Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель со стабилизацией горения на соударяющихся струйных течениях

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель со стабилизацией горения на соударяющихся струйных течениях

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 рассмотренного ПуВРД 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 ПуВРД 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 ПуВРД.

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 ПуВРД и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком ПуВРД могут выполнять и другие устройства. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться общим термином "тяговый узел" (как часть ПуВРД) и конкретным - клапанная решетка тягового узла.

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

Также 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 ПуВРД, которое достигается путем увеличения скорости сгорания топливовоздушной 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 "квазидетонационным" горением подразумевается горение с повышенными скоростями продвижения фронта пламени, составляющим в случае ПуВРД 50…100 м/сек и более. 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, камера сгорания выполнена с оппозитными боковыми нишами, задние торцевые стенки которых перпендикулярны осям впускных труб, а змеевик нагрева газа размещен в начальной части резонаторной трубы, примыкающей к задним торцевым стенкам боковых ниш.

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 прилагаемые чертежи, где:

на фиг.1 показана схема предлагаемого ПуВРД со стабилизацией горения на соударяющихся струйных течениях;

на фиг.2 показано сечение А-А по фигуре 1;

на фиг.3 показано сечение Б-Б по фигуре 1;

на фиг.4 показан вид «С» на фигуру 1.

Позициями на чертежах показаны:

1 - сопло подачи газа,

2 - первая впускная труба,

3 - вторая впускная труба,

4 - камера сгорания,

5 - боковая ниша,

6 - торцевая стенка,

7 - змеевик нагрева газа,

8 - резонаторная труба,

9 - дроссель,

10 - топливный бак (с жидким пропаном),

11 - магистраль подвода газа,

12 - запальная свеча,

13 - струйное течение воздушно-газовой смеси,

14 - центральная зона камеры сгорания.

На фиг.1 λ - длина волны, м.

Заявляемый ПуВРД содержит сопла 1 подачи газа, закрепленные соосно напротив первых впускных труб 2, которые, в свою очередь, жестко закреплены соосно вторым впускным трубам 3. Камера сгорания 4 выполнена с оппозитными боковыми нишами 5, задние торцевые стенки 6 которых перпендикулярны осям впускных труб 2 и 3. При этом змеевик нагрева газа 7 размещен в начальной части резонаторной трубы 8, примыкающей к задним торцевым стенкам 6. Змеевик нагрева газа 7 через дроссель 9 соединяется с топливным баком 10, заполненным жидким пропаном, и магистралью подвода газа 11.

При подаче искры через запальную свечу 12 и частичном открытии дросселя 9 происходит воспламенение пропана внутри камеры сгорания 4. После прогрева змеевика нагрева газа 7 дроссель 9 открывается и пар пропана, нагретый до 500…600°С, поступает в сопла подачи газа 1 и далее, эжектируя воздушный поток, через первую 2 и вторую 3 впускные трубы поступает в камеру сгорания 4. В том случае, если акустическая система ПуВРД настроена как 3/4-волновой резонатор, а именно, как это показано на чертеже, - половина длины волны λ/2 укладывается в длину первой впускной трубы 2, а 1/4λ, укладывается в расстояние от торца второй впускной трубы 3 до торцевой стенки 6 камеры сгорания 4, наступает волновой резонанс и ПуВРД начинает работать в пульсирующем режиме на частоте 200…400 Гц. При этом при соударении струйных течений воздушно-газовой смеси 13, сформированных впускной системой ПуВРД, о торцевые стенки 6 происходит их разворот и соударение в центральной зоне 14 камеры сгорания 4. Центральная зона камеры сгорания 14 при этом оказывается источником турбулентного перемешивания и выполняет функцию газодинамического стабилизатора пламени при циклическом сгорании топлива. Последующий переход зоны горения в резонаторную трубу 8 ускоряет горение за счет змеевика нагревателя газа 7, выполняющего роль «Спирали Щелкина».

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

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель со стабилизацией горения на соударяющихся струйных течениях, содержащий, в частности, камеру сгорания, резонаторную трубу, впускные трубы, сопло подачи газа, змеевик нагрева газа и запальную свечу, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена с оппозитными боковыми нишами, задние торцовые стенки которых перпендикулярны осям впускных труб, а змеевик нагрева газа размещен в начальной части резонаторной трубы, примыкающей к задним торцевым стенкам боковых ниш.