Золотниковая КС со сгоранием по циклу Хамфри и внутренним волновым сжатием

[JohnDoe]

Приветствую!
После долгих размышлений решил поделиться зачатками идеи. Собственно хотелось повысить экономичность существующих ВРД(ПУВРД, ГТД в различных вариациях). Давненько уже изучалось и придумывал ось на тему ЗКС с циклом при постоянном объёме, например, дтн Богданова из НПО "Сатурн" данными по которой в свое время щедро поделился Юрий Карханов, ныне покойный, к сожалению. Изложенное ниже во многом базируется именно на этих сведениях. Итак

 

[JohnDoe]

Сабж представляет из себя осевую прямоточную золотниковую камеру сгорания(далее ЗКС) разделенную дисковыми золотниками(4шт, впускной з#1, выпускной з#4 и перепускные з#2, з#3) на 3 части: начальную камеру сгорания занимающую 1/4 объёма(далее КС#1) , участок расширения/сжатия в средней части занимающий 1/3(далее УРС) и вторую камеру сгорания(далее КС#2) в задней, по ходу движения потока, части также занимающую 1/3 объёма. В КС#1 и КС#2 установлены топливная форсунка и свеча зажигания. Конструкция ЗКС обеспечивает предотвращение перетекания газов через окна золотников в окружающую среду и, если они существуют соседние ЗКС. Объёмы частей могут быть и другими, золотники могут быть заменены, например, на шаровые клапаны и пр, ЗКС может быть многокамерной, вращаться могут не золотники, а сама ЗКС и тд, но для примера будем рассматривать именно вышеозвученный вариант.

 

[JohnDoe]

Как это работает:
Фаза 1:
- вначале посредством окон во всех 4х золотниках организовывается продувка и заполнение свежим воздухом всех 3х объёмов ЗКС.

 

[JohnDoe]

Фаза 2:
- поворотом золотников все 3 объёма отсекаются от окр. среды и в КС#1 впрыскивается форсункой и поджигается свечей топливо. В это время в остальных объёмах идёт подогрев воздуха от стенок.

 

[JohnDoe]

Фаза 3:
- по завершению горения и/или достижения максимального давления и температуры в КС#1 перепускными золотниками з#2 и з#3 газы перепускаются из КС#1 и истекая из неё, вытесняют воздух из УРС в КС#2 сжимая его.

 

[JohnDoe]

Фаза 4:
- по завершению сжатия золотниками з#2 и з#3 КС#2, КС#1 и УРС вновь изолируются(это нужно для предотвращения утечек через окна)
В КС#2 форсункой впрыскивается топливо и поджигается свечой(возможно и самовоспламенение при определённых условиях) .

 

[JohnDoe]

Фаза 5:
- по завершению горения и/или достижения максимальных значений температуры и давления выпускным золотником з#4 КС#2 открывается и газ из неё истекает совершая полезную работу в сопле, на лопатках турбины и пр.

 

[JohnDoe]

Фаза 6:
- после падения давления ниже определённого предела золотниками з#2 и з#3 открываются на выпуск также остальные объёмы ЗКС и из них истекают газы которые использовались в процессе сжатия. Их остаточная энергия хотя и небольшая плюсуется к энергии основного потока газов(из КС#2)

 

[JohnDoe]

И как завершение:
-после падения давления во всей ЗКС ниже атмосферного золотником з#1(впускной) открывается доступ в окр.среду. Начинается продувка и заполнение объёмов ЗКС свежим зарядом. Цикл замкнулся.

 

[JohnDoe]

Достоинства:
Прямоточноое движение газа от выпуска к выпуску. Минимальные потери давления. Даже в безнаддувном варианте можно получить 3/4 массы газа с давлением(и соответственно температурой) 12-14 бар, остальная 1/4 массы газа будет иметь давление 2-2,25 бара . Высокий КПД. С наддувом параметры растут, в теории, пропорционально.
Вот, как-то так, в общих чертах.

 

[Дьулус]

Специфический звук представляется. С увеличением оборотов думаю требуется изменение фаз в едином золотниковой узле. Испытать бы в ансис.

 

[JohnDoe]

Специфический звук представляется. С увеличением оборотов думаю требуется изменение фаз в едином золотниковой узле. Испытать в ансис.

Звук будет, конечно, не комильфо, что-то вроде "ора" ПУВРД или поршневика без глушителя. Хотя авиапоршневики глушителя не имеют как правило, скажем на том же Ан2. К тому же есть способы шум снизить.
Что касается изменения фаз, то тут опять же можно сослаться на опыт поршневых двигателей у которых открытия/закрытия клапанов задаётся распредвалом, а в простых 2тактниках вообще поршнем, и это никому особо не мешает их использовать. Технология изменения фаз в поршневиках существует, но не сказать, что массово применяется.
Собсно в сабже можно сделать изменение перекрытия фаз/окон золотников. В варианте когда вращается ротор из ЗКС, а золотники неподвижны(т.с. "прямая" схема, ЗКС Дормидонтова) реализовать регулирование фаз вообще не проблема, просто поворачивать золртники на нужный угол относительно друг друга. Но там свои нюансы вылезают, типа недостаточности быстро действия форсунок с ростом оборотов, большие сложности с поджигом смеси и тд.
Имху

 

[Bulagen]

Я в свое время грезил револьверным детонационным ВРД с золотниковым клапаном...

 

[Bulagen]

Зачем три последовательных КС в одном блоке пока не очень понятно...

 

[Дьулус]

Зачем три последовательных КС в одном блоке пока не очень понятно...

Можно представить данное упрощение как что то радиально-многокамерное, вокруг оси вращения золотника.

В данной схеме наверно можно еще применить двутопливность с дизельным, а может даже врыск воды или перегретого пара?

 

[JohnDoe]

Можно представить данное упрощение как что то радиально-многокамерное, вокруг оси вращения золотника.

Именно это, в конечном итоге и подразумевалось. Такой проект был у группы Богданова из НПО "Сатурн", ранее упомянутвя ЗКС Дормидонтова(фамилия не совсем точная может быть). Но у меня вращается не ротор, барабан револьвер, а золотники. Ну и объем поделен на три части. У сатурновцев горение происходит во всем объёме сразу. Резоны в следующем ответе (и чуть раньше в стартовых сообщениях темы)

 

[JohnDoe]

Зачем три последовательных КС в одном блоке пока не очень понятно...

Если КС едина, то сжигая все топливо во всем объёме воздуха в безнаддувном варианте (цикл Ленуара, как частный случай цикла Хамфри) можно получить максимум 12 бар. 6 бар реально получено на экспериментальной однокамерной ЗКС Богданова в НПО "Сатурн". Это при альфа около 2.
Если поделить КС на три части, и организовать процесс как мной предложено, то:
В КС#1 получаем 1/4 объёма с давлением 6бар.
Перепуском с помощью этого газа сжимаем остальные 3/4 до давления 2,25 бар (примерно так получается по условиям барического равновесия) и изолировав их в КС#2 држигаем в ней оставшиеся 3/4 части топлива. Как помнится, при этом конечное давление растёт пропорционально начальном. 2,25 * 6 = 13,5 бар.
Таким образом получаем вместо целого объёма(1) с давлением 6 бар, 3/4 с давлением 13,5бар + ещё 1/4 с давлением 2,25 бара. Это выгоднее при тех же топливных затратах.
Имху

 

[JohnDoe]

Поправка:
В последнем абзаце предыдущего сообщения нужно читать вместо "объем" "масса газа"

 

[voleg]

если я правильно понял, то объёмное содержание окислителя во второй и третьей камерах будет на треть меньше, это учитывается при расчёте эффективности?
Поскольку это равносильно повышению давления в камере сгорания наддувом инертным газом.

 

[JohnDoe]

если я правильно понял, то объёмное содержание окислителя во второй и третьей камерах будет на треть меньше, это учитывается при расчёте эффективности?
Поскольку это равносильно повышению давления в камере сгорания наддувом инертным газом.

Нет. Во второй и третьей части в рассматираемом варианте будет объёмное и массовое содержание окислителя 3/4, потому что КС#1 в данном случае занимает 1/4 от общего объёма. В ней, изолированной от остальных двух объёмов, соответственно сжигается 1/4 от цикловой массы топлива. После завершения сгорания открыванием перепускного золотника з#2 газы из неё выпускаются в остальные объёмы (перепускной золотник з#3 при этом открывает впуск в КС#2, выпуск из КС#2 все так же перекрыт выпускным золотником з#4). Эти газы расширяются и сжимают, "заталкивают" воздух из 2 обьема(УРС) в КС#2. В конце процесса расширения газов из КС#1 и сжатия ими оставшихся 3/4 воздуха он весь оказывается в КС#2, занимая при этом 1/3 от общего объёма. Перепускными золотниками з#2 и з#3 ВСЕ обьемы(и КС#1, и УРС, и КС#2) вновь изолируются друг от друга и от окружающей среды(тк впускной з#1 и выпускной з#4 золотники не открывались до сих пор) и уже в КС#2 содержащую сжатые 3/4 воздуха впрыскивается и сжигаются остальные 3/4 части топлива. Т.к. конечное давление сгорания кратно начальному, то при этом получаем рост давления в конце сгорания. Для данного примера, исходя из принятой степени повышения давления "6", в КС#2 будет 13,5 бар. Если бы мы просто сожгли весь заряд, все 100% смеси с начальным давлением равным атмосферному, те "1"(как мы делаем это в КС#1), то мы бы имели 100% массы газа с давлением 6 бар. А так мы емеем в конце всего процесса сгорания 1/4 МАССЫ газа с давлением 2,25 бара занимающий 2/3 обьема(КС#1 и УРС) ПЛЮС 3/4 МАССЫ газа с давлением 13,5 бар занимающейся 1/3 объёма. Даже без учёта энергии, давления и температуры 1/4 заряда которую мы потратили на сжатие, мы получили рост параметров в (3/4) * 13,5 / 6 = 1,6875 раза. С учётом "остатков" вообще в 1,78125. А топлива, воздуха потратили столько же. С учётом потерь будет скромнее, ессно, но на полуторный рост я бы вполне рассчитывал. Подчеркну ещё раз, В ДАННЫХ ВЫБРАННЫХ ПРОПОРЦИЯХ И УСЛОВИЯХ. А так там вариантов вырисовывается вагон.
Имху