Możliwości rozwoju silników turbinowych z detonacyjną komorą spalania

• Autorzy: Wolański P. , Kalina P. , Balicki W. , Rowiński A. , Perkowski W. , Kawalec M. , Łukasik B.

Identyfikatory

DOI

10.5604/05096669.1226148

Warianty tytułu

EN

Growth opportunities for turbine engine with detonation combustion chamber

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule zaprezentowano obszerne badania zastosowania wirującej detonacji w silniku turbinowym. Stanowisko badawcze umożliwiało dostarczenie powietrza o wydatku 2,5 kg/s i ciśnieniu 2,5 bara z możliwością jego podgrzewania do ponad 100°C. Wykonano układ zasilania stanowiska paliwem podgrzewanym do 170°C oraz dodatkowo gazowym wodorem. Stanowisko badawcze wyposażone było w układy pomiarowe i sterowania: wydatkiem powietrza i paliwa oraz w system akwizycji danych w tym szybkozmiennych przebiegów cisnień w komorze spalania. Szeroko zakrojone badania wirującej detonacji realizowane były na otwartych i zdławionych komorach spalania oraz po dołączeniu ich do turbowałowego silnika GTD-350. Przedstawiono warunki uzyskania stabilnej detonacji. Stwierdzono, że w przypadku wirującej detonacji w silniku zasilanym gazowym wodorem sprawność cieplna może być podwyższona o 5-7 % w porównaniu do sprawności silnika z deflagracyjną komorą spalania.

EN

Extensive and complex studies of the application of continuously rotating detonation (CRD) to gas turbine are presented. Special installation of high pressure preheated air supply system was constructed which allows to supply air at rate of a few kg/s, preheated to more than 100°C and at initial pressure up to 2,5 bar. Supply system for Jet-A fuel which could be preheated to 170°C was also constructed. Additionally gaseous hydrogen supply system was added to the installation. Also measuring system for controlling air flow and measurements of detonation parameters was installed and data acquisition and control system implemented. Extensive research of conditions in which CRD could be established and supported in open flow detonation chambers, throttled chambers and finally in detonation chambers attached to the GTD-350 gas turbine engine where conducted. Condition for which stable detonation was achieved are presented. It was found that for conditions when the GTD-350 engine was supplied by gaseous hydrogen, thermal efficiency of the engine could be improved even by 5-7% as compare to the efficiency of the base engine.

Słowa kluczowe

PL

spalanie detonacyjne; wirująca detonacja; silnik turbinowy

EN

detonative combustion; rotating detonation; turbine engine

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2016
• Tom: Nr 3 (244)
• Strony: 202--214
• Opis fizyczny: Bibliogr. 31 poz., rys., schem., wykr.

Twórcy

autor

Wolański P.

• Instytut Lotnictwa, Al. Krakowska 110/114,02-256 Warszawa

autor

Kalina P.

• Centrum Technologii Kosmicznych, Zakład Napędów Lotniczych, Instytut Lotnictwa, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

autor

Balicki W.

• Centrum Technologii Kosmicznych, Zakład Napędów Lotniczych, Instytut Lotnictwa, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

autor

Rowiński A.

• Centrum Technologii Kosmicznych, Zakład Napędów Lotniczych, Instytut Lotnictwa, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

autor

Perkowski W.

• Centrum Technologii Kosmicznych, Zakład Napędów Lotniczych, Instytut Lotnictwa, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

autor

Kawalec M.

• Centrum Technologii Kosmicznych, Zakład Napędów Lotniczych, Instytut Lotnictwa, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

autor

Łukasik B.

• Centrum Technologii Kosmicznych, Zakład Napędów Lotniczych, Instytut Lotnictwa, Al. Krakowska 110/114, 02-256 Warszawa

Bibliografia

• [1] Zeldovich, Ya. B., 1940, "On Ihe use of delonative combustion in power engineering," J. Techn. Phys., Vol. 10, pp. 1453-1461 (in Russian).
• [2] Nicholls, J. A., Wilkinson, H. R., Morrison, R. B., 1957, "Intermittent Detonation as a Thrust-Producing Mechanism", Jet Propulsion, May 1957.
• [3] Wolański P., 2011, "Detonation Engines", Paper, Journal of KONES, Vol. 18, No. 3, pp. 515-521.
• [4] Wolański, P., 2013, "Delonative propulsion". Proceedings of the Combustion Institute, 34, pp. 125-158, Elsevier.
• [5] Voitsekhovskii, B. V, 1960, "Stationary spin detonation," J. Appl. Mech. Techn. Phys., Vol. 3, pp. 157-164 (in Russian).
• [6] Voitsekhovskii, B. V, Mitrofanov, V. V. and Topchiyan, M. E., 1963, "Structure of the detonation front in gases", Izdatielstvo SO AN SSSR, Novosibirsk (in Russian).
• [7] Nicholls J. A., et al, 1962, 'The Feasibility of a Rotating Detonation Wave Rocket Motor", The Univ. of Mich., ORA Report 05179-1-P.
• [8] Bykovskii F. A. and Vedernikov E. F., 2003, Continuous detonation of a subsonic flow of a propellant. Combustion, Explosion, and Shock Waves, Vol. 39, No. 3, pp. 323-334.
• [9] Bykovskii F. A., Zhdan S. A., and Vedernikov E. F., 2006, Continuous spin detonation of fuel-air mixtures. Combustion, Explosion, and Shock Waves, Vol. 42, No. 4, pp. 451-460. Kindracki J, Fujiwara T. Wolanski P., 2006, An experimental study of small rotating detonation engine, in: Pulsed and continuous detonation, Torus Press, pp. 332-338. Falempin, F., Daniau, E., Getin, N., Bykovskii, F. A., and Zhdan, S., 2006, "Toward a continuous detonation wave rocket engine demonstrator," 14th AIAA/AHI Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, AIAA2006-7956, Canberra, Australia, 6-9 Nov.
• [12] Davidenko, D., Jouot, F., Kudryavtsev, A., Dupre, G., Gokalp, I., Daniau, E., and Falempin, F., 2007, "Continuous detonation wave engine studies for space application," 2nd European Conference for Aero-Space Sciences (EUCASS 2007), Brussels, Belgium, 1-6 Jul.
• [13] Kindracki J., 2008, „Badania eksperymentalne i symulacje numeryczne procesu inicjacji wirującej detonacji gazowej", Praca doktorska, Politechnika Warszawska (PhD diesis, in Polish).
• [14] Zitoun R., and Desbordes D., 2011, 'TDE and RDE studies at PPRIME", Detonation Wave Propulsion Workshop, Bourges, France 11-13 July.
• [15] Wolański P., 2010, "Development of the continuous rotating detonation engines", in "Progress in Pulsed and Continuous Detonations", edited by G.D. Roy and S.M. Frolov, Moscow, Torus Press, pp. 395-406.
• [16] Adamson, Jr, T. C. and Olsson G.R, 1967, "Performance Analysis of a Rotating Detonation Wave Rocket Engine", Acta Astronautica, Vol. 13, pp. 405-415.
• [17] Shen Peter I-wu and Adamson, Jr, T. C, 1972, 'Theoretical Analysis of a Rotating Two-Phase Detonation in Liquid Rocket Motors", Acta Astronautica, Vol. 17, pp. 715-728.
• [18] Hishida M., Fujiwara T. and Wolański P., 2009, "Fundamentals of rotating detonation". Shock Waves, 19.
• [19] Kindracki J., Kobiera A., Wolański P., Gut Z., Folusiak M., Swiderski K., 2011, "Experimental and Numerical Research on the Rotating Detonation Engine in Hydrogen-air Mixture", Advances in Propulsion Physics, Edited by S. Frolov, Torus Press.
• [20] Wolański P., 2012, "Experimental and Numerical Research of Continuous Rotating Detonation in Poland", IWDP, Tsukuba, Japan.
• [21] Schwer D. A., Kailasanath K., 2010, "Numerical Investigation of Rotating Detonation Engines", 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 25-28 July, Nashville, TN, AIAA Paper 2010-6880.
• [22] Shao Ye-Tao, Wang Jian-Ping, 2010, "Continuous Detonation Engine and the Effects of Different Types of Nozzles on its Propulsion Performance", Chinese Journal of Aeronautics, 23, pp. 647-652.
• [23] Kailasanath K., Cheatham C. Li, S., Patnaik G., and SchwerD.,2011, "Detonation Wave Engine Research at NRL", Detonation Wave Propulsion Workshop, Bourges, France 11-13 July.
• [24] Davidenko D., Eude Y., Gokalp, I. and Falempin, F., 2011, "Theoretical and Numerical Studies on Continuous Detonation Wave Engines", Detonation Wave Propulsion Workshop, Bourges, France 11-13 July.
• [25] Yamada, T., Hayashi, A. K., Yamada, E., Tsuboi, N., Tangirala, V. E., 2010, "Numerical Analysis of Threshold of Limit Detonation in Rotating Detonation Engine", 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace 4-7 January, Orlando, Florida, AIAA 2010-153.
• [26] Balicki W., Chachurski R., Głowacki P., Kozakiewicz A., Szczecinski S., 2011, „Wloty powietrza turbinowych silnikow odrzutowych i ich wplyw na wlasciwosci lotne samolotow oraz zagrozenie bezpieczenstwa latania", Prace Instytutu Lotnictwa, nr 213, s. 47-54.
• [27] Balicki, W, 2011, „Realizacja ograniczen dopuszczalnych parametrow pracy w strukturze układu automatycznego sterowania lotniczego silnika turbinowego", Prace Instytutu Lotnictwa, nr 213, s. 212-223.
• [28] Głowacki, P., Szczeciński, S., 2011, „Turbinowy silnik odrzutowy jako źródło zagroże ekologicznych", Prace Instytutu Lotnictwa, nr 213, s. 252-257.
• [29] Balicki, W., Chachurski, R., Kawalec, K., Kozakiewicz A., Rowiński A., Szczeciński S., 2009, „Praca niestateczna silnikow turbinowych", Prace Instytutu Lotnictwa, nr 199, s. 50-55.
• [30] Wiśniowski W., Kalina P., 2015, „Silniki spalinowe w Instytucie Lotnictwa", Combustion Engines, 3,162.
• [31] Wiśniowski W., Wolański P., 2014, „Rola Instytutu Lotnictwa w badaniach kosmicznych", Prace Instytutu Lotnictwa, Nr 1 (234), s. 9-16.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę