ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК F02K7/02 

Изобретение относится к технике, а конкретно к двигателям летательных аппаратов.

Известен двигатель по патенту РФ №2157909, кл. F 02 K 7/14, 1999 г. Сверхзвуковой пульсирующий детонационный прямоточный воздушно-реактивный двигатель по патенту РФ №2157909 содержит сверхзвуковой воздухозаборник, сверхзвуковую камеру смешения, сверхзвуковую камеру сгорания, сверхзвуковое сопло, устройство запуска двигателя и систему подачи топлива. Для обеспечения согласования работы камеры сгорания и системы подачи топлива использованы промежуточные звенья в виде системы сопел и клапанов изменения режима подачи топлива, связанных через систему управления подачей топлива с датчиками регистрации прохождения детонационными волнами заданных расстояний от входа и выхода камеры сгорания.

Основным недостатком известного изобретения по патенту РФ №2157909 является низкая надежность обеспечения согласованной работы камеры сгорания и системы подачи топлива посредством регулирования режима подачи топлива сложной промежуточной системой клапанов и датчиков.

Известен также пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) по патенту РФ №2200864, кл. F 02 K 7/075, 2001 г., принятый в качестве ближайшего аналога. ПуВРД по патенту РФ №2200864 представляет собой набор параллельно расположенных открытых с обоих концов каналов, включающих в себя последовательно расположенные воздухозаборник, тяговый узел с клапанной решеткой, камеру сгорания и сопло. Для повышения надежной согласованной работы камер сгорания с системой подачи топлива камеры сгорания газодинамически соединены между собой посредством передатчиков детонации (детонационных трубок), которые согласуют (за счет увеличения детонационного пути) быстрые процессы детонации в камерах сгорания с медленными процессами движения топлива в магистралях. Для управления движением детонационной волны также используются отражатели ударной волны и подвижные элементы продувочных окон.

Основным недостатком изобретения по патенту РФ №2200864 является недостаточная согласованность работы камеры сгорания и системы подачи топлива.

Перед заявляемым изобретением поставлена задача повысить надежность согласованной совместной работы системы подачи топлива с детонационными процессами в камере сгорания, обеспечив при этом высокую надежность двигателя в целом.

Поставленная задача в заявляемом изобретении решается за счет того, что у пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающего ограниченную боковой стенкой камеру сгорания, на входе в которую расположен воздухозаборник, а на выходе - сопло, систему подачи топлива с баком, форсунками и каналом подачи топлива, соединяющим бак с форсунками, а также узел зажигания с электронным блоком управления и источник электропитания, боковая стенка камеры сгорания выполнена упругоподатливой, а канал подачи топлива от бака к форсункам расположен непосредственно вокруг упругоподатливой боковой стенки камеры сгорания в виде сплошной полости, ограниченной внешней жесткой стенкой, при этом канал подачи топлива снабжен входным и выходным клапанами, которые ориентированы в сторону форсунок.

Упругоподатливая боковая стенка камеры сгорания может быть выполнена в виде круглой в поперечном сечении оболочки.

Упругоподатливая боковая стенка камеры сгорания может быть выполнена в виде оболочки с продольными гофрами.

Внешняя жесткая стенка канала подачи топлива может быть снабжена продольными внутренними ребрами жесткости.

Воздухозаборник может быть выполнен в виде диффузора, а форсунки для подачи топлива обращены в область диффузора с отклонением в сторону его переднего среза.

Камера сгорания может быть связана с воздухозаборником через входное отверстие, выполненное в переднем днище, а с соплом может быть связана через выходное отверстие, причем диаметр входного отверстия может быть равен 0.1-0.3 диаметра выходного отверстия.

Узел зажигания может быть расположен в выходном отверстии камеры сгорания и выполнен в виде продольных щелевых пазов, в каждом из которых установлена, по меньшей мере, одна пара электродов, соединенных с электронным блоком управления и источником электропитания.

С электронным блоком управления могут быть связаны пьезоэлектрические элементы, которые расположены в зоне выходного отверстия камеры сгорания.

Каждый клапан топливного канала может быть выполнен в виде кольцевой параболически профилированной пластины, защемленной по внутреннему контуру.

Топливный бак может быть выполнен в виде спирали, расположенной снаружи внешней жесткой стенки канала подачи топлива.

Основным отличием принципа работы заявляемого изобретения от ближайшего аналога по патенту РФ №2200864 является прямое воздействие процессов детонации в камере сгорания на режим подачи топлива в камеру сгорания. Подача топлива в область воздухозаборника, навстречу набегающему потоку воздуха, существенно повышает качество смешения топлива с воздухом и воспламенение топливной смеси.

Указанное отличие заявляемого изобретения позволило получить технический результат, а именно повысить надежность согласованной совместной работы системы подачи топлива с детонационными процессами в камере сгорания.

Расположение топливного канала вокруг упругоподатливой стенки камеры сгорания позволило получить дополнительный технический результат, а именно осуществить демпфирование топливом вредных высокочастотных колебаний упругоподатливой стенки камеры сгорания, значительно снизить динамические нагрузки и тем самым повысить надежность двигателя в целом.

На Фиг.1 приведен общий вид пульсирующего воздушно-реактивного двигателя;

фиг.2 - 1-й пример исполнения поперечного сечения упругоподатливой боковой стенки камеры сгорания;

фиг.3 - схема тарельчатого клапана, вид А фиг.1;

фиг.4. - схема узла зажигания;

фиг.5 - 2-й пример исполнения поперечного сечения профилированной упругоподатливой боковой стенки камеры сгорания.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (фиг.1) содержит камеру 1 сгорания, состоящую из последовательно расположенных цилиндрической секции входного отверстия 2, конического переднего дна 3, упругоподатливой цилиндрической боковой стенки 4, конического заднего дна 5 и выходного отверстия 6, образованного внутренней поверхностью опорного кольца 7. Упругоподатливая боковая стенка 4 выполнена в виде круглой (фиг.2) цилиндрической оболочки. Диаметр входного отверстия 2 равен 0.1-0.3 диаметра выходного отверстия 6. На входе в камеру 1 сгорания расположен воздухозаборник 8. Форсунки 9 для подачи топлива расположены во внутренней передней стенке 10 опорного кольца 11 входного отверстия 2 камеры 1 сгорания и обращены в область воздухозаборника 8 в сторону его переднего среза. Канал 12 подачи топлива к форсункам 9 расположен непосредственно вокруг упругоподатливой боковой стенки 4 камеры 1 сгорания в виде сплошной полости, ограниченной входным клапаном 13, выходным клапаном 14 и внешней жесткой стенкой 15. Входной клапан 13 и выходной клапан 14 ориентированы в сторону форсунок 9 и выполнены в виде кольцевой параболически профилированной пластины (фиг.3). Клапан 13 закреплен между опорным кольцом 7 выходного отверстия 6 камеры 1 сгорания и фиксирующим кольцом 16. Клапан 14 закреплен между опорным кольцом 11 входного отверстия 2 камеры 1 сгорания и фиксирующим кольцом 17. Узел зажигания (фиг.1 и 4) расположен в выходном отверстии 6 камеры 1 сгорания и выполнен в виде продольных щелевых пазов 18, в каждом из которых установлена по меньшей мере одна пара электродов 19, соединенных с электронным блоком питания и управления 20, к которому подключены пьезоэлектрические элементы 21. Пьезоэлектрические элементы 21 расположены между опорным кольцом 7 выходного отверстия 6 камеры 1 сгорания и фиксирующим кольцом 16 входного клапана 13 канала 12 подачи топлива. На выходе камеры 1 сгорания расположено сопло 22. Воздухозаборник 8 образован внутренней передней стенкой 23 блока 24 полезного груза и внутренней передней стенкой 10 опорного кольца 11 входного отверстия 2 камеры 1 сгорания. Топливный бак 25 выполнен в виде цилиндрической спирали, навитой вокруг внешней жесткой стенки 15 канала 12 подачи топлива. Внешняя жесткая стенка 15 канала 12 подачи топлива снабжена продольными внутренними ребрами 26. ПуВРД также содержит отверстие 27 между топливным баком 25 и каналом 12 подачи топлива, аккумулятор 28 давления, редуктор 29 давления.

Упругоподатливая боковая стенка может быть выполнена в виде профилированной (фиг.5) оболочки 30 с продольными гофрами.

Работа ПуВРД (фиг.1) основана на использовании деформации упругоподатливой боковой стенки 4 камеры 1 сгорания для осуществления подачи топлива к форсункам 9 и синхронизации работы элементов двигателя. Форсунки 9 предназначены для подачи топлива во встречный поток воздуха, в котором образуется рабочая смесь, поступающая через входное отверстие 2 в камеру 1 сгорания. После сообщения ПуВРД пусковой установкой скорости М=0,8-0,9 включается редуктор 29 вытеснительной подачи топлива, которое, открывая клапаны 13 и 14, выбрасывается через форсунки 9 во встречный поток воздуха в воздухозаборнике 8. Образующаяся рабочая смесь заполняет камеру 1 сгорания, после чего воспламеняется искровым разрядом между электродами 19, расположенными в щелевых пазах 18. Импульс давления продуктов сгорания воздействует на днища 3 и 5 камеры 1 сгорания, сопло 22 и создает импульс тяги. Импульс давления деформирует упругоподатливую стенку 4 камеры 1 сгорания, вытесняет топливо из топливного канала 12 и одновременно воздействует на пьезоэлектрические элементы 21, соединенные электрической цепью с электронным блоком управления 20. При этом происходит запирание клапана 13 и открытие клапана 14, в результате чего топливо поступает к форсункам 9, а в электронном блоке 20 управления и питания вырабатывается временная задержка следующего цикла воспламенения рабочей смеси. Истечение основной части продуктов сгорания происходит через сопло 22 и незначительной части через входное отверстие 2 камеры 1 сгорания. Это происходит из-за того, что диаметр входного отверстия 2 в 3-5 раз меньше диаметра выходного отверстия 6, и истечение продуктов сгорания через выходное отверстие 6 происходит в область разрежения воздуха, а истечению через входное отверстие 2 препятствует напор набегающего потока воздуха. После истечения продуктов сгорания давление в камере 1 сгорания уменьшается, объем канала 12 возвращается к первоначальному значению, давление в нем уменьшается, запирается выходной клапан 14, и происходит заполнение канала 12 топливом через входной клапан 13. Рабочая смесь в воздухозаборнике 8 вместе со встречным потоком воздуха заполняет камеру 1 сгорания. В результате выработки согласованного временного интервала зажигания происходит воспламенение рабочей смеси в камере 1 сгорания, и цикл работы двигателя повторяется.

Благодаря изобретению достигнут технический результат, а именно повышена надежность согласованной совместной работы системы подачи топлива с детонационными процессами в камере сгорания, а расположение топливного канала вокруг упругоподатливой стенки камеры сгорания позволило получить дополнительный технический результат, а именно осуществить демпфирование топливом вредных высокочастотных колебаний упругоподатливой стенки камеры сгорания, значительно снизить динамические нагрузки и тем самым повысить надежность двигателя в целом.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель содержит ограниченную боковой стенкой камеру сгорания, на входе в которую расположен воздухозаборник, а на выходе - сопло, систему подачи топлива с баком, форсунками и каналом подачи топлива, соединяющим бак с форсунками, а также узел зажигания с электронным блоком управления и источник электропитания. Боковая стенка камеры сгорания выполнена упругоподатливой. Канал подачи топлива от бака к форсункам расположен непосредственно вокруг упругоподатливой боковой стенки камеры сгорания в виде сплошной полости, ограниченной внешней жесткой стенкой. При этом канал подачи топлива снабжен входным и выходным клапанами, которые ориентированы в сторону форсунок. Изобретение позволяет повысить надежность согласованной совместной работы системы подачи топлива с детонационными процессами в камере сгорания. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, включающий ограниченную боковой стенкой камеру сгорания, на входе в которую расположен воздухозаборник, а на выходе - сопло, систему подачи топлива с баком, форсунками и каналом подачи топлива, соединяющим бак с форсунками, а также узел зажигания с электронным блоком управления и источник электропитания, отличающийся тем, что боковая стенка камеры сгорания выполнена упругоподатливой, а канал подачи топлива от бака к форсункам расположен непосредственно вокруг упругоподатливой боковой стенки камеры сгорания в виде сплошной полости, ограниченной внешней жесткой стенкой, при этом канал подачи топлива снабжен входным и выходным клапанами, которые ориентированы в сторону форсунок.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что упругоподатливая боковая стенка камеры сгорания выполнена в виде круглой в поперечном сечении оболочки.3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что упругоподатливая боковая стенка камеры сгорания выполнена в виде оболочки с продольными гофрами.4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что внешняя жесткая стенка канала подачи топлива снабжена продольными внутренними ребрами жесткости.5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что воздухозаборник выполнен в виде диффузора, а форсунки для подачи топлива обращены в область диффузора с отклонением в сторону его переднего среза.6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания связана с воздухозаборником через входное отверстие, выполненное в переднем днище, а с соплом связана через выходное отверстие, причем диаметр входного отверстия равен 0,1-0,3 диаметра выходного отверстия.7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что узел зажигания расположен в выходном отверстии камеры сгорания и выполнен в виде продольных щелевых пазов, в каждом из которых установлена, по меньшей мере, одна пара электродов, соединенных с электронным блоком управления и источником электропитания.8. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что с электронным блоком управления связаны пьезоэлектрические элементы, расположенные в зоне выходного отверстия камеры сгорания.9. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что каждый клапан топливного канала выполнен в виде кольцевой параболически профилированной пластины, защемленной по внутреннему контуру.10. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что топливный бак выполнен в виде спирали, расположенной снаружи внешней жесткой стенки канала подачи топлива.