КОМБИНИРОВАННЫЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F02K7/10 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, и может быть использовано в качестве теплогенератора.

Известна конструкция реактивного двигателя с камерой пульсирующего горения, содержащая камеру пульсирующего горения с коаксиальным цилиндрическим клапаном, имеющим расположенные радиально выпускные отверстия, вращающуюся заслонку, приводимую в действие механизмом, снабженным регулятором скорости вращения, и устройство для входа воздуха через открытую лобовую часть двигателя (заявка ФРГ N 2517947, F 23 R 1/12, 1976).

Недостатком данной конструкции является наличие механического клапана, содержащего вращающуюся заслонку, так как это снижает надежность и долговечность работы двигателя.

Известная также конструкция двигателя, содержащая камеру пульсирующего горения, аэродинамический клапан, резонансную трубу, изогнутую таким образом, что импульс реактивной силы продуктов сгорания из резонансной трубы и аэродинамического клапана направлен в одну сторону (Патнэм А.А. Вибрационное горение с точки зрения практики. С. 379-410 в книге: Маркштейн Дж.Г. Нестационарное распространение пламени, М. 1968).

Недостатком данной конструкции является недостаточно полное использование энергии сжигаемого топлива и ее недолговечность вследствие отсутствия рубашки охлаждения.

Известен также прямоточный воздушно-реактивный двигатель с разделенными камерами смешения и зажигания топлива. Двигатель включает диффузор, эжектор, предкамерный диффузор, камеру дожигания, сопло, жидкостный реактивный двигатель, установленный во входном диффузоре и служащий для создания стартовой тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя. (Зуев В.М. Макаров В.С. Теория прямоточного и ракетно-прямоточных двигателей. М. 1971, с. 23, рис. 1.9а).

Недостатком данного двигателя является то, что в качестве двигателя, создающего стартовую тягу, используется дополнительный жидкостный реактивный двигатель, для работы которого требуется два компонента топлива: горючее и окислитель, а основной прямоточный двигатель в качестве окислителя использует окружающий воздух. Кроме того, жидкостный реактивный двигатель конструктивно намного сложнее прямоточного и дороже.

Известен также комбинированный воздушно-реактивный двигатель, содержащий входной диффузор с установленной в нем камерой пульсирующего горения, эжектор, имеющий камеру смешения и соединенный с камерой дожигания, сопло, систему подачи горючего (см, заявка N 4127994, кл. F 02 K 1/04, 1992).

Недостатком известного двигателя является недостаточная надежность его.

Технической задачей данного изобретения является упрощение конструкции стартового двигателя, обеспечение работы как стартового двигателя, так и основного прямоточного на одном и одинаковом горючем с использованием в качестве окислителя окружающего воздуха, повышение надежности.

Поставленная техническая задача достигается тем, что комбинированный прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий входной диффузор с установленной в нем камерой пульсирующего горения, эжектор, имеющий камеру смешения и соединенный с камерой дожигания, сопло, систему подачи горючего, дополнительно снабжен аэродинамическим клапаном и отражателем газа, установленным перед входом в камеру пульсирующего горения, последняя снабжена рубашкой охлаждения с системой циркуляции горючего, подключенной на входе к системе подачи горючего, а на выходе к эжектору, камера смешения эжектора выполнена конической формы с углом раскрытия 8^oC, отражатель газов, содержит сопло и профилированные каналы для поворота потока.

На чертеже изображен комбинированный прямоточный воздушно-реактивный двигатель в разрезе.

Комбинированный прямоточный воздушно-реактивный двигатель включает камеру пульсирующего горения 1, осесимметрично присоединенные к ней аэродинамический клапан 2 и резонансную трубу 3, рубашку охлаждения 4, охватывающую камеру пульсирующего горения и резонансную трубу, форсунку 5 для подачи топлива в камеру пульсирующего горения, трубку 6 для подачи пускового воздуха в камеру пульсирующего горения через аэродинамический клапан, трубку 7 для подачи горючего к форсунке 5, трубку 8 для подачи горючего в рубашку охлаждения, обтекатель 9, отражатель импульса 10 выхлопных газов из аэродинамического клапана, расположенный в носовом обтекателе 11 прямоточного воздушно-реактивного двигателя, входной диффузор прямоточного воздушно-реактивного двигателя 12, эжектор 13, имеющий угол раскрытия камеры смешения 8^oC, предкамерный диффузор 14, камеру дожигания 15, трубопроводы 16 для подачи горючего из рубашки охлаждения 4 к форсункам 17 камеры дожигания, реактивное сопло 18, систему циркуляции горючего 19.

Отражатель импульса 10 выхлопных газов из аэродинамического клапана включает сопло 20, воспринимающее выхлопной поток из аэродинамического клапана, и профилированные каналы 21, обеспечивающие поворот выхлопного потока на угол, позволяющий направить его во входной диффузор прямоточного воздушно-реактивного двигателя, отражатель крепится к корпусу двигателя таким образом, чтобы обеспечить доступ воздуха к аэродинамическому клапану с наименьшим сопротивлением и чтобы отраженный поток не оказал отрицательного воздействия на работу клапана.

Система циркуляции горючего 19 включает клапаны 22, запорнодренажный вентиль 23 и обратный клапан 24.

Комбинированный прямоточный воздушно-реактивный двигатель работает следующим образом. С помощью трубки 6 через аэродинамический клапан 2 подается воздух в камеру пульсирующего горения 1, включается электросвеча (на фиг. 1 не показана), и затем подается жидкое топливо в камеру пульсирующего горения через трубку 7 и форсунку 5. после достижения устойчивого пульсирующего горения подача пускового воздуха и электросвеча отключаются, а через трубку 8 подается горючее в рубашку охлаждения 4, которое возвращается к трубке 8 через систему циркуляции 19 при закрытых клапанах 22 и открытом запорнодренажном вентиле 23. При этом направление циркуляции с камеры пульсирующего горения до среза резонансной трубы обеспечивается обратным клапаном 24. Продукты сгорания из резонансной трубы 3 выбрасываются периодически с частотой 50-70 Гц с большой скоростью и высокой температурой в пределах 900-1100^oC и, проходя через эжектор 13, обеспечивают подсос окружающего воздуха через входной диффузор 12. Эффективность установки эжектора на выходной струе газов пульсирующего воздушно-реактивного двигателя подтверждается открытием N 314 (Челомей В.Н. Избранные труды. М. Машиностроение, 1989), которое свидетельствует о том, что тяга при этом увеличивается на 120-140% кроме того имеются экспериментальные данные, что установка эжектора с углом раскрытия камеры смешения эжектора α8^oC дает более высокое осевое давление по сравнению с эжекторами, имеющими цилиндрическую камеру смешения (R.M. Lockwood в кн. Symposium on pulse-combustion applications heed at Atlanta, Georgia on March 2-3, 1982, Volume 1, доклад N 14, фиг. 23-1).

После прогрева горючего в рубашке охлаждения 4 до необходимой температуры открывается клапан 22 и закрывается запорно-дренажный вентиль 23, в результате чего горючее поступает к форсункам 17, расположенным в камере дожигания 15.

В рубашке охлаждения поддерживается избыточное давление такое, чтобы обеспечить перегрев жидкого топлива выше температуры испарения его в камере дожигания для того, чтобы за счет перегрева горючего в рубашке охлаждения 4 горючее выбрасывалось из форсунок 17 в виде паров, которые смешиваются с воздухом, подсасываемым через эжектор 13, и воспламеняется.

Возможность перегрева дизельного топлива в рубашке охлаждения подтверждена автором экспериментально и иллюстрируется фотографией 1, где показано облако паров дизельного топлива при истечении его из рубашки охлаждения в атмосферу. При этом установлено, что на испарение в рубашке используется до 10% теплоты сгорания горючего, остальная энергия топлива преобразуется в высокотемпературную пульсирующую струю газов. Нагрев горючего в рубашке охлаждения продуктами сгорания пульсирующих газов более эффективен по сравнению с аналогичными процессами на стационарных потоках, что объясняется тем, что коэффициент теплопередачи с использованием пульсирующих потоков в 2-4 раза выше, чем при стационарных потоках (Северянин В.С. Пульсирующее горение как способ интенсификации теплотехнических процессов, диссертация на соискание ученой степени д.т.н. Саратов, 1987).

Так как подсасываемый воздух охлаждает продукты сгорания, выбрасываемые из резонансной трубы, то для надежности воспламенения первоначальный импульс обеспечивает электросвеча в камере дожигания (на чертеже не показана). Продукты сгорания из камеры дожигания 15 с большой скоростью выбрасываются через сопло 18, создавая тягу, необходимую для старта. Для исключения тяги, создаваемой пульсирующей струей из аэродинамического клапана 2, служит отражатель 10, который действует следующим образом.

Пульсирующая струя из аэродинамического клапана 2 улавливается соплом 20 и направляется в профилированные каналы 21, которые обеспечивают поворот потока на такой угол, чтобы отраженный импульс газов был направлен во входной диффузор 12 прямоточного воздушно-реактивного двигателя, тем самым создается дополнительная подача воздуха к эжектору 13. Тяга двигателя зависит в основном от расхода горючего, подаваемого в камеру дожигания, так как тяга камеры пульсирующего горения сравнительно невелика и его основное назначение
обеспечение необходимых условий для сжигания горючего в камере дожигания при неподвижном прямоточном воздушно-реактивном двигателе, т.е. когда скорость набегающего потока на входе в диффузор 12 равна 0. С увеличением скорости движения летательного аппарата возрастает скорость набегающего потока на входе в диффузор, одновременно увеличивается расход горючего, подаваемого через рубашку охлаждения 4 и основные функции по созданию и регулированию тяги в полете теперь выполняют прямоточный воздушно-реактивный двигатель, при этом камера пульсирующего горения продолжает работать, но его основная функция подготовка горючего перед сжиганием его в камере дожигания 15.

Остановка двигателя осуществляется следующим образом. После прекращения движения летательного аппарата открывается циркуляционно-дренажный вентиль 23 и закрываются клапаны 22, в результате чего прекращается подача горючего к форсункам 17, и она направляется по циркуляционной линии 19 к трубке 8. Отключается подача горючего через трубку 7 и прекращается горение в камере пульсирующего горения 1. Но часть горючего продолжает циркулировать через рубашку охлаждения 4 и циркуляционную линию 19. После полного охлаждения металла камеры пульсирующего горения подача горючего через трубку 8 прекращается, а избыточное давление в рубашке охлаждения сбрасывается через запорно-дренажный вентиль 23.

Предлагаемый комбинированный прямоточный воздушно-реактивный двигатель с камерой пульсирующего горения по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества: применение для старта прямоточного воздушно-реактивного двигателя камеры пульсирующего горения с аэродинамическим клапаном и рубашкой охлаждения позволяет использовать одинаковое горючее для камеры пульсирующего горения и прямоточного воздушно-реактивного двигателя и, кроме того, пульсирующее горение позволяет обеспечить высокую полноту сгорания и использовать для двигателя низкосортное топливо, в частности дизельное. Применение аэродинамических клапанов в отсутствии вращающих элементов в конструкции двигателя позволяет обеспечить ему многоразовое использование, долговечность и надежность.

Применение эжектора с конической камерой смешения по сравнению с цилиндрической позволяет наиболее эффективно использовать энергию пульсирующего потока из резонансной трубы за счет увеличения количества подсасываемого воздуха через эжектор при нулевой скорости набегающего потока, что позволяет подавать в камеру дожигания такое количество топлива, которое необходимо для создания стартовой тяги двигателя.

Кроме того, отражатель импульса газов из аэродинамического клапана создает дополнительный подпор воздуха во входном диффузоре при нулевой скорости набегающего потока, что также увеличивает подачу воздуха в камеру дожигания.

Предлагаемая конструкция двигателя позволяет использовать его как высокоэффективный теплогенератор для сушки взлетно-посадочной полосы взамен применяемых до сих пор отработавших ресурс воздушно-реактивных двигателей, работающих на дорогом авиационном топливе.

По предложенному техническому решению автором спроектирована и испытана камера пульсирующего горения с рубашкой охлаждения, рассчитанная для сжигания 0,016 кг/с (60 л/ч) дизельного топлива в камере. В одном из опытов при сжигании в камере пульсирующего горения дизельного топлива в количестве 7,5•10^-3 кг/с (30,8 л/ч) температура паров дизельного топлива на выходе из рубашки охлаждения составила 300^oC при его расходе 0,19 кг/с (800 л/ч), а температура пульсирующего потока из резонансной трубы 800-850^oC.

Использование: в двигателестроении и может быть использовано в качестве теплогенератора. Сущность изобретения: комбинированный прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит аэродинамический клапан и отражатель газа, установленный перед входом в камеру пульсирующего горения, последняя снабжена рубашкой охлаждения с системой циркуляции горючего, подключенной на входе к системе подачи горючего, а на выходе к эжектору, который соединен с камерой дожигания. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Комбинированный прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий входной диффузор с установленной в нем камерой пульсирующего горения, эжектор, имеющий камеру смешения и соединенный с камерой дожигания, сопло, систему подачи горячего, отличающийся тем, что двигатель снабжен аэродинамическим клапаном и отражателем газа, установленным перед входом в камеру пульсирующего горения, последняя снабжена рубашкой охлаждения с системой циркуляции горючего, подключенной на входе к системе подачи горючего, а на выходе к эжектору. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что камера смешения эжектора выполнена конической формы с углом раскрытия 8^o. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что отражатель газов содержит сопло и профилированные каналы для поворота потока.