Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 490, № 1, стр. 82-86

В [1–3] представлено экспериментальное доказательство энергоэффективности детонационного цикла Зельдовича применительно к жидкостным ракетным двигателям (ЖРД). Показано, что при переходе от дефлаграционного горения топливных компонентов к детонационному, удельный импульс тяги ЖРД увеличивается на 7–8% при прочих равных условиях [1, 2]. Более того, в детонационном ЖРД одинаковый по значению удельный импульс тяги получается при вдвое меньшем давлении в камере сгорания, чем в ЖРД на обычном горении, что позволяет улучшить массогабаритные характеристики турбонасосного агрегата [3].

Цель данного исследования заключалась в экспериментальном доказательстве энергоэффективности цикла Зельдовича применительно к воздушно-реактивным двигателям, работающим на штатном авиационном керосине ТС-1.

Для достижения цели нами поставлена и решена задача о форсировании тяги малоразмерного одноконтурного турбореактивного двигателя (ТРД) TJ100S-125 с помощью детонационной форсажной камеры сгорания (ДФКС). ТРД TJ100S-125 оснащен одноступенчатыми центробежным компрессором и осевой турбиной, суживающимся реактивным соплом диаметром 100 мм, работает на стандартном авиационном керосине ТС-1 и обладает максимальной тягой 1250 Н и удельным расходом топлива выше 1.0 кг/кГс/ч. Чтобы поддерживать температуру газа перед неохлаждаемой турбиной на достаточно низком уровне (не выше ∼1200°C), ТРД работает на керосино-воздушных смесях с высоким коэффициентом избытка воздуха от 4.0 до 6.0. Избыток окислителя, не прореагировавшего в основной камере сгорания, можно использовать для форсирования тяги ТРД с помощью ДФКС при дополнительной подаче керосина в поток продуктов сгорания, т.е. установить ДФКС вместо штатного сопла ТРД и максимально использовать поданный в ТРД окислитель, сжигая его в детонационном режиме. В этом случае энергоэффективность ДФКС можно оценить, сравнив ее удельные характеристики с удельными характеристиками обычных форсажных камер сгорания в двухконтурных ТРД при том же уровне внутрикамерного давления.

Облик и геометрические размеры ДФКС получены на основе многовариантного параметрического трехмерного численного моделирования с использованием вычислительной технологии ФИЦ ХФ РАН [4]. Экспериментальный образец ДФКС изготовлен в ФИЦ ХФ РАН и испытан на стенде ИС-1М в/ч 15650-16 в комбинации с малогабаритным одноконтурным турбореактивным двигателем TJ100S-125.

ДФКС представляет собой осесимметричную кольцевую камеру сгорания с гладкими стенками с наружным диаметром 200 мм и длиной 800 мм, оснащенную сменным суживающимся реактивным соплом. Чтобы уменьшить влияние ДФКС на работу ТРД вследствие возникающего при детонации высокого противодавления, на входе в ДФКС предусмотрено локальное сужение проточной части, причем площадь “критического” сечения равна площади поперечного сечения штатного сопла ТРД. Керосин подается в ДФКС через два пояса радиальных отверстий диаметром 0.15 мм (всего 240 штук), равномерно распределенных на наружной и внутренней стенках кольцевого зазора на расстоянии 10 мм ниже по течению от “критического” сечения. Сменные сопла ДФКС имеют диаметр выходного сечения 100, 120, 140 и 150 мм. На входе в ДФКС предусмотрены коллекторы подачи кислорода, позволяющие восстановить его массовую долю до уровня 23%, как в воздухе. Внутренняя и внешняя стенки ДФКС, а также опорные пилоны и часть сопла охлаждаются водой. По измерениям температуры охлаждающей воды оцениваются средние тепловые потоки в стенки ДФКС. Комбинированная силовая установка (СУ) TJ100S-125–ДФКС устанавливается на стенде с тягоизмерительным устройством и запускается в различных режимах работы ТРД. Зажигание горючей смеси в ДФКС производится с помощью авиационной свечи зажигания и/или трубки-предетонатора. Максимальная продолжительность огневого испытания с подачей керосина в ДФКС составляет 10 с. На рис. 1 показана фотография СУ в одном из огневых испытаний.

Рис. 1.

Фото комбинированной силовой установки ТРД–ДФКС в одном из огневых испытаний.

Параметры рабочего процесса в ДФКС регистрируются с помощью четырех датчиков статического давления и четырех датчиков пульсаций давления. Датчики установлены на импульсных трубках (6 × 1 мм) длиной 800 мм. Система измерений также включает термопары, расходомеры, датчик тяги и видеокамеры. Факт детонационного горения регистрируется по показаниям датчиков пульсаций давления. При обычном горении пульсации давления в ДФКС не проявляют какой-либо регулярности и имеют малую амплитуду. При детонационном горении регистрируется доминирующая частота пульсаций, соответствующая частоте прихода детонационной волны в точку размещения соответствующего датчика, а сами пульсации имеют ярко выраженный треугольный профиль с крутыми фронтами и большой амплитудой. На рис. 2 приведен пример записей датчиков пульсаций давления в одном из огневых испытаний с последовательным зажиганием горючей смеси в ДФКС сначала с помощью свечи зажигания (6.24 с), а затем с помощью трубки-предетонатора (6.33 с). В этом испытании зажигание свечой приводит к обычному горению с нерегулярными пульсациями давления малой амплитуды, а перепуск детонационной волны из трубки-предетонатора приводит к детонационному горению горючей смеси с регулярными пульсациями давления (см. вставку на рис. 2) высокой амплитуды с крутыми фронтами.

Рис. 2.

Записи датчиков пульсаций давления в огневом испытании с последовательным зажиганием горючей смеси в ДФКС сначала с помощью свечи зажигания, а затем с помощью трубки-предетонатора.

Большинство испытаний проведено с восстановлением массовой доли кислорода в продуктах сгорания ТРД до уровня 23% и при работе ТРД на режимах 83–85% максимальной тяги. При этом суммарный коэффициент избытка воздуха в ДФКС достигал значений 0.6–1.8, т.е. в ДФКС дожигался почти весь воздух, несгоревший в основной камере сгорания ТРД. В испытаниях зарегистрированы устойчивые режимы непрерывно-детонационного горения авиационного керосина – околопредельный режим продольно-пульсирующей детонации (ППД) с характерной частотой пульсаций давления 0.2–0.4 кГц и средним тепловым потоком в стенки ДФКС ∼0.50 МВт/м² и режим спиновой детонации (СД) с характерной частотой пульсаций давления 1.0–1.5 кГц и средним тепловым потоком в стенки ДФКС 0.86 МВт/м², – а также режим обычного горения при постоянном давлении (ГПД), стабилизированного на опорных пилонах ДФКС. Режим ППД в кольцевых камерах сгорания ранее обнаружен в [5, 6 ] в экспериментах с водородом. В этом режиме детонация периодически реинициируется в выходной части ДФКС и распространяется против течения свежей горючей смеси по направлению к отверстиям подачи керосина. Режим СД отличается значительно более высокой частотой вследствие вращения одной детонационной волны в кольцевом зазоре в окрестности отверстий подачи керосина со скоростью около 1000 м/с.

По сравнению с обычной форсажной камерой сгорания при том же уровне внутрикамерного давления тяговые характеристики ДФКС, работающей на детонационном горении керосина, оказались значительно лучше: удельный расход топлива в ДФКС в среднем на 30% ниже, а удельная тяга и коэффициент форсирования тяги в среднем на 30% выше. Чтобы понять причину такого улучшения характеристик, рассмотрим рис. 3. На рис. 3 показаны записи датчиков статического давления в ДФКС в одном из огневых испытаний, в котором зарегистрирован переход от околопредельного режима ППД к режиму ГПД с последующим возвратом к режиму ППД. Датчики давления (ДД) расположены на расстоянии 50 мм (ДД1), 170 мм (ДД4), 290 мм (ДД7) и 410 мм (ДД10) ниже по течению от “критического” сечения ДФКС. Видно, что в режиме ППД давление на датчиках ДД1 и ДД4 значительно выше, чем в режиме ГПД, особенно на датчике ДД1, расположенном ближе к отверстиям подачи керосина. Датчики ДД7 и ДД10 показывают незначительное изменение давления во время переходов ППД–ГПД и ГПД–ППД. Избыточное давление, зарегистрированное датчиками ДД1 и ДД4, создает дополнительную силу на внутренние поверхности ДФКС и значительно увеличивает общую тягу СУ. Тот факт, что статическое давление на выходе из ДФКС (датчик ДД10) для режимов ППД и ГПД почти одинаково, указывает на малые отличия в полноте сгорания в этих режимах. Важно отметить, что при стационарной работе ДФКС в режиме СД повышение статического давления, зарегистрированное датчиком ДД1, на 10–15% выше, чем в режиме ППД при близких режимах работы СУ (рис. 4).

Рис. 3.

Записи датчиков статического давления ДД1, ДД4, ДД7 и ДД10 в огневом испытании с кратковременной сменой рабочих режимов: ППД–ГПД–ППД.

Рис. 4.

Сравнение записей датчика ДД1 в огневых испытаниях ДФКС в режимах ППД и СД.

Таким образом, нами впервые разработана, изготовлена и испытана ДФКС, работающая на непрерывно-детонационном горении авиационного керосина ТС-1. В испытаниях зарегистрированы устойчивые режимы непрерывно-детонационного горения керосина. По сравнению с обычной форсажной камерой сгорания при том же уровне внутрикамерного давления удельный расход топлива в ДФКС оказался на 30% ниже, а удельная тяга и коэффициент форсирования тяги – на 30% выше. Улучшение удельных характеристик ДФКС объясняется значительным увеличением среднего статического давления в области потока, занятой продольно-пульсирующей или спиновой детонацией. Полученные результаты свидетельствуют о высоких потенциальных возможностях ДФКС применительно к перспективным воздушно-реактивным двигателям.