Останнім часом вчені та енергетики посилено працюють над проблемами оптимізації процесів найбільш економічно вигідних варіантів отримання енергії
Розробкою ротаційного, або спінового, детонаційного двигуна (Rotating Detonation Engine, RDE) займається Науково-дослідна лабораторія (NRL) ВМС США. За попередніми розрахунками лабораторії, RDE буде на десять відсотків потужніше і на 25 відсотків економічніше використовуваних сьогодні звичайних газотурбінних двигунів. Щоправда, загальний принцип роботи силових установок залишиться незмінним - потік газів від згорілого палива буде як і раніше обертати лопаті газової турбіни.

За даними NRL, навіть у віддаленому майбутньому, коли всі кораблі ВМС США будуть приводитися в рух електрикою, вироблення енергії все одно будуть забезпечувати газові турбіни, може бути, конструктивно небагато змінені. В даний час американський флот використовує 430 газотурбінних двигунів на 129 кораблях. Щорічно вони споживають палива на два мільярди доларів. У перспективі звичайні двигуни внутрішнього згоряння на кораблях будуть замінені новими RDE, тобто мова йде про модернізацію. Тим не менш принципи роботи перспективних силових установок і сучасних двигунів будуть значно відрізнятися.
Детонація

Сьогодні двигуни внутрішнього згоряння працюють по циклу Брайтона. Спрощено його суть полягає в послідовному змішуванні палива і окислювача, стисненні суміші, її підпалі і горінні з подальшим розширенням розігрітих продуктів горіння. Таке розширення, як раз і використовуване для виконання механічної роботи (рух, обертання турбіни, переміщення поршнів), дає постійний тиск. Фронт горіння в паливній суміші переміщується на дозвуковою швидкості; такий процес називається дефлаграцію.
У нових двигунах вчені мають намір використовувати детонацію, вибухове горіння паливної суміші, при якому реакція поширюється по речовині з надзвуковою швидкістю. Явище детонації поки вивчено не повністю, проте достеменно відомо, що при такому горінні по речовині поширюється ударна хвиля, за якою слідує хімічна реакція в паливній суміші з виділенням великої кількості тепла. При проходженні ударної хвилі через речовину воно нагрівається і може детонувати.
У RDE будуть використані напрацювання, отримані в ході створення пульсуючого детонаційного двигуна (Pulse Detonation Engine, PDE). Принцип його роботи полягає в тому, що в камеру згоряння впорскується заздалегідь стисла паливна суміш, відбувається її підпал, після чого суміш детонує. У соплі відбувається розширення продуктів горіння, які й виконують механічну роботу. Потім весь цикл повторюється. Недолік PDE полягає у відносно малій величині пульсацій (частоті повторення циклів).
Крім того, конструкція таких двигунів із збільшенням частоти пульсацій стає складніше. Зокрема, необхідно синхронізувати роботу клапанів, відповідальних за вприск паливної суміші, з самими циклами детонації. Сам пульсуючий детонаційної двигун вкрай галасливий, споживає багато палива, а для його роботи потрібна постійна дозована подача палива і ініціація кожного циклу детонації. Простіше кажучи: в камеру згоряння потрапило паливо, його підпалили, воно здетонувало, потім все повторюється.
Принцип роботи ротаційних детонаційних двигунів дещо відрізняється від PDE. У ньому реалізована можливість постійної незгасаючої детонації паливної суміші в кільцевій камері згоряння. Вперше таке явище, що отримало назву спінової, або обертової, детонації, в 1956 році описав радянський вчений Богдан Войцеховський. Саме явище було відкрито в 1926 році у Великобританії - було відмічено, що в деяких системах замість очікуваної плоскою детонаційної хвилі виникала яскраво світиться "голова", що обертається по спіралі.
Завдяки фоторегістратору власного винаходу Войцеховському вдалося сфотографувати фронт ударної хвилі, що рухається в паливній суміші в кільцевій камері згоряння. На відміну від плоскої детонації, в детонації спину виникає єдина поперечна ударна хвиля, за якою слідує шар непрореагировавшего нагрітого газу, а потім зона хімічної реакції. Така хвиля "оббігає" кільцеву камеру згоряння. Марлен Топчіян, професор Інституту гідродинаміки імені Лаврентьєва, в якому довгий час працював Войцеховський, описав цю камеру як "сплющений бублик".
Для отримання обертової детонації в кільцеву камеру згоряння радіально подається паливна суміш (причому паливо і окислювач можуть надходити роздільно, а їх змішування і стиснення забезпечує детонаційна хвиля). В інтерв'ю газеті "Наука в Сибіру" Топчіян розповів, що, поки детонаційна хвиля "оббігає" кільцеву камеру згоряння, паливна суміш за нею встигає оновитися - "і кожного разу перед хвилею виявляється свіжа суміш". Таким чином і забезпечується стаціонарність детонації.
На відміну від циклу Брайтона, при якому тиск в системі після згоряння палива залишається величиною постійною, при детонації за час хімічного горіння суміші тиск у камері згоряння не встигає значно змінитися, але потім зростає стрибкоподібно в рази і може перевищувати сто атмосфер. Що цікаво, до ротаційним детонаційним двигунам цілком застосовні технології двигунів, що працюють по циклу Брайтона. Зокрема, використання в RDE компресора збільшує ефективність і потужність системи в цілому.
Детонаційні двигуни, до слова, вже використовувалися. Зокрема, один з варіантів такої силової установки - пульсуючий повітряно-реактивний двигун - використовувався на німецьких крилатих ракетах "Фау-1" в кінці Другої світової війни. Він був простий у виробництві, невибагливий, однак не дуже надійний для вирішення більш серйозних завдань.
У 2008 році перший політ зробив експериментальний літак Rutang Long-EZ з пульсуючим детонаційним двигуном. Двигун працював протягом десяти секунд, літак летів на висоті 30 метрів. PDE на експериментальному літаку складався з чотирьох трубок, в яких відбувалися цикли детонації з частотою 80 герц. Силова установка змогла розвинути тягу в 890 ньютонів. Для порівняння, кожен двигун винищувача МіГ-29 розвиває тягу в 81,4 кілоньютон.
Двигуни майбутнього
Експериментальний зразок RDE, створений Науково-дослідною лабораторією ВМС США, являє собою кільцеву конусоподібну камеру згоряння, діаметр якої з боку уприскування паливної суміші становить 140 міліметрів, а з боку сопла - 160 міліметрів. Відстань між стінками камери згорання становить десять міліметрів при довжині "трубки" 177 міліметрів.
В якості палива використовується Стехіометрична суміш водню і повітря (у ній окислювача міститься рівно стільки, скільки необхідно для повного згоряння палива). Паливна суміш подається в камеру згоряння під тиском у десять атмосфер, а сама суміш попередньо прогрівається до 27,9 градуса Цельсія. Суміш водню і палива вважається найбільш зручною для вивчення детонації спину, однак, за твердженням NRL, в перспективних двигунах можна буде використовувати звичайне пальне в суміші з повітрям.
Попередні випробування RDE, створеного NRL, показали коефіцієнт корисної дії одного циклу детонації на рівні 30 відсотків (ККД циклу Брайтона був прийнятий за нуль відсотків). При додаванні в систему компресора ККД циклу Брайтона можна збільшити; причому це правило працює і для систем, побудованих на циклі детонації. Зносостійкість RDE в порівнянні з PDE вище, оскільки в них детонаційна хвиля "йде" вздовж стінок камери згоряння і її ударне вплив на них істотно нижче.
За даними NRL, процес згорання паливної суміші в RDE неоднорідний, в ньому присутні і області дефлаграцію, проте їх частка в загальному процесі горіння складає всього 14 відсотків. Оптимізація конструкції двигуна і підбір відповідних діаметрів кільцевої камери згоряння і просвіту між стінками може зменшити цей показник. До достоїнств перспективного двигуна NRL відносить істотну економію палива (для ініціації нового циклу детонації горючої суміші потрібно менше).
Розширюються в соплі продукти горіння згодом можна, завдяки ефекту Коанда, збирати за допомогою конуса в єдину газову струмінь і направляти її в турбіну. Минає з сопла гази будуть обертати її; частина роботи турбіни можна буде використовувати для руху кораблів, а частина - для вироблення енергії, необхідної для корабельних систем і устаткування.
Самі спінові детонаційні двигуни можуть бути зібрані взагалі без будь-яких рухомих частин, завдяки чому спрощується конструкція і знижується кінцева вартість силової установки в цілому. Тим не менш, перш ніж серйозно говорити про перспективи серійного використання ротаційних двигунів, вченим належить вирішити ще декілька завдань, найскладнішою з яких є підбір термостійких і міцних матеріалів.
У RDE стабільність детонації можна підтримувати до закінчення пального і прогріву конструкції до стадії руйнування. В останньому випадку можуть бути також використані технології, успішно застосовуються для охолодження лопаток турбін, наприклад, в повітряно-реактивних двигунах. Згодом нові двигуни можна буде встановлювати не тільки на кораблі, але й на перспективні літальні апарати. Так, з архівів може бути повернуто до життя проект Blackswift - апарат, здатний розвивати швидкість до шести чисел Маха (близько семи тисяч кілометрів).
В даний час RDE вважаються найбільш перспективним типом двигунів внутрішнього згоряння. Їх розробкою, зокрема, займається Техаський університет в Арлінгтоні. Створювана їм силова установка отримала назву "двигуна безперервної детонації" (Continuous Detonation Engine, CDE). Вчені з цього університету також проводять експерименти з різними діаметрами кільцевих камер згоряння і з різними паливними сумішами, в яких присутні водень, а також кисень або повітря в різних пропорціях.
Тим часом ще в 2007 році було винайдено пристрій, який в значній мірі вирішує проблеми камери згоряння, що працює в стабільному режимі пульсуючої детонації
Розвитком серії попередніх патентних аплікацій, з'явилося наступне винахід, що набуває для України і для країн східної Європи величезне значення в силу того, що розвідані на Україні родовища сланцевого газу можуть, при ефективному використанні в корені змінити ситуацію з енергетичною незалежністю цих країн від невигідних у всіх відносинах постачання природного газу з Росії

United States Patent Application 20110126462
Kind Code A1
Livshits; David; et al. June 2, 2011
________________________________________
Device for Producing a Gaseous Fuel Composite and System of Production Thereof
Abstract
The invention relates to a gaseous fuel composite, a device for producing the gaseous fuel composite, and subcomponents used as part of the device for producing the gaseous fuel composite, and more specifically, to a gaseous composite made of a gas fuel such as natural gas and its oxidant such as air for burning as part of different systems such as fuel burners, combustion chambers, and the like. The device includes several vortex generators each with a curved aerodynamic channel amplifier to create a stream of air to aerate the gas as successive stages using both upward and rotational kinetic energy. Further, a vortex generator may have an axial channel with a conical shape or use different curved channel amplifiers to further create the gaseous fuel composite.
Тепер більш докладно про пріменгеніі цієї групи винаходів

BURNER

Факел полум'я створюваного пристроєм має форму сфери, що при більш високій температурі, забезпечує CONSTANT VOLUMETRIC COMBUSTION, концентрацію теплової енергії в мінімальному обсязі і більш низькі втрати енергії
З огляду на те, що пристрій має постійний масштабний фактор, воно однаково ефективно для будь-яких витрат природного газу
Ця обставина дозволяє при модернізації замінювати дуже складні і дорогі пристрої (типу пристроїв компанії CLEAVER BROOKS) на більш прості, надійні і дешеві і більш ефективні VORTEX TURBO BURNER