Способ работы компрессорного воздушно-реактивного двигателя

Изобретение относится к области компрессорных воздушно-реактивных двигателей, представляющих собой реактивный воздушный винт (пропеллер с реактивным приводом). Камеру сгорания топлива и сверхзвуковое реактивное сопло компрессорного воздушно-реактивного двигателя вращают на конце полой лопасти воздушного винта центробежного компрессора с окружной скоростью концов лопастей >300 м/с. Газ, вытекающий из камеры сгорания топлива в сверхзвуковое реактивное сопло, перед поступлением в сопло предварительно смешивают в камере смешения газов с атмосферным воздухом, имеющим степень сжатия >40. Смешивание вытекающего из камеры сгорания топлива газа с атмосферным воздухом примерно той же плотности увеличивает массу газа, поступающего в сопло, что повышает летный КПД сопла и, соответственно, повышает КПД двигателя. 2 ил.

 

Изобретение относится к области ВРД.

Аналогом и прототипом является способ работы КВРД в устройстве передачи механической энергии от КВРД к электрогенератору ТЭС (патент №2382896), где воздушный компрессор двигателя состоит из компрессора предварительного сжатия воздуха и центробежного компрессора, выполненного в виде полых лопастей высокоскоростного воздушного винта (ВВВ) (патент №2378155), а камера сгорания топлива (КСТ) и сверхзвуковое реактивное сопло (СЗРС) расположены в конце лопасти ВВВ.

Стреловидное, по отношению к вектору окружной скорости сечения лопасти, расположение лопастей ВВВ позволяет затянуть начало волнового кризиса, а крепление концов смежных лопастей ВВВ между собой и к агрегатам КВРД предохраняет лопасти от разрушения.

Существенное отличительное свойство известного способа работы КВРД, общее с изобретением, заключается в том, что КСТ и СЗРС двигателя вращают на конце полой лопасти воздушного винта центробежного компрессора с окружной скоростью конца лопасти >300 м/с.

Главным преимуществом известного способа является возможность получения в КСТ степени сжатия воздуха >40 при окружной скорости вращения концов лопастей воздушного винта 300÷400 м/с.

Однако при высоком давлении газа на входе в СЗРС непропорционально высокая скорость истечения газа на выходе из сопла, по сравнению с окружной скоростью вращения самого сопла, существенно снижает его полетный КПД и создает высокий уровень шума, а кратковременный процесс сжигания топлива в камере сгорания не позволяет кислороду воздуха полностью окислить углерод топлива.

Цель изобретения - повышение полетного КПД сопла, снижения выброса в атмосферу окиси углерода и уменьшение уровня шума, создаваемого винтом.

Существо изобретения состоит в том, что посредством камеры смешения газов (КСГ) газ, вытекающий из КСТ в СЗРС, перед поступлением в сопло предварительно смешивают в КСГ с атмосферным воздухом, имеющим степень сжатия >40.

Причинно-следственная связь: доказательство базируется на допущении о том, что сжигание топлива в КСТ и его дожигание в КСГ может протекать как по циклу Брайтона (P=Const) в ПРЯМОТОЧНОМ КВРД, так и по циклу Хампри (V=Const) в КВРД С ВХОДНЫМ УПРАВЛЯЕМЫМ КЛАПАНОМ КСТ. Так при работе по циклу Хампри после сгорания топлива в КСТ основная часть массы газа под действием высокого давления из КСТ сразу перетечет в КСГ и существенно УВЕЛИЧИТ в ней МАССУ и, соответственно, ПЛОТНОСТЬ, а также УМЕНЬШИТ ТЕМПЕРАТУРУ и ДАВЛЕНИЕ смеси газа с атмосферным воздухом.

При этом большая часть внутренней тепловой энергии этих газов за счет большой длительности сжигания и дожигания топлива дополнительно преобразуется в потенциальную энергию давления, что существенно увеличит термический КПД.

Увеличение плотности и уменьшение давления на входе в сопло уменьшает скорость вытекающей из сопла реактивной струи газа, что повысить ПОЛЕТНЫЙ КПД СОПЛА, а перемешивание продуктов сгорания с атмосферным воздухом, достигаемое в КСГ за счет длительного дефлаграционного процесса дожигания в ней топлива, позволит дожечь в КСГ весь углерод топлива.

При этом уменьшение уровня шума обусловлено наличием в ВВВ лопастей, расположенных стреловидно к вектору окружной скорости сечения лопасти, и уменьшением величины сверхзвуковой скорости реактивной струи газа на выходе из сопла.

На фиг.1 представлена схема размещения агрегатов КВРД с ВХОДНЫМ КЛАПАНОМ КСТ. На схеме обозначено: 1 - камера сгорания топлива (КСТ), 2 - камера смешения газов (КСГ), 3 - сверхзвуковое реактивное сопло (СЗРС), 4 - ВХОДНОЙ КЛАПАН КСТ, 5 - полая лопасть воздушного винта центробежного компрессора. Способ работы КВРД по циклу Хампри заключается в следующем: при открытии входного клапана КСТ (4) КСТ (1) и КСГ (2) заполняются атмосферным воздухом со степенью сжатия >40.

После закрытия клапана (4) в КСТ (1) впрыскивается и сжигается топливо. При этом большая часть горячего газа высокого давления из КСТ (1) сразу перетечет в КСГ (2) и увеличит в ней массу смеси продуктов сгорания с атмосферным воздухом, что увеличит в ней плотность газа, поступающего в СЗРС (3), и уменьшит его давление и температуру.

После того как давление в камере КСТ (1) уменьшится до давления, равного давлению атмосферного воздуха, поступающего из воздушного компрессора, цикл повторяется.

Увеличение ПЛОТНОСТИ газа и уменьшение его ДАВЛЕНИЯ на входе в СЗРС (3) уменьшит скорость вытекающей из сопла реактивной струи и повысит полетный КПД сопла.

На Фиг.2 представлен пример использования способа работы ПРЯМОТОЧНОГО КВРД по циклу Брайтона в высокоскоростном реактивном пропеллере летательного аппарата.

На схеме обозначено: 6 - втулка пропеллера, 7 - летательный аппарат, 8 - вал, 9 - воздушный компрессор предварительного сжатия воздуха, 10 - входной диффузор компрессора предварительного сжатия воздуха, 11 - лопасть расположенная под отрицательным углом стреловидности к вектору окружной скорости сечения лопасти, 12 - опорная силовая лопасть, 13 - лопасть расположенная под положительным углом стреловидности, 14 - камера сгорания топлива (КСТ), 15 - камера смешения газов (КСГ), 16 - сверхзвуковое реактивное сопло(СЗРС), 17 - обтекатель.

На режиме горизонтального полета устройство работает следующим образом.

Компрессор предварительного сжатия воздуха (9) приводится во вращение через редуктор от винта самого реактивного пропеллера. Сжатый воздух от компрессора (9) через полые лопасти (11) и (12) поступает ОДНОВРЕМЕННО И В КАМЕРУ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА (14,) И В КАМЕРУ СМЕШЕНИЯ ГАЗОВ (15). В результате сгорания топлива в КСТ (14) при ПОСТОЯННОМ ДАВЛЕНИИ резко увеличивается объем и, соответственно, уменьшается ПЛОТНОСТЬ вытекающих из КСТ (14) в КСГ (15) газов. В результате смешивания в КСГ (15) этих газов с атмосферным воздухом, того же ДАВЛЕНИЯ, но существенно БОЛЬШЕЙ ПЛОТНОСТИ, повышается ПЛОТНОСТЬ газа, поступающего в сопло, что уменьшает скорость вытекающей из сопла реактивной струи и, соответственно, повышает полетный КПД сопла.

На Фиг.2 видно, что при приближении к оси винта угол стреловидности, стреловидно расположенных по отношению к вектору окружной скорости сечения лопасти лопастей, существенно возрастает. Так на радиусе, равном ~0,5R, угол стреловидности возрастает ~ вдвое по сравнению с концевым сечением лопасти.

Если же стреловидно расположенные лопасти выполнить широкохордными саблевидной формы (напр., винтовентиляторными), то большая суммарная стреловидности лопастей на радиусе, равном 0,5R, позволит существенно затянуть появление волнового кризиса на лопастях до скоростей горизонтального полета, соответствующих числу М=1,5-2.

ФЕНОМИНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РЕАКТИВНОГО ПРОПЕЛЛЕРА

1. Способ работы КВРД позволяет в схеме реактивного пропеллера применить простой, надежный и дешевый ПРЯМОТОЧНЫЙ КВРД, который уже при окружной скорости концов лопастей, соответствующих числу М=1,5-2, может иметь термический КПД=0,6-0,7 и высокий полетный КПД реактивного сопла КВРД.

2. Большой суммарный угол стреловидности, при использовании широкохордных саблевидных лопастей, позволит достигнуть высоких сверхзвуковых скоростей полета.

3. Уже при расположении оси реактивного сопла КВРД под углом 30° к плоскости вращения винта 50% всей мощности реактивных струй газа, вытекающего из сопел ,создадут ДОПОЛНИТЕЛЬНУЮ силу тяги в направлении полета.

4. Весь КВРД расположен практически на самом реактивном пропеллере, поэтому ГАБАРИТЫ, ВЕС, СЛОЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ И СТОИМОСТЬ КВРД НА ПОРЯДОК МЕНЬШЕ, ЧЕМ ЭТО ИМЕЕТ МЕСТО У СОВРЕМЕННЫХ ВИНТОВЕНТИЛЯТОРНЫХ ВРД.

Способ работы компрессорного воздушно-реактивного двигателя, включающий вращение камеры сгорания топлива и сверхзвукового реактивного сопла двигателя на конце полой лопасти воздушного винта центробежного компрессора с окружной скоростью конца лопасти >300 м/с, отличающийся тем, что посредством камеры смешения газов газ, вытекающий из камеры сгорания топлива в сверхзвуковое реактивное сопло, перед поступлением в сопло предварительно смешивают в камере смешения газов с атмосферным воздухом, имеющим степень сжатия >40.