В последнее время учёные и энергетики усиленно работают над проблемами оптимизации процессов наиболее экономически выгодных вариантов получения энергии

Разработкой ротационного, или спинового, детонационного двигателя (Rotating Detonation Engine, RDE) занимается Научно-исследовательская лаборатория (NRL) ВМС США. По предварительным расчетам лаборатории, RDE будет на десять процентов мощнее и на 25 процентов экономичнее используемых сегодня обычных газотурбинных двигателей. Правда, общий принцип работы силовых установок останется неизменным - поток газов от сгоревшего топлива будет по-прежнему вращать лопасти газовой турбины.

По данным NRL, даже в отдаленном будущем, когда все корабли ВМС США будут приводиться в движение электричеством, выработку энергии все равно будут обеспечивать газовые турбины, может быть, конструктивно немного измененные. В настоящее время американский флот использует 430 газотурбинных двигателей на 129 кораблях. Ежегодно они потребляют топлива на два миллиарда долларов. В перспективе обычные двигатели внутреннего сгорания на кораблях будут заменены новыми RDE, то есть речь идет о модернизации. Тем не менее принципы работы перспективных силовых установок и современных двигателей будут значительно отличаться.

Детонация

Сегодня двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Брайтона. Упрощенно его суть заключается в последовательном смешивании топлива и окислителя, сжатии смеси, ее поджоге и горении с последующим расширением разогретых продуктов горения. Такое расширение, как раз и используемое для выполнения механической работы (движение, вращение турбины, перемещение поршней), дает постоянное давление. Фронт горения в топливной смеси перемещается на дозвуковой скорости; такой процесс называется дефлаграцией.

В новых двигателях ученые намерены использовать детонацию, взрывное горение топливной смеси, при котором реакция распространяется по веществу со сверхзвуковой скоростью. Явление детонации пока изучено не полностью, однако достоверно известно, что при таком горении по веществу распространяется ударная волна, за которой следует химическая реакция в топливной смеси с выделением большого количества тепла. При прохождении ударной волны через вещество оно нагревается и может детонировать.

В RDE будут использованы наработки, полученные в ходе создания пульсирующего детонационного двигателя (Pulse Detonation Engine, PDE). Принцип его работы заключается в том, что в камеру сгорания впрыскивается предварительно сжатая топливная смесь, происходит ее поджог, после чего смесь детонирует. В сопле происходит расширение продуктов горения, которые и выполняют механическую работу. Затем весь цикл повторяется. Недостаток PDE заключается в относительно малой величине пульсаций (частоте повторения циклов).

Кроме того, конструкция таких двигателей с увеличением частоты пульсаций становится сложнее. В частности, необходимо синхронизировать работу клапанов, ответственных за впрыск топливной смеси, с самими циклами детонации. Сам пульсирующий детонационный двигатель крайне шумен, потребляет много топлива, а для его работы требуется постоянная дозированная подача топлива и инициация каждого цикла детонации. Проще говоря: в камеру сгорания попало топливо, его подожгли, оно детонировало, затем все повторяется.

Принцип работы ротационных детонационных двигателей несколько отличается от PDE. В нем реализована возможность постоянной незатухающей детонации топливной смеси в кольцевой камере сгорания. Впервые такое явление, получившее название спиновой, или вращающейся, детонации, в 1956 году описал советский ученый Богдан Войцеховский. Само явление было открыто в 1926 году в Великобритании - было замечено, что в некоторых системах вместо ожидаемой плоской детонационной волны возникала ярко светящаяся "голова", вращающаяся по спирали.

Благодаря фоторегистратору собственного изобретения Войцеховскому удалось сфотографировать фронт ударной волны, движущейся в топливной смеси в кольцевой камере сгорания. В отличие от плоской детонации, в спиновой детонации возникает единственная поперечная ударная волна, за которой следует слой непрореагировавшего нагретого газа, а затем зона химической реакции. Такая волна "обегает" кольцевую камеру сгорания. Марлен Топчиян, профессор Института гидродинамики имени Лаврентьева, в котором долгое время работал Войцеховский, описал эту камеру как "сплющенный бублик".

Для получения вращающейся детонации в кольцевую камеру сгорания радиально подается топливная смесь (причем топливо и окислитель могут поступать раздельно, а их смешивание и сжатие обеспечивает детонационная волна). В интервью газете "Наука в Сибири" Топчиян рассказал, что, пока детонационная волна "обегает" кольцевую камеру сгорания, топливная смесь за ней успевает обновиться - "и каждый раз перед волной оказывается свежая смесь". Таким образом и обеспечивается стационарность детонации.

В отличие от цикла Брайтона, при котором давление в системе после сгорания топлива остается величиной постоянной, при детонации за время химического горения смеси давление в камере сгорания не успевает значительно измениться, но затем возрастает скачкообразно в разы и может превышать сто атмосфер. Что интересно, к ротационным детонационным двигателям вполне применимы технологии двигателей, работающих по циклу Брайтона. В частности, использование в RDE компрессора увеличивает эффективность и мощность системы в целом.

Детонационные двигатели, к слову, уже использовались. В частности, один из вариантов такой силовой установки - пульсирующий воздушно-реактивный двигатель - использовался на немецких крылатых ракетах "Фау-1" в конце Второй мировой войны. Он был прост в производстве, неприхотлив, однако не очень надежен для решения более серьезных задач.

В 2008 году первый полет совершил экспериментальный самолет Rutang Long-EZ с пульсирующим детонационным двигателем. Двигатель работал в течение десяти секунд, самолет летел на высоте 30 метров. PDE на экспериментальном самолете состоял из четырех трубок, в которых происходили циклы детонации с частотой 80 герц. Силовая установка смогла развить тягу в 890 ньютонов. Для сравнения, каждый двигатель истребителя МиГ-29 развивает тягу в 81,4 килоньютона.

Двигатели будущего

Экспериментальный образец RDE, созданный Научно-исследовательской лабораторией ВМС США, представляет собой кольцевую конусообразную камеру сгорания, диаметр которой со стороны впрыска топливной смеси составляет 140 миллиметров, а со стороны сопла - 160 миллиметров. Расстояние между стенками камеры сгорания составляет десять миллиметров при длине "трубки" 177 миллиметров.

В качестве топлива используется стехиометрическая смесь водорода и воздуха (в ней окислителя содержится ровно столько, сколько необходимо для полного сгорания топлива). Топливная смесь подается в камеру сгорания под давлением в десять атмосфер, а сама смесь предварительно прогревается до 27,9 градуса Цельсия. Смесь водорода и топлива считается наиболее удобной для изучения спиновой детонации, однако, по утверждению NRL, в перспективных двигателях можно будет использовать обычное горючее в смеси с воздухом.

Предварительные испытания RDE, созданного NRL, показали коэффициент полезного действия одного цикла детонации на уровне 30 процентов (КПД цикла Брайтона был принят за ноль процентов). При добавлении в систему компрессора КПД цикла Брайтона можно увеличить; причем это правило работает и для систем, построенных на цикле детонации. Износостойкость RDE по сравнению с PDE выше, поскольку в них детонационная волна "идет" вдоль стенок камеры сгорания и ее ударное влияние на них существенно ниже.

По данным NRL, процесс сгорания топливной смеси в RDE неоднороден, в нем присутствуют и области дефлаграции, однако их доля в общем процессе горения составляет всего 14 процентов. Оптимизация конструкции двигателя и подбор подходящих диаметров кольцевой камеры сгорания и просвета между стенками может уменьшить этот показатель. К достоинствам перспективного двигателя NRL относит существенную экономию топлива (для инициации нового цикла детонации горючей смеси требуется меньше).

Расширяющиеся в сопле продукты горения впоследствии можно, благодаря эффекту Коанда, собирать при помощи конуса в единую газовую струю и направлять ее в турбину. Истекающие из сопла газы будут вращать ее; часть работы турбины можно будет использовать для движения кораблей, а часть - для выработки энергии, необходимой для корабельных систем и оборудования.

Сами спиновые детонационные двигатели могут быть собраны вообще без каких-либо подвижных частей, благодаря чему упрощается конструкция и снижается конечная стоимость силовой установки в целом. Тем не менее, прежде чем всерьез говорить о перспективах серийного использования ротационных двигателей, ученым предстоит решить еще несколько задач, самой сложной из которых является подбор термостойких и прочных материалов.

В RDE стабильность детонации можно поддерживать до окончания горючего и прогрева конструкции до стадии разрушения. В последнем случае могут быть также использованы технологии, успешно применяющиеся для охлаждения лопаток турбин, например, в воздушно-реактивных двигателях. Со временем новые двигатели можно будет устанавливать не только на корабли, но и на перспективные летательные аппараты. Так, из архивов может быть возвращен к жизни проект Blackswift - аппарат, способный развивать скорость до шести чисел Маха (около семи тысяч километров).

В настоящее время RDE считаются наиболее перспективным типом двигателей внутреннего сгорания. Их разработкой, в частности, занимается Техасский университет в Арлингтоне. Создаваемая им силовая установка получила название "двигателя непрерывной детонации" (Continuous Detonation Engine, CDE). Ученые из этого университета также проводят эксперименты с разными диаметрами кольцевых камер сгорания и с различными топливными смесями, в которых присутствуют водород, а также кислород или воздух в разных пропорциях.

Между тем ещё в 2007 году было изобретено устройство , которое в значительной степени решает проблемы камеры сгорания , работающей в стабильном режиме пульсирующей детонации

Развитием серии предварительных патентных аппликаций , явилось следующее изобретение, приобретающее для Украины и для стран восточной Европы огромное значение в силу того , что разведанные на Украине месторождения сланцевого газа могут , при эффективном использовании в корне изменить ситуацию с энергетической независимостью этих стран от невыгодных во всех отношениях поставках природного газа из России

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.

Теперь более подробно об применгении этой группы изобретений

При горении топливного газообразного композита , который вводится в зону формирования факела пламени в виде однородно перемешанной вихревой трубы, факел имеет наиболее компактную форму – сферу, в которой продолжается вихревое вращение топлива , однородно перемешанного с воздухом

Горение происходит однородно по всему объёму сферы и соотношение между трёхмерной моделью пространственного расположения молекул природного газа среди молекул воздуха за время цикла горения не меняется

Вращение с высокой линейной скоростью множества потоков в минимальном объёме создаёт гармоничные пульсирующие явления , частота которых настолько велика, что промежутки между пульсами ничтожно малы

Эти явления определяют процесс горения газообразного топливного композита в постоянном объёме , с постоянной скоростью движения топлива в окружении окислителя , в минимальном объёме факела пламени , при высокой частоте пульсов при изменении направления движения потоков горящего композита в структуре пламени

В сё это вызывает повышенную температуру в объёме факела пламени и формирует условия для Constant volume combustion or HUMPFREY CYCLE

BURNER

NATURAL GAS WITH AIR VORTEX MIXING AND ACTIVATION DEVICE представляет собой BURNER , имеющий все функции присущие типичному устройству для эффективного сжигания природного газа

Горючая смесь подаётся в зону формирования пламени в виде газообразного топливного композита

Поток газообразного топливного композита представляет собой интегрированную вихревую трубу, которая состоит из как минимум 60 локальных вихревых труб, имеющих равные геометрические и аэродинамические характеристики

Исходя из основных рабочих характеристик название устройства можно представить в следующем виде : VORTEX TURBO BURNER

VORTEX ATOMIZER

Устройство может быть адаптировано к VORTEX ATOMIZER

На VORTEX ATOMIZER может быть подан дополнительный поток воздуха, в том случае , если на вихревые генераторы подаётся меньше чем 100% от % STOICHIOMETRIC AIR

STOICHIOMETRIC AIR

Устройство может работать на различных сочетаниях пропорций природного газа и воздуха, включая 100% STOICHIOMETRIC AIR

В устройстве природный газ в смеси с воздухом формирует газообразный динамический топливный композит , объединённый поток которого имеет форму вихревой трубы

Не смотря на разницу в удельном весе воздуха и природного газа, в вихревой трубе однородность смеси поддерживается за счёт динамических качеств и аэродинамических характеристик потока композита

NATURAL GAS WITH AIR VORTEX MIXING AND ACTIVATION DEVICE

Устройство состоит из нескольких последовательных соосных вихревых генераторов, каждый из которых имеет 15 тангенциальных каналов , формирующих локальные соосные вихревые трубы из однородной смеси из природного газа и воздуха

Устройство состоит из только 4 оригинальных деталей , - вихревого генератора, корпуса , трубы ввода и трубы вывода

Простота конструкции определяет высокую надёжность и низкие затраты на изготовление, удобство в интеграции в бойлер или другой термодинамический объект

EVALUATION OF NATURAL GAS WITH AIR VORTEX MIXING AND ACTIVATION DEVICE LIKE NEW PRODUCT

Устройство представляет собой новый тип BURNER , которые реализуют при работе более эффективный HUMPFREY CYCLE

Устройство производит однородный газообразный топливный композит , который подаётся и сгорает в условиях вихревой трубы

Устройство эффективно работает без дополнительного воздуха

Устройство работает стабильно , повторяемость основных рабочих параметров и характеристик при снижении или увеличении расхода природного газа более 90%

Всё это позволяет квалифицировать устройство как новый продукт , - VORTEX TURBO BURNER

EVALUATION OF THERMODYNAMIC WORKING CYCLE OF NATURAL GAS WITH AIR VORTEX MIXING AND ACTIVATION DEVICE

Устройство имеет на всех этапах функционального цикла постоянный объём и постоянное соотношение между объёмами компонентов процесса

Это относится :

К объёму , расходу , давлению , линейной скорости , температуре и её изменениям у компонентов создаваемого газообразного топливного композита

К объёму , расходу , давлению , линейной скорости , температуре и её изменениям у газообразного топливного композита в локальных вихревых трубах и в интегрированной вихревой трубе до момента зажигания

К объёму , геометрической форме, линейной скорости движения потоков, давлению , однородности , температуре факела пламени от момента зажигания до завершения процесса горения

К однородности, амплитуде и частоте распространения гармоничных пульсаций в объёме факела пламени

Все перечисленные факторы определяют состояние процесса горения в устройстве как CONSTANT VOLUMETRIC COMBUSTION

EVALUATION OF COST FACTOR OF NATURAL GAS WITH AIR VORTEX MIXING AND ACTIVATION DEVICE

Стоимость изготовления VORTEX TURBO BURNER приблизительно в 10 раз меньше , чем у любого известного устройства подобного класса

Этот фактор в сочетании с остальными рабочими и функциональными преимуществами , позволяет экономически эффективно использовать VORTEX TURBO BURNER при модификации существующего парка бойлеров и других термодинамических устройств

GENERAL ADVANTAGES OF VORTEX TURBO BURNER WITH VORTEX ATOMIZER THAT BASED ON NATURAL GAS WITH AIR VORTEX MIXING AND ACTIVATION DEVICE

Устройство не имеет подвижных частей

Устройство имеет компактные размерные характеристики

Устройство может быть адаптировано к любым конструктивным и технологическим условиям оборудования , которое подвергается модернизации

Устройство может эффективно работать без дополнительного воздуха

При работе без дополнительного воздуха, устройство может экономить до 17% природного газа

Устройство обеспечивает более высокую чем у существующих температуру пламени, при равном объёме факела пламени

Устройство работает с рабочими и функциональными характеристиками эквивалентными HUMPFREY CYCLE , который по термодинамическим характеристикам как минимум на 10% более эффективен чем BRAYTON CYCLE – по которому работают все известные устройства

Факел пламени создаваемого устройством имеет форму сферы, что при более высокой температуре , обеспечивает CONSTANT VOLUMETRIC COMBUSTION , концентрацию тепловой энергии в минимальном объёме и более низкие потери энергии

Ввиду того , что устройство имеет постоянный масштабный фактор, оно одинаково эффективно для любых расходов природного газа

Это обстоятельство позволяет при модернизации заменять очень сложные и дорогие устройства ( типа устройств компании CLEAVER BROOKS ) на более простые , надёжные и дешёвые и более эффективные VORTEX TURBO BURNER