Эжекторно-сопловой аппарат
Изобретение относится к машиностроительной отрасли, в частности к производству эжекторно-сопловых аппаратов для гидрореактивных двигателей. Аппарат содержит неподвижный узел-планшайбу, снабженную аксиально-секционированными полостями, каждая из которых посредством каналов и отверстий соединена с магистралями жидкости или газа под давлением. Подвижный узел содержит многосопловую головку с хвостовиком-валом, установленным в центральном отверстии планшайбы. Подвижный подузел снабжен упругодеформируемой втулкой с винтообразными прорезями, а сопла головки - ствольными насадками с возможностью вращения. Хвостовик-вал кинематически связан с электро- или гидроприводом. В одной из секционированных полостей размещена кольцевая камера, соединенная с магистралью подвода газообразной взрывчатой смеси. В планшайбе на одном диаметре с другими ее отверстиями имеется глухое отверстие - гнездо, соединенное с кольцевой камерой каналом, на пути которого встроены обратный клапан с запальником и отсекатель-дозатор в виде прямоугольной подпружиненной пластины, в которую встроен жиклер. Носик дозатора находится в контактно-скользящем сопряжении с лобовой поверхностью головки, у которой на одном диаметре с дозатором выполнены пазы сегментообразной формы, глубина которых соответствует ходу открывания - закрывания отверстия жиклера дозатора. Аппарат в виде моноблока смонтирован в отсеке корпуса обтекателя, к которому посредством пилонов закреплена тонкостенная втулка - эжекторный ствол, стенки которого выполнены из винтообразных взаимосопрягаемых ленточных полос и формообразуют конфузорно-диффузорный контур ствола, выхлопной торец которого кинематически связан с кольцевым гидроцилиндром. Обтекатель посредством пилона прикреплен к плавсредству. Энергоподводящие магистрали аппарата соединены со стационарными энергоисточниками и пультом управления на плавсредстве через туннельный канал в пилоне. Достигается увеличение КПД. 8 ил.
Изобретение относится к машиностроению, в частности к производству эжекторно-сопловых аппаратов для гидрореактивных двигателей (ГРД), преимущественно надводных плавсредств.
Известны гидро- и пневмоэжекторные сопловые аппараты дробеметно-дробеструйных камер (А.С.872235, БИ №38, 1981 г.; А.С.1093521, БИ №19, 1984 г.; А.С.1553361, БИ №12, 1990 г.; А.С.1799717, БИ №9, 1993 г.; Пат. 2106236 БИ №7,1998 г.).
Известные аппараты содержат неподвижный узел, представляющий собой планшайбу с кольцевой полостью и центрально-осевым отверстием и каналами подвода газа или жидкости под давлением в полость. Кроме того, в состав неподвижного узла входит упругодемпфирующая втулка конфузорной формы (А.С. 1799717, БИ №9, 1993 г.). Подвижный узел аппарата представляет собой многосопловую головку в виде револьверного барабана с центральным валом-хвостовиком, который с возможностью вращения от привода установлен в центрально-осевом отверстии планшайбы.
Известны также устройства, которые содержат цилиндрические, аксиально-симметрично расположенные друг относительно друга полости, которые снабжены окнами и каналами с эжекторными стволами по образующей полости, при этом отверстия внешнего цилиндра (ступицы абразивного круга) являются выходными отверстиями, и оба ряда отверстий внутреннего цилиндра совпадают с центрами радиальных каналов круга (А.С. 1636202, БИ №11, 1988 г.; Пат. 2188120, БИ №24, 2002 г.), Б.В.Войцеховский и др. «Структура фронта детонации в газах», изд. Сибир. отд. АН СССР, 1963 г.
Из группы известных изобретений наиболее близкими аналогами по существу являются а.с. 1799717 и пат. 2188120, совместно используемые в заявленном эжекторно-сопловом аппарате.
Известные аналоги: эжекторно-сопловой аппарат и устройство обеспечивают формирование скоростного жидкостно-газового пульсирующего потока и в совокупности своих основных признаков могут быть приняты за прототип предлагаемого эжекторно-соплового аппарата по новому назначению.
Технической задачей изобретения является увеличение КПД аппарата путем повышения баллистических характеристик скоростного жидкостно-газового пульсирующего эжекционного потока.
Технический результат достигается за счет того, что эжекторно-сопловой аппарат, содержащий неподвижный узел - планшайбу, снабженную аксиально-секционированными полостями, каждая из которых посредством каналов и отверстий соединена с магистралями жидкости или газа под давлением, а подвижный узел содержит многосопловую головку с хвостовиком-валом, связанным с приводом и установленным в центральном отверстии планшайбы, а подвижные подузлы включают упругодеформируемую втулку с винтообразными прорезями и ствольные насадки в многосопловой головке с возможностью их вращения, отличается тем, что хвостовик-вал кинематически связан с электро- или гидроприводом, а в одной из секционированных полостей размещена кольцевая камера, соединенная с магистралью подвода газообразной взрывчатой смеси, при этом в планшайбе, на одном диаметре с другими ее отверстиями, имеется глухое отверстие - гнездо, соединенное с кольцевой камерой каналом, на пути которого встроены: обратный клапан с запальником и отсекатель-дозатор в виде прямоугольной подпружиненной пластины, в которую встроен жиклер, при этом носик дозатора находится в контактно-скользящем сопряжении с лобовой поверхностью головки, у которой на одном диаметре с дозатором выполнены пазы сегментообразной формы, глубина которых соответствует ходу открывания-закрывания отверстия жиклера дозатора, кроме того, аппарат в виде моноблока смонтирован в отсеке корпуса обтекателя, к которому посредством пилонов прикреплена тонкостенная втулка, представляющая собой эжекторный ствол, стенки которого выполнены из винтообразных взаимосопрягаемых ленточных полос и формообразуют конфузорно-диффузорный контур ствола, выхлопной торец которого кинематически связан с кольцевым гидроцилиндром, обтекатель посредством пилона закреплен к плавсредству, энергоподводящие магистрали аппарата соединены со стационарными энергоисточниками и пультом управления на плавсредстве через туннельный канал в пилоне.
На фиг.1 показан общий вид эжекторно-соплового аппарата; на фиг.2 - увеличенный вид компоновочной схемы аппарата; на фиг.3 - сечение А-А с фиг.2; на фиг.4 - сечение Б-Б с фиг.2; на фиг.5 - сечение В-В с фиг.2; на фиг.6 - сечение Г-Г с фиг.5; на фиг.7 - сечение Д-Д с фиг.6; на фиг.8 - вид Е с фиг.1.
Эжекторно-сопловой аппарат 1 осесимметрично закреплен внутри корпуса обтекателя 2, который посредством пилона 3 и штока 4 прикреплен к плавсредству 5. К корпусу обтекателя 2 посредством радиальных пилонов 6 закреплен эжекторный ствол 7 конфузорно-диффузорной формы, состоящий из винтообразных упругодеформируемых взаимосопрягаемых полосовых лепестков 8.
Аппарат 1 состоит из планшайбы 9 с аксиально-секционированными полостями 10, 11 (материал: ст.40Х13), при этом полость 10 представляет собой обойму с фланцевым креплением к полости 11 планшайбы 9 и своим вторым фланцем, посредством переходника 12 с фланцами, соединена с электроприводом 13 фланцевого исполнения, который снабжен блоком теристорного регулирования числа оборотов, смонтированного на пульте управления плавсредства 5.
В сборе неподвижный узел представляет собой моноблок, который посредством разъемных обечаек 14, 15 закреплен к корпусу обтекателя 2 (материал корпуса: ст. 12Х18 H10Т), которые одновременно выполняют функцию водонепроницаемых переборок.
Подвижный узел аппарата 1 представляет собой многосопловую головку 16 (материал: ст. 15Х12 ВНМФ) в виде револьверного барабана, снабженную хвостовиком-валом 17, которая своим торцовым выступом-ребордой установлена в кольцевом гнезде планшайбы 9, а хвостовик-вал ее подвижно сопряжен с втулкой 18 и кинематически связан с валом электропривода 13 муфтой 19.
Сопла 20 головки 16 снабжены ствольными насадками 21, которые установлены в радиальных гнездах с возможностью вращения. По фланцевому разъему полостей 10, 11 имеются три овально-секторных окна 22. В полости 10 заодно с ее корпусом расположена осесимметричная фигурная камера 23 с эжекторными стволами 24, которые герметично состыкованы с отверстиями 25 планшайбы 9 и на толщине планшайбы 9 плавно переходят в овальную форму. Полости 10, 11 сообщаются как между собой окнами 22, так и с овальным отверстием 26 планшайбы 9. При этом к полостям 10, 11 подсоединена магистраль 27 подачи жидкости (воды) под давлением.
Фигурная камера 23 подсоединена к магистрали 28 подачи сжатого воздуха под давлением. В полости 11 размещена кольцевая камера 29, которая в осевом и радиальном направлениях фиксируется упругоэластичными пластинами в виде сепараторов.
В планшайбе 9 на одном диаметре с отверстиями 25, 26 со стороны стыка с головкой 16 выполнено глухое отверстие - гнездо 30, которое соединено с кольцевой камерой 29 каналами 31, 32, при этом стык канала 31 и камеры 29 выполнен посредством упругоэластичного переходника. Технологические отверстия с заглушками для выполнения каналов 31, 32 на схеме не показаны; переходник показан условно.
В канал 32 в зоне гнезда 30 встроены: обратный клапан 33 с запальником 34 (пьезоэлемент, работающий от хода клапана 33, показан условно), дозатор 35 (материал: ст. 30Х10 Г10) с жиклером 36, дозатор 35 подпружинен и снабжен отверстием, в которое вмонтирован жиклер 36. Носик дозатора 35 в виде кулачка совпадает с пазом 37 сегментообразной формы головки 16. При этом глубина паза 37 равна диаметру отверстия жиклера 36. Ввиду того, что диаметр жиклера подбирается опытным путем, то пазы 37 выполнены в сменных вкладышах (обозначены пунктиром).
Кольцевая камера 29 подсоединена к магистрали 38 подвода газообразной взрывчатой смеси (ГВС) в виде: O2+Н2+Не в соотношении 3:1:8.
Эжекторный ствол 7 выполнен из упругодеформируемых взаимосопрягаемых полосовых лепестков 8 (сталь 65Г), последовательно чередующихся, шарнирно установленных на осях 39 и в щелевидных гнездах 40 U-образной формы с перекрытием друг друга по длине «внахлест» (перекрытие обозначено пунктиром).
После сборки ствол 7 проверяют на режимах возвратно-поступательного хода и устойчивости осесимметричных диаметральных размеров на стенде.
К обтекателю 2 прикреплен многоштоковый кольцевой гидроцилиндр 41, штоки которого подсоединены к опорному кольцу 42 с тягами 43, которые кинематически связаны с обечайкой 44 ствола 7, прошедшего проверку на стенде. Входной срез ствола 7 прикреплен к корпусу обтекателя 2 посредством пилонов 6. Магистралью 45 гидроцилиндр 41 подсоединен через туннель пилона 3 к маслонасосу на плавсредстве 5. Подача масла под давлением осуществляется с пульта управления плавсредства 5.
Эжекторно-сопловой аппарат работает следующим образом.
Управление работой аппарата 1, установленного на плавсредстве 5 посредством пилона 3 и штока 4, производится с пульта, снабженного приборами визуального наблюдения и контроля. С пульта включают электропитание эл. привода 13 и его теристорного блока; в результате, посредством муфты 19 и хвостовика - вала 17, установленного во втулке 18, получает вращение многосопловая головка 16. Включается подача жидкости под давлением (Р=2,5...3;0 ГПа), которая поступает по магистрали 28 в полость 10 и далее через овально-секторные окна 22 в полость 11 и отверстие 26 планшайбы 9, и в момент прохождения входного среза сопла 20 головки 16 происходит отсечка гидропробки. В следующей суперпозиции сжатый газ (атмосферный воздух) (Р=3,0...4,0 ГПа), при включении с пульта магистрали 27, поступает в фигурную камеру 23 и далее через ствол эжектора 24 в отверстие 25 планшайбы 9. В результате увеличивается скорость гидропробки в канале сопла 20. На следующей суперпозиции гидропробка получает дальнейшее ускорение, в результате химической реакции разложения взрывного горения газообразной взрывчатой смеси: О2+Н2+He, которая (при включении с пульта) поступает под давлением (Р=1,2...1,5 МПа) в соотношении 2,5:1:8 по магистрали 38 в кольцевую камеру 29 и далее канал 32 через отверстие в дозаторе 35 с жиклером 36, затем смесь ГВС проходит через канал с обратным клапаном 33 и попадает в гнездо 31, настроенный на конкретное давление клапан 33 закрывает канал, после чего срабатывает пьезозапальник 34, при этом смесь ГВС поступает через дозатор 35 только в момент полного входа носика дозатора 35 в паз 37 головки 16. Калибровку отверстия жиклера 36 производят на стенде в бронекамере для назначения оптимальной порции заряда ГВС.
Высвобождаемая энергия ГВС после взрывного сгорания преобразуется в смесь водорода, водяного пара и гелия в соотношении 1:2:8. При этом в переднем фронте взрывной волны одна часть кислорода ˜1/6 к общей части используется от «хвоста» воздушного заряда 2-й ступени ускорения гидропробки и вступает в химическую реакцию разложения смеси ГВС, что составляет общее соотношение (2,5+0,5):1:8. Причем фронтальная волна одновременно демпфируется «хвостом» 2-й ступени ускорения, что исключает возможность детонации ГВС за фронтом волны и, в целом, в системе каналов подачи ГВС. С целью дополнительного резервирования безопасного режима работы аппарата 1 кольцевая камера 29 плавающе зафиксирована в полости 11 с жидкостью под давлением посредством упругоэластичных в осевом и радиальном направлениях пластин в виде сепараторов, а стык канала 32 и камеры 29 выполнен посредством упругоэластичного переходника. Изменение соотношения состава смеси ГВС допускается в пределах ±1,5%. Скорость (Wc) гидропробки на суперпозиции ее выстрела определяется согласно зависимости:
(Пат. №2188120),
в которой значения параметров: Ao, V, Sn, Lc, Po соответствуют значениям взрывного горения ГВС:
Ao - локальная скорость звука в продуктах взрыва;
S - площадь поперечного сечения канала многосопловой головки 16;
Lc - длина канала за движущейся гидропробкой, равная длине канала в головке 16;
Po - давление газа от продуктов взрыва;
Mn - масса отсеченной гидропробки;
V - отношение теплоемкостей: VНе=5/3 при Т=300К;
Высокоскоростной жидкостно-газовый поток, войдя в эжекторный ствол 7, эжектирует водную массу, поступающую в ствол 7 через радиальные окна и межпилонные радиально-осевые полости обтекателя 2. В результате создается высоконапорная высокоскоростная гидрореактивная тяга. Путем регулирования с пульта геометрии рабочего профиля эжекторного ствола 7 исполнительным механизмом с включением магистрали 45, гидроцилиндром 41 и собственно его элементами: опорным кольцом 42, тягами 43 и обечайкой 44 устанавливают оптимальное значение процесса эжектирования водной массы и в целом параметров гидрореактивной тяги.
Предложенный аппарат 1 может быть применен в ГРД для таких плавсредств, как прогулочные яхты и катеры.
Эжекторно-сопловой аппарат, содержащий неподвижный узел-планшайбу, снабженную аксиально секционированными полостями, каждая из которых посредством каналов и отверстий соединена с магистралями жидкости или газа под давлением, а подвижный узел содержит многосопловую головку с хвостовиком-валом, установленным в центральном отверстии планшайбы, подвижный подузел снабжен упругодеформируемой втулкой с винтообразными прорезями, а сопла головки - ствольными насадками с возможностью вращения, отличающийся тем, что, с целью увеличения КПД аппарата путем повышения баллистических характеристик скоростного жидкостно-газового пульсирующего эжекционного потока, хвостовик-вал кинематически связан с электро- или гидроприводом, а в одной из секционированных полостей размещена кольцевая камера, соединенная с магистралью подвода газообразной взрывчатой смеси, при этом в планшайбе на одном диаметре с другими ее отверстиями имеется глухое отверстие - гнездо, соединенное с кольцевой камерой каналом, на пути которого встроены обратный клапан с запальником и отсекатель-дозатор в виде прямоугольной подпружиненной пластины, в которую встроен жиклер, носик дозатора находится в контактно-скользящем сопряжении с лобовой поверхностью головки, у которой на одном диаметре с дозатором выполнены пазы сегментообразной формы, глубина которых соответствует ходу открывания-закрывания отверстия жиклера дозатора, кроме того, аппарат в виде моноблока смонтирован в отсеке корпуса обтекателя, к которому посредством пилонов закреплена тонкостенная втулка - эжекторный ствол, стенки которого выполнены из винтообразных взаимосопрягаемых ленточных полос и формообразуют конфузорно-диффузорный контур ствола, выхлопной торец которого кинематически связан с кольцевым гидроцилиндром, обтекатель посредством пилона закреплен к плавсредству, энергоподводящие магистрали аппарата соединены со стационарными энергоисточниками и пультом управления на плавсредстве через туннельный канал в пилоне.
