Прямоточный воздушно-реактивный двигатель эдуарда соловьева

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано в двигателестроении летательных аппаратов. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит корпус, основной воздухозаборник, первичную камеру переменного сечения, вторичную камеру, основной инжектор топлива. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель также содержит серию мини воздушно-реактивных двигателей, примыкающих к внутренним стенкам первичной камеры переменного сечения. Во внутреннем пространстве воздухозаборника расположена обратимая турбина с лопастями, закрепленная на аэродинамических стойках. Вторичная камера выполнена в форме расходящегося диффузора. Изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия двигателя, возможной скорости летательного аппарата, надежности. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано в двигателестроении летательных аппаратов.

Известен ««ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ» RU 2243400 [2], содержащий корпус, вал двигателя с установленным на нем компрессором, диффузор, прямоточные воздушно-реактивные двигатели, расположенные на расстоянии от оси вращения вала двигателя и закрепленные на нем, систему подачи топлива, при этом воздухозаборники прямоточных воздушно-реактивных двигателей направлены вперед, а их сопла выходят назад в общее сопло двигателя, состоящее из раструба и центрального тела - "иглы", в зазор между которыми истекают из прямоточных воздушно-реактивных двигателей продукты сгорания, двигатель содержит стартер-генератор, расположенный впереди компрессора в обтекателе двигателя.

Недостатком является низкая надежность и пожаробезопасность, обусловленная наличием системы подачи горючего через полый вал.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является «СВЕРХЗВУКОВОЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПУЛЬСИРУЮЩИМ РЕЖИМОМ ГОРЕНИЯ (СПВРД С ПРГ) И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ» RU 2446305 [2], содержащий воздухозаборник, камеру сгорания, состоящую из участков (постоянного и) переменного сечения, сопло, несколько инжекторов (поясов подачи) топлива, размещенных по длине камеры сгорания, устройство инициирования пульсирующего режима горения (и датчики регистрации прохождения волн давления на участке камеры сгорания постоянного сечения), первый инжектор (пояс подачи) топлива расположен в начале участка постоянного сечения, а последующие - на участках переменного сечения камеры сгорания.

Недостатком известной конструкции является низкий коэффициент полезного действия двигателя. Другим недостатком является низкая скорость движения газов внутри двигателя, что ограничивает скорость движения летательного аппарата, снабженного таким двигателем. Недостатком также является повышенная сложность двигателя, приводящая к снижению надежности двигателя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение коэффициента полезного действия двигателя, повышение возможной скорости летательного аппарата, повышение надежности.

Технический результат достигается тем, что прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий корпус, основной воздухозаборник, первичную камеру переменного сечения, вторичную камеру, основной инжектор топлива, характеризуется тем, что содержит серию мини воздушно-реактивных двигателей, примыкающих к внутренним стенкам первичной камеры переменного сечения, во внутреннем пространстве воздухозаборника расположена обратимая турбина с лопастями, закрепленная на аэродинамических стойках, вторичная камера выполнена в форме расходящегося диффузора.

Расходящийся диффузор может быть выполнен в форме фигуры вращения гиперболы. Выполнение диффузора указанной формы позволит повысить эффективность двигателя.

Аэродинамические стойки могут быть выполнены в форме лопаток, расположенных под углом к оси основного двигателя, например 45 градусов. Установка аэродинамических стоек под наклоном позволит направить поток набегающего воздуха по спирали, угол наклона которой соответствует наклону минидвигателей, что позволить дополнительно повысить эффективность двигателя в целом. Угол 45 градусов при этом является наиболее оптимальным. Воздухозаборник может иметь острые передние кромки, что позволит снизить лобовое сопротивление двигателя и дополнительно повысить его эффективность.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез предлагаемого двигателя, изготовленного с применением П. 1-5, на фиг. 2 - вид со стороны воздухозаборника, на фиг. 3 - разрез воздухозаборника, на фиг. 4 - вид минидвигателя (МВРД), где:

1 - корпус;

2 - основной воздухозаборник;

3 - первичная камера переменного сечения;

4 - вторичная камера;

5 - основной инжектор топлива;

6 - обратимая турбина с лопастями;

7 - аэродинамические стойки;

8 - минидвигатель;

9 - первичная камера минидвигателя;

10 - вторичная камера минидвигателя;

11 - инжектор минидвигателя;

12 - направление потока газов минидвигателя.

Устройство действует следующим образом: В торцевой части корпуса 1 расположен основной воздухозаборник 2, переходящий в широкую часть первичной камеры переменного сечения 3 (аэродинамический диффузор). Камера переменного сечения монотонно сужается от воздухозаборника к вторичной камере. Первичная камера имеет форму сходящегося гиперболического диффузора, образованного гиперболой вращения. Вторичная камера 4 имеет форму расходящегося гиперболического диффузора, образованного гиперболой вращения. Вторичная камера выполняет функции камеры сгорания и выходного сопла. Обе камеры в своей узкой части плавно переходят друг в друга. В самом узком месте двух сочлененных диффузоров двойной камеры обоих двигателей располагается основной инжектор топлива 5 (форсунка, жиклер). Этот узкий участок двух диффузоров выполняет так же функции смесительной камеры. Внутри воздухозаборника 2 размещена обратимая турбина с лопастями 6, установленная на аэродинамических стойках 7. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель имеет набор из мини прямоточных воздушно-реактивных двигателей 8, которые располагаются в первичной камере 3 по направлению спиралей воздушного потока на внутренней стенке первичной камеры основного двигателя, например, в три ряда. Каждый мини прямоточный воздушно-реактивный двигатель имеет первичную 9 и вторичную 10 камеры переменного сечения. Первичная камера имеет форму сходящегося гиперболического диффузора, образованного гиперболой вращения. Вторичная камера имеет форму расходящегося гиперболического диффузора, образованного гиперболой вращения. Вторичная камера выполняет функции камеры сгорания и выходного сопла. Обе камеры в своей узкой части плавно переходят друг в друга, в наиболее узком месте расположен инжектор минидвигателя 11. Направление потока газов через минидвигатель показано поз. 12.

Запуск (ПВРД) происходит путем переключения обратимой турбины в режим компрессора (турбина работает в качестве электродвигателя). Происходит первоначальное нагнетание воздушного потока. В узкой части диффузора основного двигателя и минидвигателя происходит трансформация потенциальной энергии набегающего потока воздуха в его кинетическую энергию. Описывается уравнением Бернулли k x²/2↓+m v²/2↑=const. Так как в этой части диффузора скорость потока воздуха наибольшая, возникает режим инжекции и впрыска топлива в минидвигателях и в основном двигателе. В этой части канала воздух и топливо смешиваются. Смесь вырывается в расширяющуюся вторичную камеру обоих двигателей. Происходит обратная трансформация кинетической энергии в потенциальную энергию. Описывается уравнением Бернулли k x²/2↓+m v²/2↑=const. Давление увеличивается. Происходит направленный взрыв во вторичной камере минидвигателя и вторичной камере основного двигателя. Из этой же камеры как сопла газы выводятся наружу. Как минимум первые три минидвигателя снабжены средствами воспламенения рабочей смеси (например, свечами зажигания). Возникает серия направленных взрывов от минидвигателей и один направленный взрыв от основного двигателя. Энергия направленных взрывов создает эффект бегущей волны, увлекая воздух и рабочее тело наподобие турбины, что приводит к повышению силы тяги двигателя. Взрывы минидвигателей усиливают взрыв основного двигателя, а взрыв внутри основного двигателя усиливает взрывы минидвигателей. Например, вектор тяги от 18 минидвигателей Fм и вектор тяги от основного двигателя Fo создают общий результирующий вектор Fpeз=18Fм+Fo. Поток воздуха и топлива кроме линейной составляющей имеет также круговую составляющую. Путь движения потока по спирали увеличивает длину движения рабочего тела, увеличивает время сгорания и сгораемость топлива, что позволяет применять горючее с более тяжелыми и длинными молекулами. Расширяющая вторичная гиперболическая камера, помимо создания условия для направленного взрыва, выводит газы наружу теперь уже как сопло. Если длина прямоточного воздушно-реактивного двигателя, например, 3 м то общая длина Вторичной камеры сгорания составляет 1,5 м. Этого достаточно, чтобы произвести взрыв и вывести газы наружу.

Система регулирования работы ПВРД

Процессом работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя управляет система инжекции топлива. Применение минидвигателей позволяет расширить режимы работы реактивного двигателя на каждом этапе полета летательного аппарата. Когда двигатель стоит или движется с малой скоростью, обратимая турбина 6 (выполненная как электрическая машина) в режиме электродвигателя, нагнетает воздух, облегчая пуск двигателя. На этом этапе включается последовательная импульсная система впрыска топлива. Пульсирующий режим горения реактивного двигателя это общее название всех режимов горения. Непрерывное горение это частный случай пульсирующего режима горения, поскольку абсолютно непрерывное горение практически получить невозможно. На начальном этапе, когда двигатель трогается с места или двигается с малой скоростью, преобладает вынужденный пульсирующий режим горения с большими пульсациями интенсивности горения. На большой скорости система управления двигателем (не показана) выбирает оптимальный режим работы. Горение превращается в непрерывное. Для улучшения запуска реактивного двигателя можно применять в качестве топлива, например, водород. В прямоточном воздушно-реактивном двигателе, при его общей симметрии система направленных взрывов и система движения по спирали рабочего тела создает асимметричность внутренних процессов, что предотвращает движение газов в обратном направлении.

Работа воздухозаборника, аэродинамических стоек и обратимой турбины

Воздухозаборник и аэродинамические стойки имеют острые кромки, что позволит снизить лобовое сопротивление двигателя и дополнительно повысить его эффективность. Острые кромки могут разрушать посторонние предметы воздушного потока. Обратимая имеет два режима работы.

Первый режим. Когда двигатель стоит или движется с малой скоростью. В этом случае электрическая машина работает как электродвигатель, приводящий в движение лопасти для первоначального нагнетания воздушного потока.

Второй режим. После набора крейсерской скорости летательным аппаратом электрическая машина работает как генератор для питания систем летательного аппарата.

Охлаждение двигателя

В предлагаемом ПВРД энергия сгорания топлива распределена по всему объему корпуса двигателя, а не только в камере сгорания как в типичном реактивном двигателе. Это уменьшает перегрев элементов и их механическое напряжение. Топливо поступает со стороны корпуса на инжектор-жиклер-форсунку. Топливо проходит через корпус, охлаждает его и повышает свою температуру, что способствует горению.

Достоинством данного ПВРД является то, что первичная камера и вторичная камера прямоточного двигателя и минидвигателя несут в себе универсальные, совмещенные функции. Отпадает необходимость в многоконтурном компрессоре, в специальном сопле. Задача этого минимального набора элементов заключается в том, чтобы не тормозить, а увеличивать скорость рабочего тела на всем пути его продвижения.

Технический результат - повышение коэффициента полезного действия двигателя достигается уменьшением потерь на турбулентность при работе двигателя благодаря отсутствию резкого изменения направления движения потока газов через двигатель.

Технический результат - повышение возможной скорости летательного аппарата достигается благодаря меньшему перемещению газов в направлении, перпендикулярном направлению полета и более высокой скорости протекания реакции горения внутри двигателя.

Технический результат - повышение надежности достигается более простой конструкцией двигателя.

Промышленное применение. Изобретение может с успехом применяться при производстве реактивных двигателей с универсальным режимом горения для летательных аппаратов.

1. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий корпус, основной воздухозаборник, первичную камеру переменного сечения, вторичную камеру, основной инжектор топлива, отличающийся тем, что содержит серию мини воздушно-реактивных двигателей, примыкающих к внутренним стенкам первичной камеры переменного сечения, во внутреннем пространстве воздухозаборника расположена обратимая турбина с лопастями, закрепленная на аэродинамических стойках, вторичная камера выполнена в форме расходящегося диффузора.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что расходящийся диффузор выполнен в форме фигуры вращения гиперболы.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что аэродинамические стойки выполнены в форме лопаток, расположенных под углом к оси.

4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что аэродинамические стойки расположены под углом 45 градусов к оси основного двигателя.

5. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что воздухозаборник снабжен острыми передними кромками.