СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2008 года по МПК F02K7/00 

Изобретение относится к движителям, которые перемещают транспортные средства путем отбрасывания массы рабочего тела, забираемой из окружающей среды, в частности к авиационным (в том числе винтовым, турбовинтовым, турбовентиляторным, винтовентиляторным, двухконтурным, форсажным, пульсирующим, детонационным), ракетным, судовым двигателям, эжекторным усилителям тяги и т.д. Кроме того, возможна комбинация вышеуказанных двигателей, например авиационный двигатель с эжекторным усилителем тяги, где в обоих агрегатах используется предлагаемые способ и устройство для забора рабочего тела. Предложенные способ и устройство создания движущей силы являются одновременно эффективными средствами шумоглушения и защиты от попадания посторонних предметов в заборник рабочего тела.

Известен способ создания движущей силы путем ускорения массы рабочего тела, забираемой из окружающей среды, и многочисленные устройства, реализующие этот способ. На этом принципе в воздушной среде работают, например, все воздушно-реактивные двигатели [1, стр.10].

Аналогично действуют движители, использующие в качестве рабочего тела воду, например водометные двигатели [2].

Недостатком известных способов и устройств создания движущей силы является то, что забор рабочего тела и его выброс после ускорения происходит в одном и том же направлении: против направления движения транспортного средства, что не позволяет эффективно использовать количество движения забираемого рабочего тела.

Известен пульсирующий двигатель, в котором воздух окружающей среды забирается в камеру сгорания по и против направления движения летательного аппарата (Патент GB 2180299, МПК F02К 7/067,1987).

Недостатком этого устройства является то, что оно работоспособно только для пульсирующих двигателей, так как после прохождения детонационной волны в камере сгорания образуется разрежение и воздух окружающей среды может поступать в камеру сгорания с любого направления; в традиционных авиадвигателях давление в камере сгорания всегда больше атмосферного.

Пульсирующие двигатели, даже традиционные, выполненные в виде почти цилиндрической трубы, имеют малую лобовую тягу (отношение тяги двигателя к его лобовой площади, т.е. наибольшей площади поперечного сечения двигателя) из-за существенно малого расхода воздуха по сравнению с другими двигателями.

Газ в камере сгорания имеет давление существенно большее, чем давление окружающей среды, поэтому при работе на земле и при малых скоростях полета истечение газов высокого давления и температуры из камеры сгорания возможно в противоположных направлениях с соответствующим уменьшением эффективной тяги; газ из камеры сгорания будет истекать через сопло (4), трубу (5) и воздухозаборник (1) в окружающую среду (Патент GB 2180299, МПК F02К 7/067,1987, фиг.3).

При увеличении скоростного напора набегающего потока воздух, проходящий через воздухозаборник (1), заблокирует течение воздуха через обратный канал (5) в камеру сгорания (2), так как донное давление в торце трубы (5) меньше атмосферного и уменьшается с ростом скорости полета, а полное давление потока, проходящего через воздухозаборник (1), существенно больше атмосферного и увеличивается с ростом скорости полета (Патент GB 2180299, МПК F02К 7/067, 1987, фиг.1, 4).

Задачей изобретения является увеличение движущей силы.

Техническим результатом изобретения является увеличение движущей силы за счет использования импульса забираемой струи и эжектирования высоконапорным газом, поступающим против направления движения транспортного средства, низконапорного газа, забираемого по направлению движения транспортного средства.

Указанный технический результат достигается тем, что низконапорное рабочее тело, забираемое по направлению движения транспортного средства, эжектируют с помощью высоконапорного рабочего тела, забираемого через клапан против направления движения транспортного средства, и подают в заборник рабочего тела, причем для увеличения донного давления кормовая часть обечайки выполнена со щелями для вдува пограничного слоя, а на кожухе движителя расположены сопла для поперечного выдува струй в набегающий поток.

Предложенный способ можно реализовать, например, с помощью устройства, схема которого представлена на чертеже. Устройство для создания движущей силы транспортного средства, перемещающегося, например, в воздушной среде, содержит обечайку (1) с клапаном (2) и с пилонами (3) для крепления обечайки к кожуху (4) движителя. Внутри кожуха движителя расположены традиционные системы забора (5), ускорения (6) и выброса (7) рабочего тела. Набор элементов (4-7) зависит от тягово-скоростных характеристик транспортного средства и конкретных свойств среды, в которой оно перемещается. Осуществление способа проиллюстрируем на примере работы устройства. При движении транспортного средства (в рассматриваемом случае летательного аппарата) обечайка движителя обтекается воздушным потоком, имеющим скорость V_п. За кормой обечайки образуется застойная зона с обратными токами. Эксперименты различных авторов показывают, что скорость возвратного течения V_о увеличивается с ростом скорости V_п набегающего потока и может составлять 20-50% от скорости этого потока [3, 4]. Итак, вместо потока со скоростью V_п, натекающего в систему забора рабочего тела традиционных движителей без обечайки, в предлагаемом варианте на входе в кормовую часть обечайки имеется поток со скоростью Y_о, совпадающий с направлением перемещения транспортного средства. В носовой части обечайки происходит разворот потока на 180°. При необходимости увеличения массы рабочего тела срабатывает клапан (2), и рабочее тело начинает поступать внутрь обечайки и далее в заборник с обоих направлений. Причем высоконапорный поток, проходящий через клапан (2) со скоростью V_п, будет эжектировать низконапорный газ, втекающий из кормы обечайки со скоростью V_о. Далее процессы ускорения и выброса рабочего тела происходят одинаково как в традиционном движителе, так и в предлагаемом.

Наличие щелей (8) позволяет осуществлять вдув газа из пограничного слоя в кормовую часть обечайки (1), повышая тем самым донное давление и соответственно силу тяги движителя.

Этим же целям служит поперечный выдув струй из сопел (9), расположенных на кожухе (4) движителя в набегающий поток. При взаимодействии с потоком перед струей образуется зона повышенного давления, которая распространяется в донную область обечайки (1).

Представим некоторые расчетные соотношения в обоснование работоспособности предлагаемых способа и устройства, например, для воздушно-реактивных двигателей. Одним из важных параметров движителей является удельная тяга. Р_уд - отношение тяги Р к секундному расходу рабочего тела m_в. Как показано в [1], удельная тяга для традиционных движителей приближенно определяется по формуле:

с_с - скорость выброса рабочего тела после ускорения (скорость истечения из сопла).

Как видно из соотношения (1), с увеличением скорости полета V_п удельная тяга начинает резко уменьшаться и устремляется к нулю. Физически это означает, что входной импульс рабочего тела m_вV_п становится сравнимым с выходным импульсом m_вс_с._{В предлагаемом движителе, учитывая векторный характер величин импульсов, выражение для удельного импульса будет иметь вид:}

Сравнивая соотношения (1) и (2), видим, что в рамках допущений, сделанных при выводе (1), в предлагаемом устройстве удельная тяга монотонно увеличивается с ростом скорости полета V_п, а отношение удельных тяг возрастает в соответствии с соотношением:

Снижение расчетной скорости истечения с_с в традиционных двигателях выгодно с точки зрения уменьшения удельного расхода топлива на дозвуковых скоростях полета. Однако оно ведет к более сильному падению удельной тяги при увеличении V_п, как это следует из формулы (1). Таким образом, предлагаемые способ и устройство наиболее эффективно проявляют свои преимущества по сравнению с традиционными при малых скоростях истечения с_с._{Такие скорости истечения характерны для двухконтурных авиационных двигателей с большой степенью двухконтурности на безфорсажных режимах. Винтовые, турбовинтовые, винтовентиляторные двигатели можно условно рассматривать как двухконтурные двигатели со сверхвысокой степенью двухконтурности и преимущество здесь будет еще более весомым.}

ЛИТЕРАТУРА

1. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей. Под ред. Шляхтенко С.М. М., "Машиностроение", 1987.

2. Политехнический словарь. M., "Советская энциклопедия", 1989, с.85, см. статью "Водометный движитель".

3. Исследование течений за донным срезом тел, обтекаемых потоком газа. Обзор ЦАГИ №452-74, издательский отдел ЦАГИ, 1974 г.

4. Carpenter P.W., Tabakoff W. Survey and Evaluation of Supersonic Base Flow Theories. NASA CR-97129,1968.

Способ создания движущей силы транспортного средства связан с забором рабочего тела из окружающей среды по и против направления движения транспортного средства, ускорением и выбросом его вновь в окружающую среду. Низконапорное рабочее тело, забираемое по направлению движения транспортного средства, эжектируют с помощью высоконапорного рабочего тела, забираемого через клапан против направления движения транспортного средства, и подают в заборник рабочего тела. Для увеличения донного давления кормовая часть обечайки выполнена со щелями для вдува пограничного слоя, а на кожухе движителя расположены сопла для поперечного выдува струй в набегающий поток. Изобретение направлено на увеличение движущей силы. 1 ил.

Способ создания движущей силы транспортного средства, связанный с забором рабочего тела из окружающей среды по и против направления движения транспортного средства, ускорением и выбросом его вновь в окружающую среду, отличающийся тем, что низконапорное рабочее тело, забираемое по направлению движения транспортного средства, эжектируют с помощью высоконапорного рабочего тела, забираемого через клапан против направления движения транспортного средства, и подают в заборник рабочего тела, причем для увеличения донного давления кормовая часть обечайки выполнена со щелями для вдува пограничного слоя, а на кожухе движителя расположены сопла для поперечного выдува струй в набегающий поток.