ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЕТОНАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02K7/04 

Изобретение относится к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям с резонансными камерами сгорания, а также к комбинированным прямоточно-пульсирующим воздушно-реактивным двигателям.

Имеется опыт разработки ракетных двигателей, в которых ускоряющая камера выполняется в виде полусферы. Такое выполнение камеры способствует ускорению рабочего тела. Из химических реактивных двигателей близкими к заявленному являются пульсирующие воздушно-реактивные двигатели. Однако они имеют большой удельный расход топлива и небольшой удельный импульс, что связано с низкой степенью сжатия топливно-воздушной смеси перед сгоранием. Данные двигатели работают с фиксированной частотой, т.к. сгорание топлива происходит в камере акустического типа.

Наиболее близким по принципу работы и техническому устройству к заявленному изобретению является двигатель по патенту США N 3727409, кл. F 02 K 7/08, опубликованному в 1973 г. Однако и данное устройство полностью не устраняет вышеописанные недостатки.

Задача изобретения состоит в усовершенствовании конструкции пульсирующего двигателя детонационного горения (ПДДГ), в которой процесс детонации интенсифицирован за счет увеличения частоты детонационных импульсов, что приводит к увеличению тяги.

Решение поставленной задачи заключается в усовершенствовании системы подачи и смесеобразования рабочей смеси, а также системы возбуждения детонации.

Указанный технический эффект достигается тем, что в пульсирующем двигателе детонационного горения, содержащем реактивное сопло с детонационной камерой, систему подачи и смесеобразования рабочей смеси и систему возбуждения детонации, система подачи и смесеобразования снабжена газогенератором, а система возбуждения детонации форкамерой и газодинамическим клапаном.

На чертеже представлена блочная схема пульсирующего двигателя детонационного горения, которая состоит из реактивного сопла с детонационной камерой 1, система подачи и смесеобразования рабочей смеси 2 и системы возбуждения детонации 3.

Реактивное сопло с детонационной камерой 1 предназначено для преобразования химической энергии рабочего тела в кинетическую энергию продуктов детонационного сгорания путем воспламенения и ударного их дожигания. Оно представляет собой полузамкнутую полость, внутри которой установлены элементы системы возбуждения детонации. Открытый конец детонационной камеры переходит в реактивное сопло расширяющейся формы типа сопла ракетного двигателя.

Система подачи и смесеобразования 2 состоит из магистралей подачи окислителя и горючего, газогенератора 4 и магистрали подачи продуктов неполного сгорания газогенератора в детонационную камеру двигателя 1.

Система возбуждения детонации 3 предназначена для возбуждения, поддержания и управления детонационным процессом в детонационной камере двигателя 1. Она состоит из форкамеры 5, газодинамического клапана 6 и исполнительных элементов, размещенных в детонационной камере 1.

Принцип работы двигателя основан на детонационном дожигании продуктов неполного сгорания газогенератора 4 в атмосфере рабочего тела форкамеры 5.

При запуске двигателя ракетного топлива окислитель и горючее одновременно подаются в газогенератор 4, работающий по сладкой схеме, т.е. с избытком горючего. Образовавшиеся продукты неполного сгорания по газоводу подаются в детонационную камеру 1, куда одновременно поступает рабочее тело с избытком окислителя из форкамеры 5 через газодинамический клапан 6 и газовод. Газодинамический клапан 6 предназначен для предотвращения проникновений пульсаций давления в форкамеру 5, что обеспечивает ее надежную работу. Отсутствие аналогичного клапана в тракте газогенератора 4 объясняется сверхзвуковым течением продуктов сгорания, а также конструктивными особенностями выполнения газогенератора, в результате чего сама камера сгорания является гасителем колебаний.

Первоначально детонационная волна возбуждается исполнительными элементами системы детонации 3, установленными в детонационной камере, что в дальнейшем приводит к детонации продуктов неполного сгорания газогенератора в атмосфере окислителя, поступающего из форкамеры. В дальнейшем поддержание детонационного процесса происходит за счет создания детонационных волн исполнительными элементами системы возбуждения детонации 3.

Известно, что уровень тяги ПДДГ пропорционально зависит от объема детонационной камеры и рабочей частоты. Если, например, частота подачи топлива и частота детонационных импульсов будут увеличены вдвое, а объем камеры увеличивается в пять раз, то новый двигатель будет развивать тягу в 10 раз больше исходного уровня.

Разработанная конструкция двигателя позволяет, не изменяя объема детонационной камеры, варьировать частотой детонационных импульсов в очень широких пределах. В известных устройствах максимальное значение частоты достигает нескольких десятков Герц. Это объясняется тем, что длина детонационных трубок должна быть не менее нескольких десятков их диаметров, что приводит к увеличению периода детонации за счет транспортных задержек, т.е. к уменьшению частоты детонационных импульсов. В разработанной конструкции детонация возникает не за счет детонационных трубок, а за счет принципиально новых устройств. При этом источником детонации являются скачки уплотнений, возникающие в результате взаимодействия генераторных продуктов сгорания газогенератора в окислительной атмосфере рабочего тела форкамеры.

Следовательно, тяга, создаваемая разработанной схемой ПДДГ, в десятки. сотни раз (при прочих равных условиях) будет выше, чем в имеющихся двигателях, что объясняется отсутствием транспортных задержек.

Кроме того, увеличение частоты детонационных импульсов приводит к уменьшению объема детонационной камеры, что в свою очередь приводит к уменьшению как массы конструкции m_к, так и напряжений, действующих в ней (σ=pR/δ).
Исходя из формулы К.Э.Циолковского

где V_и идеальная скорость полета ЛА;
удельный импульс, создаваемый двигателем;
относительная масса конструкции,
можно сделать вывод, что разработанная схема двигателя приводит к увеличению V_и за счет увеличения I_у и уменьшения μ_к (относительной массы конструкции). При фиксированной дальности полета ЛА это приводит к уменьшению его массовых и геометрических характеристик.

Кроме того, ПДДГ могут работать или как воздушно-реактивные двигатели, или как ракетные, используя окружающий воздух или имеющийся на борту ЛА запас окислителя. Это также позволяет им стать хорошими кандидатами на включение в состав гибридных двигательных установок, работающих во всем диапазоне скоростей полета.

Использование: в реактивных двигательных установках. Сущность изобретения: двигатель содержит реактивное сопло с детонационной камерой горения 1, систему подачи и смесеобразования рабочей смеси 2 и систему возбуждения детонации 3. Система подачи и смесеобразования снабжена газогенератором 4, а система возбуждения детонации - форкамерой 5 и газодинамическим клапаном 6. 1 ил.

Пульсирующий двигатель детонационного горения, содержащий реактивное сопло с детонационной камерой, систему подачи и смесеобразования рабочей смеси и систему возбуждения детонации, отличающийся тем, что система подачи и смесеобразования снабжена газогенератором, а система возбуждения детонации - формкамерой и газодинамическим клапаном.