ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ПРОЦЕССОВ В ДЕТОНАЦИОННЫХ ТРУБАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИОНИЗАЦИОННЫХ РЕГИСТРАТОРОВ
72 П. А. Галайдин, Ю. Н. Мустафаев, А. И. Мустейкис
УДК 681.518
П. А. ГАЛАЙДИН, Ю. Н. МУСТАФАЕВ, А. И. МУСТЕЙКИС
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ПРОЦЕССОВ В ДЕТОНАЦИОННЫХ ТРУБАХ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИОНИЗАЦИОННЫХ РЕГИСТРАТОРОВ
Использование управляемой детонации позволит создавать новые системы реактивного движения и энергетические установки. Для изучения процессов, происходящих в детонационной трубе, создан макет, в котором в качестве датчиков применены ионизационные регистраторы, а также эффективная схема измерения и фиксации полученных результатов.
Ключевые слова: ионизационный регистратор, детонация, измерение, проводимость, ударная волна, формирующий усилитель.
В настоящее время активно ведутся научно-исследовательские и опытноконструкторские работы по использованию управляемой детонации в новых системах реактивного движения и других энергетических установках. Детонация — самый эффективный из всех возможных способов прямого сжигания вещества. По сравнению с прямоточным воздушно-реактивным двигателем с обычным горением двигатель, в котором использована детонация, способен обеспечить экономию топлива до 30 % [1].
Одной из главных проблем при создании импульсных детонационных двигателей (ИДД) является низкая детонационная способность топливно-воздушных смесей, пригодных для применения в летательных аппаратах (смеси пропана или керосина с воздухом). Эти смеси отличаются крайне высокой энергией инициирования детонации (порядка сотен килоджоулей), что не позволяет инициировать процесс детонации напрямую источником зажигания с мощностью, приемлемой для летательного аппарата. Использование подобных видов топлива в ИДД возможно только при использовании части топливно-воздушной смеси в процессе перехода медленного горения, инициируемого источником зажигания малой мощности, в детонацию в камере сгорания ИДД. Очевидно, что этот подход связан с потерей удельного импульса тяги двигателя, поэтому необходимо изучать влияние различных факторов на процесс превращения медленного горения в детонацию с целью минимизации преддетонационного расстояния и соответственно потерь удельного импульса тяги ИДД.
В классическом представлении детонация — это распространение по топливной смеси сложного трехмерного процесса, состоящего из детонационной волны и зоны реакции за ней. Детонационная волна распространяется по несгоревшей топливной смеси с постоянной скоростью, зависящей только от состава топливной смеси. Для представляющих практический интерес пропано-воздушной и керосино-воздушной смесей скорость распространения детонационной волны составляет примерно 1800 м/с [2, 3]. Достоверное измерение скорости горения и распространения детонации в детонационной трубе требует поиска оригинальных методов и способов.
Существует ряд способов измерения характеристик быстропеременных процессов. В настоящее время для точной регистрации скоростей процессов в детонационных трубах применяются методы
— фиксации распространения волн давления в детонационной камере с помощью акустических пьезоэлектрических датчиков давления;
— фиксации распространения фронта горения фотодатчиками; — регистрации изменения показателя преломления газа (так называемый шлирен-метод, основанный на обнаружении оптических неоднородностей в прозрачных преломляющих средах и дефектов отражающих поверхностей, предложенный немецким ученым Теплером [4]).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 5
Измерение скорости процессов в детонационных трубах
73
Датчики акустического давления предназначены для измерения относительно малых
уровней давления и имеют ограничения по температуре. Акустические датчики работают в
диапазоне температур от – 70 до +200 °С при воздействии избыточного медленноменяющего-
ся давления до 0,2 МПа. Чувствительность датчика при изменении давления и температуры
отклоняется на ±30 %. Диапазон частот для данного типа датчиков составляет от 3 до 4000 Гц
[5]. Эти ограничения приводят к механической неустойчивости при измерении скорости рас-
пространения детонации. Применение акустических датчиков показало, что данный метод
неприемлем: после нескольких экспериментов датчики давления выходили из строя.
Использование оптического метода контроля позволяет получать достоверные резуль-
таты, однако при этом используется дорогостоящее измерительное оборудование, изменяю-
щее сечение детонационной трубы. Кроме того, вследствие присутствия продуктов горения в
детонационной камере изменяются и свойства канала оптического измерения [6]. Поэтому
был выбран метод измерения, основанный на регистрации процессов ионизации.
Метод, описываемый в настоящей работе, заключается в фиксировании изменения элек-
тронной проводимости среды ионизационными Электроды Изолятор регистраторами. В детонационной волне продук-
ты горения, находящиеся под большим давлени-
ем при высокой температуре, сильно ионизиро-
ваны и плотность электронов достигает 1017—
1020 см–3. При этом проводимость среды оказы-
вается выше, чем проводимость полупроводников.
В исходном состоянии пропано-воздушная и керо-
сино-воздушная смеси являются хорошим изоля-
Рис. 1
тором. Эти свойства позволили разработать достаточно простые и эффективные ионизацион-
ные регистраторы (рис. 1).
Торцы двух электродов регистратора, вмонтированных в изолятор, устанавливаются в
плоскости внутренней стенки детонационной трубы. Расстояние между электродами около
1 мм. Три ионизационных регистратора располагаются в детонационной трубе. На свечу по-
дается электрический импульс, поджигающий горючую смесь в камере инициирования.
При прохождении фронта пламени по детонационной трубе ионизированный газ замыкает
цепь между электродами, что приводит к резкому скачку напряжения в цепях регистраторов.
Ионизационные регистраторы соединены через конденсаторы малой емкости С1, С2 и
С3 с входами формирующих усилителей. Конденсаторы предварительно заряжаются до на-
пряжения питания через ограничивающие сопротивления R1, R2 и R3 (рис. 2).
+12 В
К системе измерения
R1 R2 R3
Формирующий усилитель № 1 Формирующий усилитель № 2
C1 C2 C3
Формирующий усилитель № 3
Ионизационный Ионизационный Ионизационный регистратор № 1 регистратор № 2 регистратор № 3
Рис. 2
В момент замыкания первого датчика ионизированным фронтом детонационной волны конденсатор С1 начинает разряжаться через ионизационный регистратор № 1 и входное сопротивление формирующего усилителя № 1. Возникает кратковременный (из-за малой
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 5
74 П. А. Галайдин, Ю. Н. Мустафаев, А. И. Мустейкис
емкости конденсатора) импульс разрядного тока, который вызывает появление скачка напряжения на входе формирующего усилителя № 1. Параметры выходного сигнала (длительность, крутизна фронта нарастания) определяются значениями R1, С1 и степенью ионизации продуктов горения в детонационной трубе. Когда фронт детонации достигает ионизационных регистраторов № 2 и 3, аналогичные импульсы последовательно поступают на входы остальных формирующих усилителей.
Формирование сигналов осуществляется быстродействующими операционными усилителями с высоким входным сопротивлением и двухполярным питанием. Электрическая схема одного из формирователей приведена на рис. 3. Выход усилителя нагружен делителем R4.
+U +Uпит
R1 C1
Ионизационный регистратор
R2
R4 R5
R3
–Uпит
Рис. 3
Сигнал с резисторов R5 каждого из формирователей поступает на регистратор (см.
рис. 2). Регистратор представляет собой персональный компьютер, в слоты расширения кото-
рого установлены три двухканальных быстродействующих (частота дискретизации 200 МГц)
осциллографа БОРДО 221 фирмы Аурис с еди-
ной схемой синхронизации, позволяющих фик-
сировать сигналы как в непрерывном, так и в
ждущем однократном режиме. Синхронизирую-
щий сигнал на запись поступает от схемы управ-
ления ионизирующей свечой.
На рис. 4 приведен пример осциллограммы
показаний регистратора. Отчетливо виден пик
напряжения в цепи при прохождении фронта
ударной волны. Следующие за первым скачком
колебания напряжения в цепи регистратора,
регистрируемые за первым пиком, связаны с
прохождением зоны турбулентного горения, сле-
дующей за фронтом пламени, в которой смесь
имеет различную электронную проводимость.
Рис. 4
Измерив время между пиками сигналов и зная
расстояние между ионизационными регистраторами, можно вычислить скорость прохожде-
ния ударной волны.
Разработанный комплекс аппаратуры позволяет надежно и достоверно измерять ско-
рость прохождения фронта ударной волны, что подтверждается многократными эксперимен-
тами.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 5
Измерение скорости процессов в детонационных трубах
75
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фролов С. М. Импульсное детонационное горение: новое поколение энергетических установок // Интеграл. 2008. № 3(41). С. 44—45.
2. Лоскутова Л. А., Егоров А. П., Козлов А. С. Определение скорости быстропротекающих процессов. Методические указания. СПб: СПбГТУ, 2002.
3. Даню Э., Фалемпа Ф., Кантен Г., Зито Р., Дебор Д. Импульсные детонационные двигатели: удельный импульс, сопла и входные устройства // Импульсные детонационные двигатели. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006. С. 447—474.
4. Валюс H. А. Растровые оптические приборы. M., 1966.
5. Богуш М. В. Оценка механической надежности пьезоэлектрических датчиков акустических давлений в рабочем диапазоне температур // Приборы. 2008. № 11.
6. Kowalkowski M., Matsutomi Y., Heister S. Flame Sensing in Pulsed Combustion Using Ion Probes, Diodes and Visual Indications // 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf. & Exhibit. Denver, Colorado, 2009.
Сведения об авторах Павел Андреевич Галайдин — д-р техн. наук, профессор; Балтийский государственный технический уни-
верситет „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф. Устинова, кафедра электротехники, СанктПетербург; E-mail: pag-N7@yandex.ru Юсиф Ниязович Мустафаев — Балтийский государственный технический университет „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф. Устинова, кафедра электротехники, Санкт-Петербург; доцент; E-mail: mustafaev@ss.ru Антон Иванович Мустейкис — аспирант; Балтийский государственный технический университет „ВОЕНМЕХ“ им. Д.Ф. Устинова, кафедра электротехники, Санкт-Петербург; E-mail: a.musteykis@gmail.com
Рекомендована кафедрой прикладной механики
Поступила в редакцию 15.04.10 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 5
УДК 681.518
П. А. ГАЛАЙДИН, Ю. Н. МУСТАФАЕВ, А. И. МУСТЕЙКИС
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ПРОЦЕССОВ В ДЕТОНАЦИОННЫХ ТРУБАХ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИОНИЗАЦИОННЫХ РЕГИСТРАТОРОВ
Использование управляемой детонации позволит создавать новые системы реактивного движения и энергетические установки. Для изучения процессов, происходящих в детонационной трубе, создан макет, в котором в качестве датчиков применены ионизационные регистраторы, а также эффективная схема измерения и фиксации полученных результатов.
Ключевые слова: ионизационный регистратор, детонация, измерение, проводимость, ударная волна, формирующий усилитель.
В настоящее время активно ведутся научно-исследовательские и опытноконструкторские работы по использованию управляемой детонации в новых системах реактивного движения и других энергетических установках. Детонация — самый эффективный из всех возможных способов прямого сжигания вещества. По сравнению с прямоточным воздушно-реактивным двигателем с обычным горением двигатель, в котором использована детонация, способен обеспечить экономию топлива до 30 % [1].
Одной из главных проблем при создании импульсных детонационных двигателей (ИДД) является низкая детонационная способность топливно-воздушных смесей, пригодных для применения в летательных аппаратах (смеси пропана или керосина с воздухом). Эти смеси отличаются крайне высокой энергией инициирования детонации (порядка сотен килоджоулей), что не позволяет инициировать процесс детонации напрямую источником зажигания с мощностью, приемлемой для летательного аппарата. Использование подобных видов топлива в ИДД возможно только при использовании части топливно-воздушной смеси в процессе перехода медленного горения, инициируемого источником зажигания малой мощности, в детонацию в камере сгорания ИДД. Очевидно, что этот подход связан с потерей удельного импульса тяги двигателя, поэтому необходимо изучать влияние различных факторов на процесс превращения медленного горения в детонацию с целью минимизации преддетонационного расстояния и соответственно потерь удельного импульса тяги ИДД.
В классическом представлении детонация — это распространение по топливной смеси сложного трехмерного процесса, состоящего из детонационной волны и зоны реакции за ней. Детонационная волна распространяется по несгоревшей топливной смеси с постоянной скоростью, зависящей только от состава топливной смеси. Для представляющих практический интерес пропано-воздушной и керосино-воздушной смесей скорость распространения детонационной волны составляет примерно 1800 м/с [2, 3]. Достоверное измерение скорости горения и распространения детонации в детонационной трубе требует поиска оригинальных методов и способов.
Существует ряд способов измерения характеристик быстропеременных процессов. В настоящее время для точной регистрации скоростей процессов в детонационных трубах применяются методы
— фиксации распространения волн давления в детонационной камере с помощью акустических пьезоэлектрических датчиков давления;
— фиксации распространения фронта горения фотодатчиками; — регистрации изменения показателя преломления газа (так называемый шлирен-метод, основанный на обнаружении оптических неоднородностей в прозрачных преломляющих средах и дефектов отражающих поверхностей, предложенный немецким ученым Теплером [4]).
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 5
Измерение скорости процессов в детонационных трубах
73
Датчики акустического давления предназначены для измерения относительно малых
уровней давления и имеют ограничения по температуре. Акустические датчики работают в
диапазоне температур от – 70 до +200 °С при воздействии избыточного медленноменяющего-
ся давления до 0,2 МПа. Чувствительность датчика при изменении давления и температуры
отклоняется на ±30 %. Диапазон частот для данного типа датчиков составляет от 3 до 4000 Гц
[5]. Эти ограничения приводят к механической неустойчивости при измерении скорости рас-
пространения детонации. Применение акустических датчиков показало, что данный метод
неприемлем: после нескольких экспериментов датчики давления выходили из строя.
Использование оптического метода контроля позволяет получать достоверные резуль-
таты, однако при этом используется дорогостоящее измерительное оборудование, изменяю-
щее сечение детонационной трубы. Кроме того, вследствие присутствия продуктов горения в
детонационной камере изменяются и свойства канала оптического измерения [6]. Поэтому
был выбран метод измерения, основанный на регистрации процессов ионизации.
Метод, описываемый в настоящей работе, заключается в фиксировании изменения элек-
тронной проводимости среды ионизационными Электроды Изолятор регистраторами. В детонационной волне продук-
ты горения, находящиеся под большим давлени-
ем при высокой температуре, сильно ионизиро-
ваны и плотность электронов достигает 1017—
1020 см–3. При этом проводимость среды оказы-
вается выше, чем проводимость полупроводников.
В исходном состоянии пропано-воздушная и керо-
сино-воздушная смеси являются хорошим изоля-
Рис. 1
тором. Эти свойства позволили разработать достаточно простые и эффективные ионизацион-
ные регистраторы (рис. 1).
Торцы двух электродов регистратора, вмонтированных в изолятор, устанавливаются в
плоскости внутренней стенки детонационной трубы. Расстояние между электродами около
1 мм. Три ионизационных регистратора располагаются в детонационной трубе. На свечу по-
дается электрический импульс, поджигающий горючую смесь в камере инициирования.
При прохождении фронта пламени по детонационной трубе ионизированный газ замыкает
цепь между электродами, что приводит к резкому скачку напряжения в цепях регистраторов.
Ионизационные регистраторы соединены через конденсаторы малой емкости С1, С2 и
С3 с входами формирующих усилителей. Конденсаторы предварительно заряжаются до на-
пряжения питания через ограничивающие сопротивления R1, R2 и R3 (рис. 2).
+12 В
К системе измерения
R1 R2 R3
Формирующий усилитель № 1 Формирующий усилитель № 2
C1 C2 C3
Формирующий усилитель № 3
Ионизационный Ионизационный Ионизационный регистратор № 1 регистратор № 2 регистратор № 3
Рис. 2
В момент замыкания первого датчика ионизированным фронтом детонационной волны конденсатор С1 начинает разряжаться через ионизационный регистратор № 1 и входное сопротивление формирующего усилителя № 1. Возникает кратковременный (из-за малой
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 5
74 П. А. Галайдин, Ю. Н. Мустафаев, А. И. Мустейкис
емкости конденсатора) импульс разрядного тока, который вызывает появление скачка напряжения на входе формирующего усилителя № 1. Параметры выходного сигнала (длительность, крутизна фронта нарастания) определяются значениями R1, С1 и степенью ионизации продуктов горения в детонационной трубе. Когда фронт детонации достигает ионизационных регистраторов № 2 и 3, аналогичные импульсы последовательно поступают на входы остальных формирующих усилителей.
Формирование сигналов осуществляется быстродействующими операционными усилителями с высоким входным сопротивлением и двухполярным питанием. Электрическая схема одного из формирователей приведена на рис. 3. Выход усилителя нагружен делителем R4.
+U +Uпит
R1 C1
Ионизационный регистратор
R2
R4 R5
R3
–Uпит
Рис. 3
Сигнал с резисторов R5 каждого из формирователей поступает на регистратор (см.
рис. 2). Регистратор представляет собой персональный компьютер, в слоты расширения кото-
рого установлены три двухканальных быстродействующих (частота дискретизации 200 МГц)
осциллографа БОРДО 221 фирмы Аурис с еди-
ной схемой синхронизации, позволяющих фик-
сировать сигналы как в непрерывном, так и в
ждущем однократном режиме. Синхронизирую-
щий сигнал на запись поступает от схемы управ-
ления ионизирующей свечой.
На рис. 4 приведен пример осциллограммы
показаний регистратора. Отчетливо виден пик
напряжения в цепи при прохождении фронта
ударной волны. Следующие за первым скачком
колебания напряжения в цепи регистратора,
регистрируемые за первым пиком, связаны с
прохождением зоны турбулентного горения, сле-
дующей за фронтом пламени, в которой смесь
имеет различную электронную проводимость.
Рис. 4
Измерив время между пиками сигналов и зная
расстояние между ионизационными регистраторами, можно вычислить скорость прохожде-
ния ударной волны.
Разработанный комплекс аппаратуры позволяет надежно и достоверно измерять ско-
рость прохождения фронта ударной волны, что подтверждается многократными эксперимен-
тами.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 5
Измерение скорости процессов в детонационных трубах
75
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фролов С. М. Импульсное детонационное горение: новое поколение энергетических установок // Интеграл. 2008. № 3(41). С. 44—45.
2. Лоскутова Л. А., Егоров А. П., Козлов А. С. Определение скорости быстропротекающих процессов. Методические указания. СПб: СПбГТУ, 2002.
3. Даню Э., Фалемпа Ф., Кантен Г., Зито Р., Дебор Д. Импульсные детонационные двигатели: удельный импульс, сопла и входные устройства // Импульсные детонационные двигатели. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2006. С. 447—474.
4. Валюс H. А. Растровые оптические приборы. M., 1966.
5. Богуш М. В. Оценка механической надежности пьезоэлектрических датчиков акустических давлений в рабочем диапазоне температур // Приборы. 2008. № 11.
6. Kowalkowski M., Matsutomi Y., Heister S. Flame Sensing in Pulsed Combustion Using Ion Probes, Diodes and Visual Indications // 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conf. & Exhibit. Denver, Colorado, 2009.
Сведения об авторах Павел Андреевич Галайдин — д-р техн. наук, профессор; Балтийский государственный технический уни-
верситет „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф. Устинова, кафедра электротехники, СанктПетербург; E-mail: pag-N7@yandex.ru Юсиф Ниязович Мустафаев — Балтийский государственный технический университет „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф. Устинова, кафедра электротехники, Санкт-Петербург; доцент; E-mail: mustafaev@ss.ru Антон Иванович Мустейкис — аспирант; Балтийский государственный технический университет „ВОЕНМЕХ“ им. Д.Ф. Устинова, кафедра электротехники, Санкт-Петербург; E-mail: a.musteykis@gmail.com
Рекомендована кафедрой прикладной механики
Поступила в редакцию 15.04.10 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 5