осуществляют попеременно, в противофазе, синхронно с детонационным циклом работы его другой половины камер сгорания, причем в автомодельном режиме, и с высокой частотой, при этом высоким давлением продуктов сгорания, возникающим в каждый момент времени в каждой половине детонирующих камер сгорания осуществляют кратковременное запирание выходных каналов центробежного колеса, входящих в эти детонирующие камеры сгорания, а с помощью вспомогательных лопаток центробежного колеса осуществляют перенаправление потоков окислительного вещества через не запертые выходные каналы в другую половину камер сгорания, при этом продукты сгорания из каждой половины камер сгорания ротора направляют попеременно истекать со звуковой/сверхзвуковой скоростью в окружающую атмосферу, с образованием активно-реактивного импульса силы, обеспечивающего непрерывное вращение ротора двигателя, при этом течение окислительного вещества во входных каналах центробежного колеса при кратковременном попеременном запирании каждой половины его выходных каналов осуществляют непрерывным, стационарным, а синхронизацию и автомодельный режим работы ротора с заданной частотой вращения, заданной мощностью, и заданной маркой используемого горючего вещества обеспечивают с помощью подбора геометрических и расходных характеристик закрытого центробежного колеса, и детонационных камер сгорания, причем с учетом режимов их совместной работы.The above technical results are also achieved by the fact that in the inventive method of detonation combustion in a rotary detonation gas turbine engine, an oxidizing agent is fed into the inlet channels of a closed centrifugal rotor wheel, in which the oxidizing agent is compressed with an increase in its temperature, pressure, density and speed, and is directed through the outlet channels centrifugal wheel into the detonation combustion chambers of the rotor, where it is mixed with a combustible substance, with the formation of their detonation-capable mixture, while the engine is started by initiating detonation combustion of the mixture in the combustion chambers using an autonomous ignition system, and only by one-time and simultaneous initiation of detonation combustion of the mixture in one half of the combustion chambers of the rotor, alternating with the combustion chambers of its other half, and after starting the engine, during its operation, subsequent initiation of detonation combustion of the mixture in each half of the combustion chambers The rotor is driven at each moment of time with the help of detonation shock waves directed from the hemispherical cavities of one half of the detonating combustion chambers through the detonation channels into the outlet sections of the flow paths of the other half of the rotor combustion chambers, while the detonation cycle of operation of each half of the rotor combustion chambers is carried out alternately, in antiphase, synchronously with the detonation cycle of operation of its other half of the combustion chambers, and in a self-similar mode, and with a high frequency, while the high pressure of the combustion products arising at each time in each half of the detonating combustion chambers short-term closure of the outlet channels of the centrifugal wheel included into these detonating combustion chambers, and with the help of the auxiliary blades of the centrifugal impeller, the flow of oxidizing agent is redirected through the unlocked outlet channels to the other half of the combustion chambers, while the combustion products from each half of the combustion chambers The rotor combustion ep is directed to alternately flow out at a sonic / supersonic speed into the surrounding atmosphere, with the formation of an active-reactive force pulse, providing continuous rotation of the engine rotor, while the flow of oxidizing substance in the input channels of the centrifugal wheel with short-term alternating locking of each half of its output channels is continuous stationary, and the synchronization and self-similar operation of the rotor with a given rotational speed, a given power, and a given brand of the used fuel is provided by selecting the geometric and flow characteristics of a closed centrifugal wheel and detonation combustion chambers, taking into account the modes of their joint operation.
Сущность технических решений поясняется графическими материалами, представленными на Фиг. 1-7.The essence of the technical solutions is illustrated by graphical materials presented in FIG. 1-7.
На Фиг. 1 представлено Фото 1 общего вида Роторного детонационного газотурбинного двигателя со вскрытым частично покрывным диском (изображенным полупрозрачным), и несколькими вскрытыми, примерно на 
На Фиг. 2 представлено Фото 2 Роторного детонационного газотурбинного двигателя (в разрезе 
На чертеже Фиг. 3 изображен Роторный детонационный газотурбинный двигатель, представленный на Фото 1, со вскрытым частично покрывным диском, и несколькими вскрытыми, примерно на 
На чертеже Фиг. 4 изображен Роторный детонационный газотурбинный двигатель, представленный на Фото 2 (в разрезе 
На чертеже Фиг. 5 изображено радиальное сечение Роторного детонационного газотурбинного двигателя в плоскости оси симметрии его детонационных камер сгорания.In the drawing, FIG. 5 shows a radial section of a rotary detonation gas turbine engine in the plane of the axis of symmetry of its detonation combustion chambers.
На чертеже Фиг. 6 изображен увеличенный фрагмент Роторного детонационного газотурбинного двигателя, представленного на Фиг 5.In the drawing, FIG. 6 is an enlarged detail of the Rotary Detonation Gas Turbine Engine of FIG. 5.
На Фиг. 7 представлено Фото 3 общего вида Роторного детонационного газотурбинного двигателя со вскрытым частично покрывным диском (изображенным полупрозрачным), и несколькими вскрытыми, примерно на 
Роторный детонационный газотурбинный двигатель содержит вал (1), выполненный с возможностью вращения в подшипниковых опорах (не показаны), на котором установлен жестко, например, с помощью шлицов, ротор, выполненный в виде моноблока, содержащего закрытое покрывным диском (2) центробежное колесо (3), выполненное с основными лопатками (4), имеющими полную длину их верхней кромки, от входа до выхода из центробежного колеса (3), и вспомогательными лопатками (5), укороченными со стороны входа центробежного колеса (3) по потоку. Каждая лопатка (5) расположена между двумя лопатками (4). Входные каналы (6) центробежного колеса (3) образованы с помощью диска (2) и лопаток (4), а его выходные каналы (7) образованы с помощью диска (2), лопаток (4) и (5), причем число входных каналов (6) четное, по крайней мере, не менее четырех, а число выходных каналов (7) так же четное, по крайней мере, вдвое больше числа его входных каналов (6). На концах лопаток (4) и (5) выполнены профилированные, расширяющиеся к их концам полости (8) и (9) соответственно. По периферии центробежного колеса (3), на концах его выходных каналов (7) установлены по окружности тангенциально, жестко и герметично, в плоскости вращения ротора, однонаправленные детонационные камеры сгорания (10), число которых четное, и равно числу входных каналов (6), и в два раза меньше числа выходных каналов (7). Каждая камера сгорания (10) выполнена в виде трубы постоянного сечения, открытой полностью с одного конца, и закрытой наглухо, прочно и герметично с другого конца полусферическим, выпуклым наружу днищем (11) с полусферической полостью (12). Днище (11) оснащено форсункой (13) горючего вещества, а проточный тракт каждой камеры сгорания (10) оснащен поперечными коллекторами (14) кольцеобразной формы, выполненными в виде шпангоутов, и продольными коллекторами (15), выполненными в виде стрингеров, при этом коллектора (14) и (15) выполнены с форсунками горючего вещества. Каждая камера сгорания (10) выполнена с изгибом ее продольной оси по радиусу, в плоскости вращения ротора, причем так, что ее концы направлены в сторону оси вращения ротора, а между собой все камеры сгорания (10) соединены жестко, с образованием единого, кольцевого, открытого проточного тракта таким образом, что полусферическая полость (12) каждой камеры сгорания (10) соединена с выходным сечением проточного тракта другой, рядом расположенной по направлению вращения ротора, камеры сгорания (10) детонационным каналом (16). Детонационные каналы (16) выполнены профилированными в продольном, и поперечном сечениях, и расположены с заданным углом наклона относительно соединяемых камер сгорания (10). Центробежные каналы (7) входят в боковые вырезы камер сгорания (10), выполненные на внутреннем радиусе их изгиба, причем в каждую камеру (10) входит, по крайней мере, ни менее двух каналов (7). Лопатки (4) и (5) выполнены профилированными, и на выходе выполнены с углом наклона от радиального направления в сторону, противоположную вращения ротора, причем угол наклона определяется путем комплексного моделирования из условия стационарности течения окислительного вещества, как на входе в каналы (6), так и в самих каналах центробежного колеса (3), а так же из условия минимизации времени заполнения камер сгорания (10) окислительным веществом. Каждая камера сгорания (10) оснащена автономной запальной системой (17) инициирования детонационного горения смеси окислительного и горючего вещества, предназначенной только для первоначального и повторных запусков работы двигателя, и представляет собой устройство генерации мощного факела пламени, или мощного искрового разряда, например, от форкамерной свечи зажигания, или лазерной системы. В Роторном детонационном газотурбинном двигателе одноразового использования запальная система (17) может быть оснащена небольшими зарядами твердого детонирующего вещества. Каналы (18) и (19), выполненные в валу (1), и каналы (20) и (21), выполненные в задней стенке центробежного колеса (3), а так же полости (8) и (9), выполненные с каналами горючего на концах лопаток (4) и (5), предназначены для подачи горючего вещества в струйные форсунки (13), а так же и в коллектора (14) и (15) камер сгорания (10). Детонационные камеры сгорания (10) могут быть выполнены с расширением к выходу, от края их полусферического днища (11) к их выходному сечению, а так же со сверхзвуковыми соплами Лаваля.The rotary detonation gas turbine engine contains a shaft (1), made with the possibility of rotation in bearing supports (not shown), on which it is rigidly mounted, for example, using splines, a rotor made in the form of a monoblock containing a centrifugal wheel ( 3), made with main blades (4) having the full length of their upper edge, from inlet to outlet of the centrifugal wheel (3), and auxiliary blades (5), shortened from the side of the centrifugal wheel (3) inlet downstream. Each blade (5) is located between two blades (4). The input channels (6) of the centrifugal wheel (3) are formed by means of a disk (2) and blades (4), and its outlet channels (7) are formed by means of a disk (2), blades (4) and (5), and the number of input channels (6) are even, at least not less than four, and the number of output channels (7) is also even, at least twice the number of its input channels (6). At the ends of the blades (4) and (5), profiled cavities (8) and (9), expanding towards their ends, are made, respectively. Along the periphery of the centrifugal wheel (3), at the ends of its outlet channels (7), tangentially, rigidly and tightly, in the plane of rotation of the rotor, unidirectional detonation combustion chambers (10), the number of which is even, and equal to the number of inlet channels (6) , and half the number of output channels (7). Each combustion chamber (10) is made in the form of a pipe of constant cross-section, completely open at one end, and closed tightly, firmly and tightly at the other end with a hemispherical, outwardly convex bottom (11) with a hemispherical cavity (12). The bottom (11) is equipped with a fuel nozzle (13), and the flow path of each combustion chamber (10) is equipped with annular transverse collectors (14), made in the form of frames, and longitudinal collectors (15), made in the form of stringers, while the collector (14) and (15) are made with fuel injectors. Each combustion chamber (10) is made with a bend of its longitudinal axis along the radius, in the plane of rotation of the rotor, and so that its ends are directed towards the axis of rotation of the rotor, and all combustion chambers (10) are rigidly connected to each other, with the formation of a single, annular , open flow path in such a way that the hemispherical cavity (12) of each combustion chamber (10) is connected to the outlet section of the flow path of another combustion chamber (10) located nearby in the direction of rotation of the rotor by a detonation channel (16). Detonation channels (16) are profiled in longitudinal and cross sections, and are located with a predetermined angle of inclination relative to the connected combustion chambers (10). The centrifugal channels (7) enter the side cutouts of the combustion chambers (10), made on the inner radius of their bending, and each chamber (10) includes at least two channels (7). The blades (4) and (5) are profiled, and at the outlet are made with an angle of inclination from the radial direction to the side opposite to the rotation of the rotor, and the angle of inclination is determined by complex modeling from the condition of the stationarity of the flow of the oxidizing substance, as at the entrance to the channels (6) , and in the channels of the centrifugal wheel (3) themselves, as well as from the condition of minimizing the time of filling the combustion chambers (10) with an oxidizing agent. Each combustion chamber (10) is equipped with an autonomous ignition system (17) for initiating detonation combustion of a mixture of oxidizing and combustible substances, intended only for initial and repeated engine starts, and is a device for generating a powerful flame torch, or a powerful spark discharge, for example, from a pre-chamber spark plugs, or laser system. In a single-use rotary detonation gas turbine engine, the ignition system (17) can be equipped with small charges of solid detonating substance. Channels (18) and (19), made in the shaft (1), and channels (20) and (21), made in the rear wall of the centrifugal wheel (3), as well as cavities (8) and (9), made with fuel channels at the ends of the blades (4) and (5) are designed to supply fuel to the jet nozzles (13), as well as to the collectors (14) and (15) of the combustion chambers (10). Detonation combustion chambers (10) can be made with expansion towards the outlet, from the edge of their hemispherical bottom (11) to their outlet section, as well as with supersonic Laval nozzles.
Роторный детонационный газотурбинный двигатель функционирует следующим образом.The rotary detonation gas turbine engine operates as follows.
В процессе работы Роторного детонационного газотурбинного двигателя в каждый промежуток времени детонационный термодинамический цикл отрабатывает только одна половина камер сгорания (10) ротора, чередующихся с его другой половиной камер сгорания (10). То есть в определенный промежуток времени в одной половине камер (10) осуществляется цикл детонационного сгорания смеси окислительного и горючего вещества, и истечение продуктов ее сгорания с образованием активно-реактивного импульса силы, обеспечивающего вращение ротора двигателя, а в другой половине камер (10) осуществляется их заполнение окислительным и горючим веществом.In the process of operation of the Rotary Detonation Gas Turbine Engine, at each time interval, the detonation thermodynamic cycle operates only one half of the combustion chambers (10) of the rotor, alternating with its other half of the combustion chambers (10). That is, at a certain period of time in one half of the chambers (10), a cycle of detonation combustion of a mixture of oxidizing and combustible substances is carried out, and the outflow of its combustion products with the formation of an active-reactive force impulse that ensures the rotation of the engine rotor, and in the other half of the chambers (10) their filling with an oxidizing and combustible substance.
Для удобства рассмотрения функционирования заявленного Роторного детонационного газотурбинного двигателя каждая половина камер (10), и соответствующая им половина каналов (7), обеспечивающих поступление потоков окислительного вещества в данные камеры (10), обозначены на Фиг. 1-7 соответственно через индексы I и II. То есть сначала срабатывает одна половина камер (10) - I с соответствующей им половиной каналов (7) - I. Затем, в противофазе по времени, срабатывает другая половина камер (10) - II с соответствующей им половиной центробежных каналов (7) - П.For convenience in considering the operation of the claimed Rotary Detonation Gas Turbine Engine, each half of the chambers (10) and the corresponding half of the channels (7) providing the flow of oxidizing agent into these chambers (10) are indicated in FIG. 1-7, respectively, through indices I and II. That is, first, one half of the chambers (10) - I is triggered with the corresponding half of the channels (7) - I. Then, in antiphase in time, the other half of the chambers (10) - II is triggered with the corresponding half of the centrifugal channels (7) - P ...
Запуск Роторного детонационного газотурбинного двигателя начинают с раскрутки его ротора на валу (1) с помощью вспомогательной силовой установки (ВСУ), или набегающим потоком окислительного вещества до заданной скорости вращения, при которой поступающий из окружающей среды во входные каналы (6) центробежного колеса (3) поток окислительного вещества сжимают с повышением его температуры, давления, плотности и скорости. При этом на выходе из центробежных выходных каналов (7) окислительное вещество достигает степени сжатия, обеспечивающей его высокое давление на входе в камеры сгорания (10). В этот момент времени системой управления двигателем (не показано) включается подача горючего вещества (например, газообразного ацетилена, пропана, бутана, или метана, и т.п.), которое через каналы (18) и (19) вала (1), каналы (20) и (21) задней стенки центробежного колеса (3), полости (8) и (9) лопаток (4) и (5), а так же через струйные форсунки (13), и струйные форсунки коллекторов (14) и (15) начинает поступать в камеры сгорания (10), где интенсивно перемешивается со сжатым окислительным веществом, с образованием детонационноспособной смеси. Одновременно с образованием смеси, в проточный тракт только первой половины камер сгорания (10) - I), ближе к их выходному сечению, запальной системой (17) подается мощный форс пламени, или мощный искровой разряд, причем строго одновременно во все камеры сгорания (10) - I). В результате этого в камерах сгорания (10), и как следствие, в выходных каналах (7) центробежного колеса (3) за очень короткий промежуток времени (за доли микросекунд) происходит последовательно, а так же, и параллельно, сразу несколько различных процессов, характеризующихся мгновенным изменением параметров в потоках окислительного и горючего вещества, и продуктах их сгорания.The start-up of a rotary detonation gas turbine engine begins with the spinning of its rotor on the shaft (1) using an auxiliary power unit (APU), or by an oncoming flow of an oxidizing substance up to a given rotation speed, at which the centrifugal wheel (3 ) the flow of the oxidizing substance is compressed with an increase in its temperature, pressure, density and speed. At the same time, at the outlet from the centrifugal outlet channels (7), the oxidizing agent reaches a compression ratio that ensures its high pressure at the inlet to the combustion chambers (10). At this point in time, the engine control system (not shown) turns on the supply of a combustible substance (for example, gaseous acetylene, propane, butane, or methane, etc.), which through the channels (18) and (19) of the shaft (1), channels (20) and (21) of the rear wall of the centrifugal wheel (3), cavities (8) and (9) of the blades (4) and (5), as well as through the jet nozzles (13), and the jet nozzles of the collectors (14) and (15) begins to enter the combustion chambers (10), where it intensively mixes with the compressed oxidizing agent, with the formation of a detonation-capable mixture. Simultaneously with the formation of the mixture, a powerful flame force, or a powerful spark discharge, is fed into the flow path of only the first half of the combustion chambers (10) - I), closer to their outlet section, by the ignition system (17), and strictly simultaneously into all combustion chambers (10 ) - I). As a result, in the combustion chambers (10), and as a consequence, in the outlet channels (7) of the centrifugal wheel (3) in a very short period of time (in fractions of a microsecond), several different processes occur sequentially, as well as in parallel, characterized by an instantaneous change in parameters in the flows of oxidizing and combustible substances, and in the products of their combustion.
Рассмотрим эти процессы в порядке очередности их событий.Let's consider these processes in the order of priority of their events.
1. При срабатывании запальной системы (17) в выходном сечении проточного тракта каждой камеры сгорания (10) - I, заполненной смесью окислительного и горючего вещества, образуется мощная по амплитуде ударная волна детонации, которая со сверхзвуковой скоростью (порядка 2 км/сек) начинает двигаться в каждой камере сгорания (10) - I в сторону ее днища (11). При этом запальная система (17) отключается, и не участвует в дальнейшей работе двигателя до момента его повторного запуска.1. When the ignition system (17) is triggered in the outlet section of the flow path of each combustion chamber (10) - I, filled with a mixture of oxidizing and combustible substances, a powerful amplitude detonation shock wave is formed, which at a supersonic speed (about 2 km / s) begins move in each combustion chamber (10) - I towards its bottom (11). In this case, the ignition system (17) is turned off and does not participate in the further operation of the engine until it is restarted.
2. Практически одновременно с возникновением мощной ударной волны детонации во всем объеме каждой камеры сгорания (10) - I происходит мгновенное детонационное сгорание со сверхзвуковой скоростью смеси окислительного и горючего вещества, в продуктах сгорания которой мгновенно возрастает давление (в несколько раз, примерно в 18-20 раз). При этом продукты сгорания, "увлекаемые" физикой ударной волны детонации, движутся за ней со звуковой скоростью, перекрывая своим высоким давлением поступление в камеры сгорания (10) - I окислительного вещества через каналы (7) - I, а так же поступление горючего вещества через форсунки (13), и форсунки коллекторов (14) и (15).2. Almost simultaneously with the emergence of a powerful shock wave of detonation in the entire volume of each combustion chamber (10) - I, instant detonation combustion occurs at a supersonic speed of a mixture of oxidizing and combustible substances, in the combustion products of which the pressure instantly increases (several times, approximately by 18 20 times). In this case, the combustion products, "carried away" by the physics of the detonation shock wave, move behind it at a sonic speed, blocking with their high pressure the entry into the combustion chambers (10) - I of the oxidizing substance through channels (7) - I, as well as the entry of the combustible substance through nozzles (13), and manifold nozzles (14) and (15).
3. Мощная ударная волна детонации, и движущиеся за нее, и вместе с ней в каждой камере сгорания (10) - I со звуковой скоростью продукты сгорания достигают днища (11), фокусируются в его полусферической полости (12), и, отражаясь от днища (11) с кратным увеличением давления (примерно в 2 раза), воздействуют на днище (11), и тем самым создают мощный импульс активной силы, обеспечивающий момент вращения ротора на валу (1). При этом определенная, меньшая часть энергии ударной волны детонации, отраженной от днища (11) поступает из каждой камеры сгорания (10) - I через детонационный канал (16) в выходное сечение проточного тракта каждой камеры сгорания (10) - II, расположенной рядом по ходу вращения ротора, и инициирует в каждой камере сгорания (10) - II детонационное сгорание смеси окислительного и горючего вещества, а основная, большая часть энергии отраженной ударной волны детонации вместе с продуктами сгорания движется к выходному сечению камер сгорания (10) - I, и истекает из них со звуковой, или сверхзвуковой скоростью, в зависимости от геометрии выходного сечения камеры сгорания (10), с образованием дополнительного импульса реактивной силы, увеличивающего момент вращения ротора на валу (1). При этом продукты детонационного сгорания, истекающие из камер сгорания (10) - I со звуковой/сверхзвуковой скоростью создают в них разряжение со значительным понижением давления, что способствует резкому поступлению в камеры сгорания (10) - I через каналы (7) - I новых порций окислительного вещества, а через форсунки (13), и форсунки коллекторов (14) и (15) новых порций горючего вещества.3. A powerful shock wave of detonation, and moving behind it, and together with it in each combustion chamber (10) - I with a sonic speed, the combustion products reach the bottom (11), are focused in its hemispherical cavity (12), and, reflecting from the bottom (11) with a multiple increase in pressure (approximately 2 times), act on the bottom (11), and thereby create a powerful impulse of active force, which provides the rotor torque on the shaft (1). In this case, a certain, smaller part of the energy of the detonation shock wave reflected from the bottom (11) comes from each combustion chamber (10) - I through the detonation channel (16) into the outlet section of the flow path of each combustion chamber (10) - II, located next to in the course of rotation of the rotor, and initiates in each combustion chamber (10) - II detonation combustion of a mixture of oxidizing and combustible substances, and the main, most of the energy of the reflected shock wave of detonation, together with the combustion products, moves to the outlet section of the combustion chambers (10) - I, and flows out of them at a sonic or supersonic speed, depending on the geometry of the outlet section of the combustion chamber (10), with the formation of an additional impulse of reactive force, which increases the rotor torque on the shaft (1). In this case, the products of detonation combustion emanating from the combustion chambers (10) - I at a sonic / supersonic speed create a vacuum in them with a significant decrease in pressure, which contributes to a sharp inflow of new portions into the combustion chambers (10) - I through channels (7) - I oxidizing agent, and through the nozzles (13), and the nozzles of the collectors (14) and (15) new portions of the fuel.
4. Одновременно с мгновенным повышением давления продуктов сгорания в камерах сгорания (10) - I центробежные каналы (7) - I на входе в камеры сгорания (10) - I этим давлением мгновенно "запираются". При этом практически весь поток окислительного вещества, поступавший в камеры сгорания (10) - I через выходные каналы (7) - I центробежного колеса (3), с помощью его вспомогательных лопаток (5) синхронно перенаправляют (в обход запертых выходных каналов (7) - I) в другую половину выходных каналов (7) - II центробежного колеса (3), и далее в камеры сгорания (10) - II, в которых поступающее сжатое окислительное вещество смешивается с горючим веществом с образованием их смеси. В момент образования в камерах сгорания (10) - II смеси, во входные сечения их проточных трактов через детонационные каналы (16) "подходят" из камер сгорания (10) - I ударные волны детонации, которые инициируют в камерах сгорания (10) - II процесс детонационного сгорания смеси окислительного и горючего вещества. Таким образом, рабочий процесс детонации в камерах сгорания (10) - I запускает с помощью генерируемых в них ударных волн детонации, процесс инициирования детонационного горения в камерах сгорания (10) - II, которые в свою очередь, отработав детонационный цикл, описанный выше для камер сгорания (10) - I, инициируют своими ударными волнами детонации детонационное сгорание смеси окислительного и горючего вещества в камерах сгорания (10) - I. И так по кругу, поочередно, в противофазе каждая половина камер сгорания (10) отрабатывает цикл детонационного сгорания смеси окислительного и горючего вещества, создавая суммарный мощный активно-реактивный импульс силы для крутящего момента ротора на валу (1).4. Simultaneously with the instantaneous increase in the pressure of the combustion products in the combustion chambers (10) - I, the centrifugal channels (7) - I at the entrance to the combustion chambers (10) - I are instantly "locked" by this pressure. In this case, almost the entire flow of oxidizing substance entering the combustion chambers (10) - I through the outlet channels (7) - I of the centrifugal wheel (3) is synchronously redirected with the help of its auxiliary blades (5) (bypassing the locked outlet channels (7) - I) into the other half of the outlet channels (7) - II of the centrifugal wheel (3), and then into the combustion chambers (10) - II, in which the incoming compressed oxidizing substance is mixed with the combustible substance to form their mixture. At the moment of the formation of the mixture in the combustion chambers (10) - II, detonation shock waves that initiate in the combustion chambers (10) - II "come" from the combustion chambers (10) - I into the inlet sections of their flow paths through the detonation channels (16) the process of detonation combustion of a mixture of oxidizing and combustible substances. Thus, the detonation working process in the combustion chambers (10) - I starts, with the help of the detonation shock waves generated in them, the process of initiating detonation combustion in the combustion chambers (10) - II, which, in turn, after completing the detonation cycle described above for the chambers combustion (10) - I, initiate with their detonation shock waves the detonation combustion of a mixture of oxidizing and combustible substances in the combustion chambers (10) - I. And so in a circle, alternately, in antiphase, each half of the combustion chambers (10) works out the detonation combustion cycle of the oxidizing mixture and a combustible substance, creating a total powerful active-reactive impulse of force for the rotor torque on the shaft (1).
Таким образом, в роторе, за один детонационный цикл работы каждой половины камер сгорания (10) - I, или (10) - II, при мгновенном увеличении в них давления продуктов сгорания, происходит:Thus, in the rotor, during one detonation cycle of operation of each half of the combustion chambers (10) - I, or (10) - II, with an instant increase in the pressure of the combustion products in them, the following occurs:
а) - "запирание" выходных каналов (7) - I, или (7) - II, с перенаправлением потоков окислительного вещества в выходные каналы (7) - II, или (7) - I;a) - "blocking" of the outlet channels (7) - I, or (7) - II, with the redirection of the oxidizing agent flows into the outlet channels (7) - II, or (7) - I;
б) - "запирание" форсунок горючего вещества (13), и форсунок горючего вещества коллекторов (14) и (15) камер сгорания (10) - I, или (10) - II;b) - "locking" of the fuel injectors (13), and the fuel injectors of the collectors (14) and (15) of the combustion chambers (10) - I, or (10) - II;
в) - образование ударных волн детонации для камер сгорания (10) - II, или (10) - I;c) - formation of detonation shock waves for combustion chambers (10) - II, or (10) - I;
г) - образование суммарного активного импульса силы, обеспечивающего момент вращения ротора на валу (1);d) - the formation of the total active impulse of the force, providing the rotor torque on the shaft (1);
д) - снижение давления в камерах сгорания (10) - I, или (10) - II) при истечении из них продуктов сгорания, со снятием "запираний" с выходных каналов (7) - I, или (7) - II) окислительного вещества, и с форсунок (13) горючего вещества, и форсунок горючего вещества коллекторов (14) и (15) камер сгорания (10) - I, или (10) - II);e) - a decrease in pressure in the combustion chambers (10) - I, or (10) - II) during the outflow of combustion products from them, with the removal of "closures" from the outlet channels (7) - I, or (7) - II) oxidizing substances, and from the nozzles (13) of the combustible substance, and the nozzles of the combustible substance of the collectors (14) and (15) of the combustion chambers (10) - I, or (10) - II);
е) - образование суммарного реактивного импульса силы, обеспечивающего дополнительный момент вращения ротора на валу (1).f) - the formation of a total reactive impulse of force, providing an additional torque of the rotor on the shaft (1).
Заполнение камер сгорания (10) сжатыми высокоскоростными потоками окислительного вещества с высоким давлением через их боковые отверстия создает в них высокую турбулентность, и способствует:Filling the combustion chambers (10) with compressed high-speed high-pressure oxidizing agent flows through their side openings creates high turbulence in them, and contributes to:
- быстрому заполнению камер сгорания (10) окислительным веществом;- rapid filling of the combustion chambers (10) with an oxidizing agent;
- быстрому и лучшему смесеобразовавнию;- faster and better mixing;
- существенному сокращению преддетонационного расстояния, и преддетонационного времени возникновения детонационного горения.- a significant reduction in the pre-detonation distance, and the pre-detonation time of the onset of detonation combustion.
В совокупности это способствуют существенному уменьшению длины камер сгорания (10), и увеличению частоты циклов их работы.Taken together, this contributes to a significant decrease in the length of the combustion chambers (10), and an increase in the frequency of their operation cycles.
Коллектора (13) и (14) с форсунками горючего вещества выполняют в камерах сгорания (10) несколько функций:Collectors (13) and (14) with fuel injectors perform several functions in combustion chambers (10):
- во-первых, обеспечивают быстрое и качественное смесеобразование окислительного и горючего вещества;- firstly, they provide fast and high-quality mixture formation of oxidizing and combustible substances;
- во-вторых, обеспечивают своими выступами (препятствиями) в проточном тракте камер сгорания (10) формирование устойчивой турбулентности в смеси, и устойчивую зону скачков уплотнения, что способствует стабилизации ударной волны детонации в камерах сгорания (10), и существенному сокращению преддетонационного расстояния, и преддетонационного времени возникновения детонационного горения в них;- secondly, they provide with their protrusions (obstacles) in the flow path of the combustion chambers (10) the formation of stable turbulence in the mixture, and a stable zone of shock waves, which contributes to the stabilization of the detonation shock wave in the combustion chambers (10), and a significant reduction in the pre-detonation distance, and the pre-detonation time of the occurrence of detonation combustion in them;
- в третьих, повышают прочностные характеристики камер сгорания (10);- thirdly, they increase the strength characteristics of the combustion chambers (10);
- в четвертых, выполнение в выходном сечении проточного тракта камер сгорания (10) последнего (по ходу истечения продуктов сгорания) коллектора (14) в виде критического сечения позволяет получить сверхзвуковую скорость истечения продуктов сгорания при небольшой степени расширения истекающего потока.- fourthly, the execution in the outlet section of the flow path of the combustion chambers (10) of the last (in the course of the outflow of combustion products) collector (14) in the form of a critical section makes it possible to obtain a supersonic velocity of the outflow of combustion products with a small degree of expansion of the outflow flow.
Первые два фактора в совокупности способствуют существенному уменьшению длины камеры сгорания (10), и увеличению частоты циклов их работы.The first two factors together contribute to a significant decrease in the length of the combustion chamber (10), and an increase in the frequency of their operation cycles.
Выполнение камер сгорания (10) с изгибом их продольной оси по радиусу в плоскости вращения ротора так же обеспечивает сокращение преддетонационного расстояния, и преддетонационного времени возникновения детонационного горения в камерах сгорания (10), и тем самым способствует существенному уменьшению их длины.The execution of combustion chambers (10) with a bending of their longitudinal axis along the radius in the plane of rotation of the rotor also provides a reduction in the pre-detonation distance, and the pre-detonation time of occurrence of detonation combustion in the combustion chambers (10), and thereby contributes to a significant decrease in their length.
Выполнение камер сгорания (10) с расширением от кромки их полусферического днища (11) до их выходного сечения, в виде сопла Лаваля обеспечивает сокращение преддетонационного расстояния, и преддетонационного времени возникновения детонационного горения, и тем самым так же способствует существенному уменьшению длины камеры сгорания (10), при этом обеспечивается так же увеличение скорости истечения продуктов сгорания до сверхзвуковых значений, и увеличение интегрального значения тяги, развиваемой камерами сгорания (10).The design of combustion chambers (10) with expansion from the edge of their hemispherical bottom (11) to their outlet section, in the form of a Laval nozzle, provides a reduction in the pre-detonation distance and the pre-detonation time of occurrence of detonation combustion, and thereby also contributes to a significant decrease in the length of the combustion chamber (10 ), at the same time an increase in the velocity of the outflow of combustion products to supersonic values is provided, and an increase in the integral value of the thrust developed by the combustion chambers (10).
В работе камер сгорания (10) процессы детонационного сгорания и процессы истечения продуктов сгорания являются доминирующими (с точки зрения подчиненности по времени и характеру протекания), а процессы заполнения камер сгорания (10) свежими порциями окислительного и горючего вещества, и их смешения являются по отношению к первым процессам подчиненными, что во многом облегчает решение задачи синхронизации всех процессов работы камер сгорания, с целью обеспечения устойчивой, надежной, и эффективной работы Роторного газотурбинного детонационного двигателя. Синхронизация всех описанных выше процессов осуществляется в роторе автоматически, газодинамическим способом, в автомодельном режиме. Для этого численным моделированием на суперкомпьютере, из условия обеспечения заданной мощности Роторного детонационного газотурбинного двигателя, и применяемого горючего вещества, подбираются все характеристики центробежного колеса (3), и камер сгорания (10). Варьируя их геометрическими параметрами, расходными характеристиками, режимами работы, и скоростью вращения ротора, добиваются режима полной синхронизации всех процессов, обеспечивающих эффективность его работы. Именно описанные выше свойства детонационного горения, согласно которым: скорость горения ТВС в детонационных процессах составляет порядка 1500-2500 м/сек, и является физической константой, крайне слабо зависящей от физического состояния ТВС (по: р, ρ, Т), способа ее зажигания, от формы и размеров ДКС, а зависит только от химического состава ТВС, в совокупности с предложенными конструкторскими решениями по Роторному детонационному газотурбинному двигателю позволяют осуществить автомодельный режим его работы с высокой надежностью, и высокими значениями мощности и экономичности работы. Эти качества особенно важны при использовании Роторного детонационного газотурбинного двигателя в концепции универсальной энергетической платформы, в которой данный двигатель будет работать при постоянном значении оборотов вращения ротора, обеспечивая своим эффективным функционированием работу электрогенератора, генерирующего и раздающего электрическую энергию консольным потребителям любого объекта, например, электроприводным двигателям: ЛА, железнодорожного, автомобильного, морского, и других видов транспорта, и так же всевозможных других устройств.In the operation of combustion chambers (10), the processes of detonation combustion and the processes of outflow of combustion products are dominant (from the point of view of subordination in terms of time and nature of flow), and the processes of filling the combustion chambers (10) with fresh portions of oxidizing and combustible substances, and their mixing, are in relation to to the first subordinate processes, which greatly facilitates the solution of the problem of synchronizing all processes of the combustion chambers in order to ensure stable, reliable, and efficient operation of the Rotary Gas Turbine Detonation Engine. Synchronization of all the processes described above is carried out in the rotor automatically, in a gas-dynamic way, in a self-similar mode. For this, by numerical modeling on a supercomputer, from the condition of providing a given power of the Rotary Detonation Gas Turbine Engine and the fuel used, all the characteristics of the centrifugal wheel (3) and combustion chambers (10) are selected. By varying their geometrical parameters, flow characteristics, operating modes, and rotor speed, they achieve a mode of complete synchronization of all processes that ensure the efficiency of its operation. It is precisely the properties of detonation combustion described above, according to which: the combustion rate of fuel assemblies in detonation processes is about 1500-2500 m / s, and is a physical constant that is extremely weakly dependent on the physical state of the fuel assembly (by: p, ρ, T), the method of its ignition , on the shape and size of the BCS, but depends only on the chemical composition of the fuel assemblies, in conjunction with the proposed design solutions for the Rotary Detonation Gas Turbine Engine, allow for a self-similar mode of its operation with high reliability, and high values of power and efficiency of operation. These qualities are especially important when using the Rotary Detonation Gas Turbine Engine in the concept of a universal energy platform, in which this engine will operate at a constant value of the rotor speed, ensuring by its efficient operation the operation of an electric generator that generates and distributes electrical energy to cantilever consumers of any object, for example, electric drive motors. : Aircraft, rail, road, sea, and other types of transport, as well as all kinds of other devices.
Таким образом путем увеличения в разы импульса активно-реактивной силы тяги детонационных камер сгорания (10) ротора в единицу времени, а так же за счет увеличения частоты циклов работы камер сгорания (10) в единицу времени, заявляемое техническое решение позволяет в сравнении с ближайшим аналогом существенно, в разы повысить мощность и экономичность работы Роторного детонационного газотурбинного двигателя, а так же позволяет повысить надежность работы двигателя, и уменьшить его габаритные и массовые характеристики при заданной мощности.Thus, by several times increasing the impulse of the active-reactive thrust force of the detonation combustion chambers (10) of the rotor per unit time, as well as by increasing the frequency of the combustion chambers operation cycles (10) per unit of time, the proposed technical solution allows, in comparison with the closest analogue significantly, several times increase the power and efficiency of the rotary detonation gas turbine engine, as well as improve the reliability of the engine, and reduce its overall and mass characteristics at a given power.
Изобретение не ограничивается рассмотренными вариантами исполнения и охватывает все допустимые с технической точки зрения комбинации признаков, раскрытых в описании и формуле изобретения.The invention is not limited to the considered embodiments and covers all technically permissible combinations of features disclosed in the description and the claims.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020119922A RU2745975C1 (en) | 2020-06-16 | 2020-06-16 | Rotary detonation gas turbine and the method of detonation combustion in it |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020119922A RU2745975C1 (en) | 2020-06-16 | 2020-06-16 | Rotary detonation gas turbine and the method of detonation combustion in it |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2745975C1 true RU2745975C1 (en) | 2021-04-05 |
Family
ID=75353335
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020119922A RU2745975C1 (en) | 2020-06-16 | 2020-06-16 | Rotary detonation gas turbine and the method of detonation combustion in it |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2745975C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3077075A (en) * | 1957-03-15 | 1963-02-12 | Turanciol Fuad | Rotary radial flow jet engine |
| US3200588A (en) * | 1963-02-26 | 1965-08-17 | Friedrich C Math | Jet reaction motor |
| RU2623592C1 (en) * | 2016-06-16 | 2017-06-28 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Rotary gas turbine engine |
| RU2702317C1 (en) * | 2019-07-01 | 2019-10-07 | Сергей Константинович Исаев | Rotary birotate gas turbine engine |
| RU2718726C1 (en) * | 2018-11-29 | 2020-04-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые физические принципы" | Operating method of pulse-detonation engine in centrifugal force field and device for implementation thereof in jet helicopter |
| RU2018139702A (en) * | 2018-11-08 | 2020-05-12 | Константин Николаевич Герасимов | METHOD FOR IMPROVING ECONOMICITY OF A GAS-TURBINE ENGINE IN THE TYPE OF A COMBINED INSTALLATION CONSISTING OF TWO GAS-TURBINE INSTALLATIONS WITH A GENERAL OUTPUT OF CEREBLE HARVESTER |
-
2020
- 2020-06-16 RU RU2020119922A patent/RU2745975C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3077075A (en) * | 1957-03-15 | 1963-02-12 | Turanciol Fuad | Rotary radial flow jet engine |
| US3200588A (en) * | 1963-02-26 | 1965-08-17 | Friedrich C Math | Jet reaction motor |
| RU2623592C1 (en) * | 2016-06-16 | 2017-06-28 | Акционерное общество "Военно-промышленная корпорация "Научно-производственное объединение машиностроения" | Rotary gas turbine engine |
| RU2018139702A (en) * | 2018-11-08 | 2020-05-12 | Константин Николаевич Герасимов | METHOD FOR IMPROVING ECONOMICITY OF A GAS-TURBINE ENGINE IN THE TYPE OF A COMBINED INSTALLATION CONSISTING OF TWO GAS-TURBINE INSTALLATIONS WITH A GENERAL OUTPUT OF CEREBLE HARVESTER |
| RU2718726C1 (en) * | 2018-11-29 | 2020-04-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые физические принципы" | Operating method of pulse-detonation engine in centrifugal force field and device for implementation thereof in jet helicopter |
| RU2702317C1 (en) * | 2019-07-01 | 2019-10-07 | Сергей Константинович Исаев | Rotary birotate gas turbine engine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7784267B2 (en) | Detonation engine and flying object provided therewith | |
| US11149954B2 (en) | Multi-can annular rotating detonation combustor | |
| US2888803A (en) | Intermittent combustion turbine engine | |
| US20200393128A1 (en) | Variable geometry rotating detonation combustor | |
| US20180231256A1 (en) | Rotating Detonation Combustor | |
| US9027324B2 (en) | Engine and combustion system | |
| CN109028144B (en) | Integral vortex rotary detonation propulsion system | |
| CN112879178A (en) | Solid rocket ramjet based on detonation combustion | |
| US6928804B2 (en) | Pulse detonation system for a gas turbine engine | |
| US20180355792A1 (en) | Annular throats rotating detonation combustor | |
| US20180355795A1 (en) | Rotating detonation combustor with fluid diode structure | |
| US20140338348A1 (en) | Rotary pulse detonation engine | |
| US20210190320A1 (en) | Turbine engine assembly including a rotating detonation combustor | |
| WO2018117904A1 (en) | Ram-jet and turbo-jet detonation engine | |
| US11572840B2 (en) | Multi-mode combustion control for a rotating detonation combustion system | |
| US10443493B2 (en) | Exhaust mixer for wave rotor assembly | |
| RU2745975C1 (en) | Rotary detonation gas turbine and the method of detonation combustion in it | |
| Akbari et al. | Recent developments in wave rotor combustion technology and future perspectives: a progress review | |
| CN101718236A (en) | Multitube pulse detonation combustion chamber communicated with jet deflector | |
| US20120151896A1 (en) | Hot gas path component cooling for hybrid pulse detonation combustion systems | |
| US20080127630A1 (en) | Turbine for application to pulse detonation combustion system and engine containing the turbine | |
| RU2665760C1 (en) | Method of increasing a reactive thrust in a turboreactive two-circuit engine and a turboreactive two-concurrent engine for its implementation | |
| US20120151895A1 (en) | Hot gas path component cooling for hybrid pulse detonation combustion systems | |
| CN114991993B (en) | Self-excited detonation engine | |
| RU2436987C1 (en) | Method for creating driving force for movement of transport vehicle and jet engine for its implementation |