СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЯГИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02K3/08 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для создания тяги как на летательных аппаратах, так и на других транспортных средствах.

Известен способ получения тяги, заключающийся в сжигании горючего с избытком окислителя, последующей подаче горючего в полученные продукты сгорания, получении рабочего тела и преобразовании его внутренней энергии в работу силы тяги (см. патент США N 4134260 кл. F 02 K 3/10, 1979).

Известный способ реализуется в устройстве для получения тяги, содержащем расположенные в корпусе с образованием кольцевого канала камеру сгорания, промежуточную камеру, присоединенную к выходу последней замыкающую камеру и преобразователь внутренней энергии рабочего тела в работу силы тяги (см. патент США N 4134260, F 02 K 3/10, 1979).

Известным способу и устройству присущи недостатки, заключающиеся в том, что: процесс сжигания горючего может вестись лишь при низком давлении, поскольку величина последнего ограничена степенью повышения давления в современных компрессорах; исходя из существующих соотношений термодинамических параметров известные способ и устройство практически не позволяют повысить энергетическую эффективность процесса получения тяги, а именно: энергетическая эффективность, определяемая, как удельная тяга (I), зависит от величины температуры перед соплом, которое, как известно, выполнено из конструкционных материалов, имеющих недостаточные жаропрочность и жаростойкость; КПД известных устройств в цикле Р_о=const не превышает значения 0,5-0,6 и, следовательно, до 40-50% тепла непрерывно выбрасывается бесполезно в атмосферу с реактивной струей, которая вредна, к тому же, в экологическом отношении.

Цель изобретения состоит в улучшении удельных тяговых характеристик и в повышении энергетической эффективности процесса получения тяги.

Цель достигается тем, что в известном способе получения тяги, заключающемся в сжигании горючего с избытком окислителя, последующей подаче горючего в полученные продукты сгорания, получении рабочего тела и преобразовании его внутренней энергии в работу силы тяги, осуществляют дополнительно пиролиз горючего и замораживание продуктов пиролиза до получения рабочего, преобразование внутренней энергии последнего в работу силы тяги производят посредством периодически повторяющегося процесса детонации, при этом подачу горючего в продукты сгорания осуществляют до достижения суммарного значения коэффициента избытка окислителя, равного 0,1-0,9, а сжигание горючего с окислителем проводят с коэффициентом избытка окислителя, равным 1-4. Дополнительно, после сжигания горючего с избытком окислителя, осуществляют отбор части продуктов сгорания и подачу ее в рабочее тело и периодически повторяющийся процесс детонации осуществляют путем подачи рабочего тела в газодинамический резонатор. Цель достигается тем, что в известном устройстве для получения тяги, содержащем расположенные в корпусе с образованием кольцевого канала камеру сгорания, промежуточную камеру, присоединенную к выходу последней замыкающую камеру и преобразователь внутренней энергии рабочего тела в работу силы тяги, выход камеры сгорания подсоединен к входам промежуточной камеры и кольцевого канала, а выход последнего к преобразователю, который выполнен в виде газодинамического резонатора, выполненного в виде эквидистантно расположенных наружного и внутреннего дисков, последний из которых снабжен отверстиями, соединяющими его с замыкающей камерой, и снабженного крышкой с центральным отверстием, имеющим скошенные кромки, установленной по периметру внутреннего диска и образующей с поверхностью последнего кольцевое сопло, а с наружным диском кольцевой (выхлопной) канал.

На чертеже изображено описываемое устройство, в котором реализуется описываемый способ.

Устройство содержит корпус 1, камеру 2, сгорания с входом 3, промежуточную камеру 4 с входом 5 и выходом 6, кольцевой канал 7 с входом 8 и выходом 9, замыкающую камеру 10, преобразователь внутренней энергии рабочего тела в работу силы тяги, в виде газодинамического резонатора 11, выполненного из наружного диска 12 и внутреннего диска 13, снабженного отверстиями 14. Резонатор снабжен крышкой 15 с центральным отверстием 16 со скошенными кромками 17, образующей с поверхностью внутреннего диска сопло 18, а с наружным диском кольцевой выхлопной канал 19.

Описываемое устройство для получения тяги работает следующим образом.

Сжатый воздух, преимущественно, с давлением Р_о ≥2 кг/см² подается в камеру 2 сгорания вместе с горючим, например, керосином. Сжигание горючего с окислителем (воздухом) производится при концентрациях окислителя, равных или превышающих стехиометрическую концентрацию. Горючее сжигается полностью, чем обеспечивается высокая температура потока источника предварительного подогрева.

Поток с продуктами сгорания горючего затем разделяется на части, одна из которых поступает из камеры 2 сгорания в кольцевой канал 7, а другая в промежуточную камеру 4, куда дополнительно подается горючее. За счет высокой температуры потока источника предварительного подогрева происходит пиролиз дополнительно подаваемого горючего, сопровождающийся распадом исходных молекул с образованием более высокореакционноспособных частиц, включая молекулы с меньшим молекулярным весом (радикалы, бирадикалы, карбены или их аналоги, возбужденные частицы). Эти промежуточные частицы сильно возбуждены по колебательным степеням свободы за счет образования химических связей. Эффективная температура реакции таких частиц с молекулами окислителя может достигать до 10000 К, что и приводит к значительному ускорению всех процессов, в том числе и детонации.

Однако промежуточные частицы являются короткоживущими и способны превращаться в плотные образования. В этом состоянии они быстро дезактивируются.

Чтобы этого не происходило, продукты пиролиза подаются в замыкающую камеру 10, где их замораживают (закаливают) с получением рабочего тела. Замораживание (закалка) потока пирогаза в камере 10 резко снижает скорость гибели высокореактивных промежуточных частиц, приводит к их более длительному сохранению, позволяет получить энергонасыщенное рабочее тело и способствует рациональной организации периодически повторяющегося процесса детонации, который осуществляется в резонаторе 11, куда через отверстия 14 подается рабочее тело из камеры 10. Через сопло 18 может подаваться также часть продуктов сгорания из канала 7.

В газодинамическом резонаторе 11 реализуются периодические детонационные процессы (частота десятки кГц), способствующие преобразованию внутренней энергии рабочего тела в механическую работу силы тяги при V=const.

Выхлоп продуктов детонации происходит через выхлопной кольцевой канал 19.

Действие газодинамического резонатора 11 основано на известном эффекте Гартмана-Шпренгера и заключается в возникновении пульсационных режимов по давлению, сопровождающихся ростом температуры торможения внутри резонатора. Сочетание быстрого детонационного сгорания с предварительным сжатием экзотермически активной газовой смеси в ударно-волновых структурах, возникающих в газодинамическом резонаторе при возбуждении автоколебаний, позволяет реализовать высокий КПД и улучшить удельные тяговые характеристики, причем, сжатие может быть доведено до значительных величин, обеспечивающих давление в открытом резонаторе в сотни атмосфер, что дает очень высокую степень последующего расширения продуктов, не достижимую в традиционно применяемых циклах большинства двигателей.

Выбор же конкретных значений коэффициента избытка окислителя определяется входными параметрами воздуха и горючего, а также геометрическими данными описываемого устройства.

Предложенные способ и устройство позволят:
отказаться от форсажной камеры и использовать в качестве источника сжатого воздуха второй контур двухконтурного турбореактивного двигателя;
применять однорежимные турбокомпрессоры и использовать воздушно-реактивный двигатель в качестве источника продуктов сгорания газа за турбиной;
осуществлять регулирование силы тяги путем изменения значений коэффициента избытка окислителя.

Кроме того, предложенный способ может найти применение в прямоточном пульсирующем детонационном двигателе (в прямоточной схеме при сжатии набегающего потока воздуха в соответствующем воздухозаборнике).

Использование: изобретение относится к машиностроению, преимущественно, к тепловым двигателям и может быть использовано для создания тяги на летательных аппаратах и других транспортных средствах. Цель изобретения - улучшение удельных тяговых характеристик и повышение энергетической эффективности процесса получения тяги. Цель достигается тем, что в сжигании горячего с избытком окислителя, последующей подачи горючего в полученные продукты сгорания, получении рабочего тела и преобразовании его внутренней энергии в работу силы тяги, до получения рабочего тела дополнительно осуществляют пиролиз горючего и замораживание продуктов пиролиза, преобразование внутренней энергии рабочего тела в работу силы тяги производят посредством периодически повторяющегося процесса детонации, при этом подачу горючего в продукты сгорания осуществляют до достижения суммарного значения коэффициента избытка окислителя, равного 0,1-0,9, а сжигание горючего с окислителем проводят с коэффициентом избытка окислителя, равным 1-4. Сущность изобретения: устройство, в котором реализуются вышеуказанный способ получения тяги, содержит корпус 1, камеру 2 сгорания с входом 3, промежуточную камеру 4 с входом 5 и выходом 6, кольцевой канал 7 с входом 8 и выходом 9, замыкающую камеру 10, преобразователь внутренней энергии рабочего тела в механическую работу силы тяги в виде газодинамического резонатора 11, выполненного из наружного диска 12 и внутреннего диска 13, снабженного отверстиями 14. Резонатор снабжен крышкой 15 с центральным отверстием 16 со скошенными кромками 17, образующей с поверхностью внутреннего диска сопло 18, а с наружным - кольцевой канал 19 для выхлопа. 2 с.п. ф. 1 ил.

1. Способ получения тяги, заключающийся в сжигании горючего с избытком окислителя, последующей подаче горючего в полученные продукты сгорания, получении рабочего тела и преобразовании его внутренней энергии в работу силы тяги, отличающийся тем, что осуществляют дополнительно пиролиз горючего и замораживание продуктов пиролиза до получения рабочего тела, преобразование внутренней энергии последнего в работу силы тяги производят посредством периодически повторяющегося процесса детонации, при этом подачу горючего в продукты сгорания осуществляют до достижения суммарного значения коэффициента избытка окислителя, равного 0,1 0,9, а сжигание горючего с окислителем проводят с коэффициентом избытка окислителя, равным 1 4. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно после сжигания горючего с избытком окислителя, осуществляют отбор части продуктов сгорания и подачу ее в рабочее тело. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что периодически повторяющийся процесс детонации осуществляют путем подачи рабочего тела в газодинамический резонатор. 4. Устройство для получения тяги, содержащее расположенные в корпусе с образованием кольцевого канала камеру сгорания, промежуточную камеру, присоединенную к выходу последней замыкающую камеру и преобразователь внутренней энергии рабочего тела в работу силы тяги, отличающееся тем, что выход камеры сгорания подсоединен к входам промежуточной камеры и кольцевого канала, а выход последнего к преобразователю, который выполнен в виде газодинамического резонатора. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что газодинамический резонатор выполнен в виде эквидистантно расположенных наружного и внутреннего дисков, последний из которых снабжен отверстиями, соединяющими его с замыкающей камерой. 6. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что резонатор снабжен крышкой с центральным отверстием, имеющим скошенные кромки, установленной по периметру внутреннего диска и образующей с поверхностью последнего кольцевое сопло, а с наружным диском-кольцевой канал.