Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как зенитные, авиационные и тактические ракеты, беспилотные разведчики, летающие мишени, а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель содержит, в частности, камеру сгорания, резонаторную трубу, впускные трубы, сопло подачи газа, змеевик нагрева газа и запальную свечу. Впускная труба пульсирующего воздушно-реактивного двигателя выполнена конической с установкой конусного вытеснителя. Стенка камеры сгорания с расположенным на ней змеевиком нагрева газа выполнена параллельной кольцевому коническому течению газа, выходящему из кольцевой щели между стенкой впускной трубы пульсирующего воздушно-реактивного двигателя и конического вытеснителя. Изобретение направлено на повышение термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как беспилотные разведчики, летающие мишени и т.п., а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей.

Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б.Синярев, М.В.Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с.19, 20). Он представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания. В общем случае входное и выходное устройства двигателя могут иметь форму, отличную от прототипа, поэтому в дальнейшем будем называть их принятыми терминами воздухозаборник и сопло.

Клапанная решетка представляет собой конструкцию из несущих элементов - поперечных стержней, подвижных элементов - плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.

Набегающий на двигатель поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги двигателя.

После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру поступает очередная порция воздуха, и цикл повторяется.

Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом узла, создающего тягу пульсирующего двигателя и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком двигателе могут выполнять и другие устройства. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться общим термином "тяговый узел" (как часть двигателя) и конкретным - клапанная решетка тягового узла.

Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостатки - плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяга, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги, но главное - низкий ресурс клапанов.

Так же известны конструкции ПуВРД, использующие аэродинамические клапаны, "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж. Г.Маркштейна, М.: МИР, 1968, с.401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические, описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; 2812635, 1957; 3093962, 1963.

К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия).

Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления, которое достигается путем увеличения скорости сгорания топливо-воздушной смеси в камере сгорания ПуВРД. Увеличение же амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно к снижению удельного расхода топлива.

Техническим результатом изобретения является повышение термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления.

Поставленная техническая задача решается за счет интенсификации процесса массопереноса в камере сгорания, приводящего к росту скорости квазидетонационного горения и соответствующих изменений конструкции ПуВРД и его тягового узла. При этом под "квазидетонационном" горением подразумевается горение с повышенными скоростями продвижения фронта пламени, составляющими в случае ПуВРД 50-100 м/сек. Организация такого режима горения происходит за счет интенсивного массопереноса в камере сгорания. Скорость фронта пламени пропорциональна скорости массопереноса.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном ПуВРД, содержащем, в частности, камеру сгорания, резонаторную трубу, впускные трубы, сопло подачи газа, змеевик нагрева газа и запальную свечу, впускная труба ПуВРД выполнена конической с установкой конусного вытеснителя, а стенка камеры сгорания с расположенным на ней змеевиком нагрева газа выполнена параллельной кольцевому коническому течению газа, выходящему из кольцевой щели между стенкой впускной трубы ПуВРД и конического вытеснителя.

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемый чертеж, иллюстрирующий предпочтительный вариант реализации, на котором показана схема предлагаемого ПуВРД.

Позициями на чертеже показаны:

1 - сопло подачи газа,

2 - первая впускная труба,

3 - вторая впускная труба,

4 - впускная труба ПуВРД,

5 - конический вытеснитель,

6 - камера сгорания,

7 - змеевик нагрева газа,

8 - задняя торцевая стенка,

9 - резонаторная труба,

10 - запальная свеча,

11 - дроссель,

12 - топливный бак (с жидким пропаном),

13 - газовая магистраль,

стрелка 14 - кольцевое коническое течение 14 воздушно-газовой смеси,

ПуВРД, представленный на чертеже, содержит сопло 1 подачи газа с соосно закрепленными первой впускной трубой 2, второй впускной трубой 3 и впускной трубой 4 ПуВРД. Внутри впускной трубы ПуВРД 4 жестко закреплен конический вытеснитель 5. К торцу впускной трубы ПуВРД 4 закреплена камера сгорания 6 с змеевиком 7 нагрева газа. Стенки камеры сгорания 6 и змеевик 7 нагрева газа выполнены коническими. К задней торцовой стенке 8 камеры сгорания 6 закреплена резонаторная труба 9 с запальной свечей 10. Змеевик 7 нагрева газа через дроссель 11 соединяется с топливным баком 12, в кототром находится жидкий пропан, и через газовую магистраль 13 - с соплом 1.

При частичном открытии дросселя 11 и подачи искры на запальную свечу 10 происходит воспламенение газа и горение внутри камеры сгорания 6. Через некоторое время змеевик 7 нагрева газа и стенки камеры сгорания 6 разогреваются и дальнейшее открытие дросселя 11 приводит к осуществлению рабочего цикла ПуВРД. Он осуществляется следующим образом. Подаваемый газ через сопло 1 подачи газа эжектирует воздух во впускные трубы 2, 3 и 4. Далее течение воздушно-газовой смеси разделяется на коническом вытеснителе 5 на кольцевое коническое течение 14, выходящее в камеру сгорания 6 и натекающее на перпендикулярную его направляющую заднюю торцовую стенку 8 камеры сгорания 6. В случае правильной настройки впускной системы на режим 3/4 - волнового резонатора, как это представлено на прилагаемом чертеже, ПуВРД начинает работать в пульсирующем режиме с частотой до 400 Гц. При этом каждый цилиндрический проход газовой смеси до задней торцовой стенки 8 осуществляется вдоль змеевика 7 нагрева газа, аналогично «Спирали Щепкина», турбулизирующего течение и ускоряющего процесс горения. Ускорение процесса горения внутри камеры сгорания 6 позволит увеличить термодинамический КПД ПуВРД и уменьшить длину резонаторной трубы 9.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фигуре. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД), содержащий, в частности, камеру сгорания, резонаторную трубу, впускные трубы, сопло подачи газа, змеевик нагрева газа и запальную свечу, отличающийся тем, что впускная труба ПуВРД выполнена конической с установкой конусного вытеснителя, а стенка камеры сгорания с расположенным на ней змеевиком нагрева газа выполнена параллельной кольцевому коническому течению газа, выходящему из кольцевой щели между стенкой впускной трубы ПуВРД и конического вытеснителя.