English

О Центре

Детонационное горение

Направления деятельности

Ресурсы

Достижения Контакты
     
 

Проекты

Импульсно-детонационная газовая горелка для промышленных печей и теплоэнергетических установок (ГИДС)

 

Импульсно-детонационная скоростная горелка (кислород-природный газ) для металлургии (ГИДС)

 

Детонационный воздушно-реактивный двигатель для летательных аппаратов

 

Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД)

 

Импульсно-детонационная газовая горелка для промышленных печей и теплоэнергетических установок (ГИДС)

 

Математическое моделирование различных физических процессов

 
Гидрореактивный импульсно-детонационный двигатель
 
Технология использования сжиженного природного газа в качестве топлива для ракетно-космической техники нового поколения


Разработка технологии создания гидрореактивной тяги в водомётных двигателях высокоскоростных водных транспортных средств и создание стендового демонстрационного образца гидрореактивного импульсно-детонационного двигателя

В ходе реализации ПНИ получен ряд важных результатов:

1. Впервые проведено численное исследование процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой, которое показало, что при передаче импульса от УВ к газосодержащей водной среде возможны динамические эффекты, при которых импульс, переданный газосодержащей водной среде, превышает импульс, переданный сплошной жидкости, при прочих равных условиях. Из рисунка 1 видно, что в случае воздействия УВ на ПЖ пиковое значение мгновенной силы, действующей на устройство, достигает 100 кН/м, тогда как в случае чистой жидкости пиковое значение мгновенной силы не превышает 70 кН/м. Кроме того, в первом случае больше и продолжительность пика: 1 мс вместо 0.2 мс. Указанные динамические эффекты можно использовать для создания энергоэффективных импульсно-детонационных гидрореактивных движителей.


1 – заряд в водоводе - пузырьковая жидкость с начальным объёмным газосодержанием 10%, 2 – заряд в водоводе – чистая вода
Рисунок 1 – Расчетные зависимости мгновенной силы, действующей на устройство, от времени при передаче импульса от УВ к заряду в водоводе

2. Создана оригинальная лабораторная установка (рисунки 2 и 3) «Гидроударная труба» (ГУТ) для проведения экспериментальных исследований процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой с объёмным газосодержанием до 30%. Установка позволяет измерять амплитуду УВ в газосодержащей среде с избыточным давлением до 10 атм, скорость УВ до 1000 м/с, а также скорость ПС до 100 м/с. В отличие от известных установок подобного типа, ГУТ позволяет проводить оптическое измерение (при помощи скоростной видеосъёмки) скорости ПС, вовлекаемой в движение в результате воздействия высокоскоростных струй продуктов детонации и сильных УВ.

Описание: рис_1_ГУТ_4b
а)


б)
а – схема, б – общий вид, КВД – камера высокого давления, КНД – камера низкого давления, ИС – измерительная секция, ПЖ – пузырьковая жидкость, h – высота столба ПЖ, ДМ – дифференциальный манометр, 1 – ИС, 2 – КНД, 3 – КВД, 4 – датчики давления P2-P8, 5 – скоростная видеокамера
Рисунок 2 – Лабораторная установка «Гидроударная труба» (ГУТ) – конфигурация для исследования воздействия одиночных импульсов


а)


б)
а – общий вид, б – измерительная секция (общий вид), 1 – измерительная секция, 2-4 – трубки-отводы, 5 – КВД, 8 – датчики давления P2-P8, 5 – камера зажигания, 6 – турбулизатор, 7 – детонационная трубка, 8 – датчики давления
Рисунок 3 – Лабораторная установка «Гидроударная труба» (ГУТ) – конфигурация для исследования воздействия регулярной последовательности импульсов

3. Проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса передачи количества движения от импульсных газовых струй к инертной и активной газосодержащей водной среде. Количество движения, передаваемое от УВ к ПЖ, рассчитывалось по формуле:
                                                                                         
где  - начальное объёмное газосодержание;  - плотность жидкости;  – скорость контактной границы «газ – ПЖ» или скорость пузырьков газа за УВ.

Теоретически и экспериментально показано, что для обеспечения эффективной передачи количества движения объёмное содержание газа в водной среде должно составлять 25%-30%. Импульс (количество движения), переданный пузырьковой среде, при газосодержаниях от 25% до 30% выходит на «насыщение» как для слабых УВ (рисунок 4 а, б), так и для сильных УВ (рисунок 4 в, г). Последнее ослабляет требования к точности поддержания оптимального газосодержания (25-30%) в водоводе СДО ГДД без существенного снижения эффективности его работы.

 
а)                                                                                б)
 
в)                                                                               г)

а – скорость жидкости за слабой УВ (амплитуда 0.05 МПа), б – количество движения, переданное ПЖ слабой УВ, в – скорость жидкости за сильной УВ (амплитуда 0.5 МПа), г – количество движения, переданное ПЖ сильной УВ, 1 – скорость пузырька за УВ (эксперимент) или количество движения, определённое по значению этой скорости, 2 – скорость контактной границы (эксперимент) или количество движения, определённое по значению этой скорости, 3 – скорость жидкости за УВ (расчёт)
Рисунок 4 – Оценка количества движения, переданного от УВ в ПЖ

В известной литературе нет ни теоретических, ни экспериментальных работ по оценке количества движения, передаваемого от падающей УВ и высокоскоростных продуктов детонации к ПС. Поэтому можно утверждать, что полученные результаты задают мировой уровень развития науки в области знаний.

3. С учётом результатов, полученных в ходе расчётно-экспериментальных работ, создана КД на СДО ГДД (рисунок 5) и на испытательный стенд (рисунок 6) для проведения испытаний СДО ГДД. Проведённые патентные исследования и анализ известной литературы показали новизну предложенной конструкции СДО ГДД.

4. Изготовлен испытательный стенд (рисунок 7), обеспечивающий возможность проведения испытаний СДО ГДД с заявленными в ТЗ характеристиками (частота работы 20 Гц, удельный импульс 200 секунд).


1 – водовод, 2 – аэратор, 3 – система подачи топлива и окислителя, 4 – камера сгорания, 5 – болт, 6 – винт, 7 – гайка, 8 - шайба
Рисунок 5 – СДО ГДД (сборочный чертёж)


1 – тяговый стол, 2 – бассейн, 2 – система циркуляции
Рисунок 6 – Испытательный стенд для проведения испытаний СДО ГДД (сборочный чертёж)


1 – балка, 2 – бассейн, 3 – тяговый стол, 4 – СДО ГДД, 5 – помпа системы принудительной циркуляции воды в бассейне
Рисунок 7 – Испытательный стенд (общий вид)

5. Изготовлен и испытан СДО ГДД, отвечающий требованиям ТЗ:

– масса - не более 10 кг;

– габариты (ДхШхВ) -  не более 800x200x400 мм;

– топливо/окислитель - штатное моторное (бензин)/кислород;

– частота работы – до 20 Гц;

– удельный импульс - не менее 200 с

На рисунке 8 приведён пример осциллограммы тягового усилия для опыта, в котором получены заявленные в ТЗ характеристики: частота работы не менее 20 Гц и удельный импульс не менее 200 с.


Рисунок 8 – Осциллограмма тягового усилия

6. Разработан лабораторный технологический регламент создания гидрореактивной тяги в водомётных движителях высокоскоростных водных транспортных средств. Обзор научных и информационных источников по технологии создания гидрореактивной тяги в движителях водного транспорта показал, что предложенная технология не имеет аналогов.

7. Разработан проект ТЗ на проведение ОКР по теме «Разработка и изготовление опытного образца гидрореактивного импульсно-детонационного двигателя (ГДД) для высокоскоростных водных транспортных средств».

Полученные результаты были получены в ходе решения задач, заявленных в ТЗ:

1. Аналитический обзор научных и информационных источников по исследованию взаимодействия ДВ и продуктов детонации с водной средой, а также по технологии создания гидрореактивной тяги в движителях водного транспорта. Решение этой задачи позволило показать, что существующие теоретические модели двухфазного течения в целом удовлетворительно описывают распространение волн давления в ПЖ и могут быть использованы для проведения численных расчётов процессов взаимодействия ДВ и продуктов детонации с газосодержащей водной средой. Кроме того, с учётом анализа опубликованных результатов экспериментальных исследований взаимодействия УВ с ПЖ выбрана схема лабораторной установки ГУТ для проведения экспериментальных исследований процесса взаимодействия ДВ и продуктов детонации с пузырьковой водной средой. Анализ существующих технологий создания гидрореактивной тяги, а также конструкций прямоточных и пульсирующих гидрореактивных двигателей показал, что наиболее эффективными по КПД, простоте и надежности конструкции являются ГРД типа «реактивная труба», а также ИД гидрореактивные двигатели. В них в качестве горючего и окислителя используются штатное углеводородное топливо и атмосферный воздух, используются быстрые режимы горения вплоть до детонации, преимущественно применяется прямой проточный водовод с минимальным гидравлическим сопротивлением и полным использованием напора воды, вызванного движением судна, а также используется минимальное количество подвижных элементов. При этом рабочим телом в них может служить не только забортная вода, но и механическая смесь воды с пузырьками отработавших газов газогенератора.

2. Патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96 выполнены по направлениям: способы и устройства для создания гидрореактивной тяги, способы и устройства для инициирования детонации газов и газокапельных смесей на базе жидких топлив в современных энергетических установках. Было выявлено 20 источников, связанных с исследованиями по тематике проекта, которые показали, что наибольший рост регистрируемых патентов приходится на 2009–2014 г., что подтверждает актуальность выполняемой ПНИ. Среди стран лидируют Россия и США. Результаты исследований также показали новизну разрабатываемой научно-технической продукции.

3. Разработка комбинированной принципиальная схема лабораторной установки ГДД для исследования процессов взаимодействия импульсных газовых струй с газосодержащей водной средой. Решение этой задачи позволило создать эскизную КД на лабораторную установку ГУТ и изготовить её.

4. Численное исследование процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой. Решение этой задачи позволило показать, что при взаимодействии импульсных газовых струй с ПС существуют динамические эффекты, которые можно использовать для создания энергоэффективных ГДД.

5. Разработка эскизной КД лабораторной установки для экспериментальной проверки результатов численного исследования взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой. Решение этой задачи позволило создать документацию, в соответствии с которой была изготовлена и смонтирована лабораторная установка.

6. Разработка программы и методик экспериментальных исследований процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой. Решение этой задачи позволило создать методическое обеспечение для проведения экспериментальной проверки результатов численного исследования процесса взаимодействия импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой, которая показала удовлетворительное согласие расчётных и экспериментальных значений скорости УВ в водной среде при различных значениях газосодержания и позволили сделать выводы: выбранная математическая модель адекватно описывает взаимодействие импульсных газовых струй продуктов быстрого горения и детонации штатных моторных топлив с газосодержащей водной средой, а разработанная установка и методики экспериментальных исследований позволяют получать достоверные результаты.

7. Параметрические расчёты и экспериментальные исследования по определению условий, необходимых для достижения наибольшей эффективности передачи количества движения от импульсных газовых струй к инертной или активной газосодержащей водной среде. При реализации математической модели двухфазных реагирующих течений для учёта химических реакций, протекающих в пузырьках химически активной смеси, использовали подходы, апробированные в работе Басевича В. Я., Беляева А. А., Медведева С. Н., Посвянского В. С., Фролова Ф. С. и Фролова С. М. Детальный кинетический механизм многостадийного окисления и горения изооктана. Химическая физика, 2016, том 35, № 10, с. 32–41. Параметрические расчёты и экспериментальные исследования проводились по методикам, предложенным и апробированным в работе Авдеева К. А., Аксёнова В. С., Борисова А. А., Севастополевой Д. Г., Тухватуллиной Р. Р., Фролова С. М., Фролова Ф. С., Шамшина И. О., Басара Б., Эдельбауэра У. и Пахлера К. Расчёт распространения ударной волны в воде с пузырьками реакционноспособного газа. Химическая физика, 2016 (в печати), в работе Фролова С. М., Авдеева К. А., Аксёнова В. С., Борисова А. А., Фролова Ф. С., Шамшина И. О., Тухватуллиной Р. Р. Experimental and computational studies of shock wave - to - bubbly water momentum transfer. International Journal of Multiphase Flow, 2016 (в печати), а также в диссертационной работе Тухватуллиной Р. Р. «Физико-математические модели двухфазного неизотермического двухскоростного течения пузырьковой среды». Решение этих задач позволило определить объёмное содержание газа в водной среде (25%-30%), которое обеспечивает эффективную передачу количества движения от одиночных импульсных газовых струй или от регулярной последовательности импульсных газовых струй к инертной газосодержащей водной среде.

8. Разработка комбинированной принципиальной схемы СДО ГДД и разработка ЭКД на функциональные блоки СДО ГДД. Решение этой задачи позволило сконструировать основные функциональные элементы СДО ГДД: систему подачи топлива и окислителя, камеру сгорания, водовод и аэратор.

9. Разработка ЭКД на испытательный стенд для проведения испытаний СДО ГДД. Решение этой задачи позволило проработать конструкцию основных элементов испытательного стенда и перейти к разработке РКД.

10. Разработка ЭКД для изготовления СДО ГДД и разработка РКД для изготовления испытательного стенда ГДД. Решение этих задач позволило перейти к изготовлению СДО ГДД и стенда для проведения его испытаний.

11. Разработка программа и методики испытаний СДО ГДД. Решение этой задачи позволило создать методическое обеспечение для испытаний СДО ГДД.

12. Пуско-наладочные работы испытательного стенда и проведение отладочных испытаний СДО ГДД. Решение этой задачи позволило получить экспериментальные данные, по результатам которых были внесены изменения в конструкцию СДО ГДД и испытательного стенда. В СДО ГДД была изменена конструкция аэратора и камеры сгорания, что позволило обеспечить устойчивость работы в частотном режиме. В конструкцию испытательного стенда добавлен проточный бассейн с системой подвески СДО ГДД, что позволило проводить испытания в условиях, максимально приближённых к реальным условиям работы водомётного двигателя для надводного судна.

13. Доработка КД для изготовления СДО ГДД и РКД для изготовления испытательного стенда ГДД по результатам отладочных испытаний. Решение этой задачи позволило перейти к изготовлению доработанной конструкции как СДО ГДД, так и стенда.

14. Проведение испытаний доработанного СДО ГДД. Решение этой задачи позволило получить экспериментальные данные, подтверждающие выполнение требований ТЗ в части технических характеристик СДО ГДД по удельному импульсу (не менее 200 с) и по частоте (не менее 20 Гц), а также внести изменения в конструкцию СДО ГДД и стенда, которые обеспечили выполнение этих характеристик.

15. Доработка КД для изготовления СДО ГДД и РКД для изготовления испытательного стенда ГДД по результатам испытаний. Решение этой задачи позволило создать документацию для изготовления СДО ГДД, отвечающего требованиям ТЗ.

16. Разработка лабораторного технологического регламента создания гидрореактивной тяги в водомётных движителях высокоскоростных водных транспортных средств. Решение этой задачи позволило создать технологию, которая может быть использована при создании ГДД для водных транспортных средств.

17. Разработка технико-экономического обоснования разработки ГДД. Решение этой задачи показало экономическую целесообразность разработки конструкции СДО ГДД.

18. Разработка проекта ТЗ на ОКР. Решение этой задачи позволило разработать ТЗ, цель которого – создание экспериментального образца водометного импульсно-детонационного двигателя и проведение его натурных испытаний на буксируемых моделях.

Все вышеперечисленные задачи решены в полном объёме, что позволило достигнуть цели проекта - разработать технологию создания гидрореактивной тяги в водомётных движителях высокоскоростных водных транспортных средств, основанную на эффективной передаче количества движения от высоконапорных струй продуктов импульсно-детонационного горения штатных моторных топлив к водной среде, для создания принципиально нового ГДД для водных транспортных средств, обеспечивающего повышение их скоростных, энергетических и экологических характеристик.

 

 
О Центре Детонационное горение Направления деятельности Ресурсы Достижения Контакты

© НП «ЦЕНТР ИДГ», 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4
Тел.: +7(926)126-15-04, info@idgcenter.ru