СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДВИЖУЩЕЙ СИЛЫ В ЭЖЕКТОРНОМ УСИЛИТЕЛЕ ТЯГИ И ЭЖЕКТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТЯГИ НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2009 года по МПК F02K7/00 

Изобретение относится к эжекторным усилителям тяги (ЭУТ), которые устанавливаются на ракетных и авиационных двигателях. Предложенные способ и устройство усиления тяги являются одновременно эффективным средством шумоглушения двигателя.

Известен способ усиления тяги двигателя путем эжектирования выхлопной струей двигателя рабочего тела из окружающей среды (Прикладная газовая динамика. Г.Н.Абрамович. М.: Машиностроение, 1969, с.503-515, рис.9.30) и многочисленные устройства, реализующие этот способ (Авиационные эжекторные усилители тяги. В.Г.Ененков, А.Л.Клячкин и др. М.: Машиностроение, 1980, с.16, рис.1.5).

Суть способа и устройств, осуществляющих способ, состоит в том, что выхлопная струя реактивного двигателя эжектирует из окружающей среды некоторую массу газа, далее эта масса поступает в смесительную камеру, где смешивается с эжектирующим газом из двигателя, и смесь вновь выбрасывается в окружающую среду в том же направлении, что и эжектирующая и эжектируемая струи.

Увеличение реактивной тяги двигателя может составить до 200% и более при работе ЭУТ на земле, т.е. при нулевой скорости полета летательного аппарата (л.а.).

Основным недостатком этого способа эжекторного усиления тяги двигателя является существенное уменьшение положительного эффекта при возрастании скорости полета л.а., особенно, когда поток направлен параллельно оси ЭУТ. Связано это с увеличением входного импульса эжектируемой струи (Г.Н.Абрамович. Прикладная газовая динамика. М.: Машиностроение, 1969, с.509-513). Уже при отношении скорости полета л.а. V_п к скорости истечения струи из двигателя V₁ (эжектирующая струя) порядка ω=0.25÷0.3 выигрыш в тяге исчезает, а при дальнейшем увеличении ω вместо прироста получится снижение тяги (В.Г.Ененков, А.Л.Клячкин и др. Авиационные эжекторные усилители тяги. М.: Машиностроение, 1980, с.111, рис.6.2).

Задачей изобретения является увеличение тяги двигателя.

Техническим результатом изобретения является увеличение тяги двигателя за счет уменьшения входного импульса эжектируемого газа при полете л.а.

Указанный технический результат достигается тем, что эжектируемый газ из окружающей среды частично или полностью забирают в направлении движения летательного аппарата, меняют направление движения эжектируемого газа на противоположное путем отражения от экрана и подают в камеру смешения.

Известны ЭУТ, реализующие традиционный способ усиления тяги двигателя (В.Г.Ененков, А.Л.Клячкин и др. Авиационные эжекторные усилители тяги. М.: Машиностроение, 1980, с.16, рис.1.5).

В этих устройствах эжектируемый газ забирается против движения летательного аппарата, смешивается с эжектирующим газом, истекающим из двигателя, и полученная смесь выбрасывается вновь в окружающую среду в том же направлении.

Недостатком этих устройств является то, что забор и выброс эжектируемого газа происходит в одном направлении. По мере увеличения скорости летательного аппарата увеличивается входной импульс эжектируемого газа, что приводит к уменьшению силы тяги двигателя (Г.Н.Абрамович. Прикладная газовая динамика. М.: Машиностроение, 1969, с.509-513).

Техническим результатом является увеличение тяги двигателя за счет уменьшения входного импульса эжектируемого газа.

Указанный технический результат достигается тем, что эжекторный усилитель тяги двигателя, содержащий сопло эжектирующего газа, входное устройство эжектируемого газа, камеру смешения эжектирующего и эжектируемого газов, диффузор, снабжен полым обтекателем оживальной формы, который крепится пилонами к кожуху двигателя, или (и) к камере смешения, или (и) к элементам конструкции летательного аппарата, причем внутренняя поверхность носовой части обтекателя служит экраном для разворота потока; площадь кольцевого зазора между обтекателем в области его донного среза и камерой смешения составляет от 0.75 до 1.5 площади зазора между камерой смешения и соплом эжектирующего газа.

Указанный технический результат во втором варианте эжекторного усилителя тяги двигателя достигается тем, что обтекатель в кормовой части на расстоянии 0.5÷1.5 D_m (D_m - диаметр миделя обтекателя) от его донного среза выполнен с продольными щелями со степенью перфорации 0.05≤s≤0.2, где s - отношение площади щелей к площади части боковой поверхности обтекателя, ограниченной длиной щелей.

Указанный технический результат в третьем варианте эжекторного усилителя тяги двигателя достигается тем, что на камере смешения на расстоянии 0.5÷2 величины зазора между обтекателем и камерой смешения в направлении внешнего потока от донного среза обтекателя размещены сопла для поперечного вдува рабочего тела.

Указанный технический результат в четвертом варианте эжекторного усилителя тяги двигателя достигается тем, что в зазоре между камерой смешения и обтекателем расположены сопла для вдува рабочего тела в направлении внешнего потока, причем сопла крепятся к обтекателю или (и) к камере смешения так, что их выходные сечения находятся в плоскости донного среза обтекателя.

Указанный технический результат в пятом варианте эжекторного усилителя тяги двигателя достигается тем, что кормовая часть обтекателя, начиная с расстояний 0.2÷1 D_m (D_m - диаметр миделя обтекателя) от его донного среза, выполнена с коническим сужением 5÷25° в направлении к донному срезу обтекателя.

Указанный технический результат в шестом варианте эжекторного усилителя тяги двигателя достигается тем, что эжекторный усилитель тяги двигателя расположен вместе с двигателем частично или полностью внутри кормовой части фюзеляжа или за фюзеляжем л.а. в его аэродинамической тени.

Указанный технический результат в седьмом варианте эжекторного усилителя тяги двигателя достигается тем, что в эжекторном усилителе тяги двигателя по любому из вариантов 1, 2, 3, 4, 5, 6 в носовой части обтекателя расположены регулировочные клапаны для пропуска воздуха с прямого направления.

На фиг.1 приведена схема эжекторного усилителя тяги двигателя для реализации предложенного способа эжекторного усиления тяги двигателя летательного аппарата.

На фиг.2 приведена схема второго варианта эжекторного усилителя тяги двигателя с щелями на кормовой части обтекателя.

На фиг.3 приведена схема третьего варианта эжекторного усилителя тяги двигателя с соплами на камере смешения для поперечного вдува рабочего тела.

На фиг.4 приведена схема четвертого варианта эжекторного усилителя тяги двигателя с соплами для вдува рабочего тела в направлении внешнего потока.

На фиг.5 приведена схема пятого варианта эжекторного усилителя тяги двигателя с коническим сужением кормовой части обтекателя.

На фиг.6 приведена схема шестого варианта эжекторного усилителя тяги двигателя, размещенного вместе с двигателем в кормовой части фюзеляжа летательного аппарата.

На фиг.7 приведена схема седьмого варианта эжекторного усилителя тяги двигателя с регулировочными клапанами в носовой части обтекателя для пропуска воздуха с прямого направления.

Предложенный способ можно реализовать, например, с помощью устройства, схема которого представлена на фиг.1. Устройство эжекторного усилителя тяги двигателя летательного аппарата содержит обтекатель (1) с пилонами (2) для крепления обтекателя к кожуху (3) двигателя, или (и) к камере смешения, или (и) к элементам конструкции летательного аппарата. Внутри обтекателя расположены традиционные системы эжекторного усилителя тяги двигателя л.а.: сопло эжектирующего газа (4), входное устройство эжектируемого газа (5), камера смешения эжектирующего и эжектируемого газов (6), диффузор (7). Обтекатель (1) представляет собой открытое с кормовой части полое тело оживальной формы, которое препятствует прямому попаданию эжектируемого воздуха в камеру смешения эжектора при движении летательного аппарата.

Осуществление способа проиллюстрируем на примере работы устройства (фиг.1). При движении летательного аппарата со скоростью V_п за кормой обтекателя (1) в области его донного среза образуется застойная зона с обратными токами воздуха. Эксперименты различных авторов показывают, что скорость возвратного течения V_о увеличивается с ростом скорости V_п набегающего потока и в гиперзвуковом диапазоне может составлять до 50% от скорости этого потока (Исследование течений за донным срезом тел, обтекаемых потоком газа. Обзор ЦАГИ, №452-74, издательский отдел ЦАГИ, 1974 г. Carpenter P.W., Tabakoff W. Survey and Evaluation of Supersonic Base Flow Theories. NASA CR-97129, 1968). Итак, вместо потока со скоростью V_п, натекающего во входное устройство эжектируемого газа (5) без обтекателя, в предлагаемом варианте на входе в кормовую часть обтекателя ЭУТ имеется поток со скоростью V_о, совпадающий с направлением перемещения л.а. Далее происходит разворот потока на 180° за счет отражения от экрана, а именно от внутренней поверхности носовой части обтекателя, и затем поток направляется во входное устройство эжектируемого газа (5). В предлагаемом ЭУТ скорость потока в застойной зоне V_о существенно меньше скорости полета V_п и, соответственно, меньше входной импульс, что приводит к увеличению тяги эжектора.

Во втором варианте устройства (фиг.2) поставленная задача увеличения тяги эжектора решается следующим образом: наличие щелей (8) позволяет осуществлять вдув газа из пограничного слоя в кормовую часть обтекателя (1), повышая тем самым донное давление и, соответственно, силу тяги эжектора. Степень перфорации составляет 0.05≤s≤0.2, где s - отношение площади щелей к площади части боковой поверхности обтекателя, ограниченной длиной щели.

Этим же целям в третьем варианте устройства (фиг.3) служит поперечный вдув струй из сопел (9), расположенных на камере смешения (6) ЭУТ, в набегающий поток. При взаимодействии с внешним потоком перед струей образуется зона повышенного давления, которая распространяется в донную область обтекателя (1). Сопла располагаются на камере смешения на расстоянии 1÷2 величины зазора между обтекателем и камерой смешения от донного среза обтекателя в направлении внешнего потока.

В четвертом варианте ЭУТ искомая задача увеличения тяги решается путем истечения струй рабочего тела из сопел (10) в застойную область за донным срезом обтекателя. Увеличение тяги движителя происходит, во-первых, из-за увеличения донного давления и, во-вторых, из-за реактивной силы вдуваемых струй.

В пятом варианте ЭУТ тяга увеличивается вследствие того, что кормовая часть обтекателя выполнена сужающейся в направлении к донному срезу обтекателя. Это приводит к уменьшению площади донного среза и, соответственно, к уменьшению донного сопротивления. Кроме того, сужение обтекателя в его кормовой части приводит к увеличению донного давления в застойной зоне, что также увеличивает тягу эжектора.

В шестом варианте ЭУТ тяга двигателя увеличивается вследствие того, что ЭУТ расположен вместе с двигателем частично или полностью внутри кормовой части фюзеляжа или за фюзеляжем летательного аппарата в его аэродинамической тени. Это приводит к уменьшению аэродинамического сопротивления ЭУТ и, соответственно, к увеличению тяги.

В седьмом варианте увеличение тяги двигателя достигается тем, что в ЭУТ по любому из вариантов 1, 2, 3, 4, 5, 6 эжектируемый газ из окружающей среды забирают по и против направления движения л.а. При необходимости увеличения массы эжектируемого газа срабатывают регулирующие клапаны (11), и воздух начинает поступать внутрь обтекателя и далее в камеру смешения. Причем высоконапорный поток, проходящий через клапан (11) со скоростью V_п, будет эжектировать низконапорный газ, втекающий из кормы обтекателя со скоростью V_о.

Применение обтекателя в ЭУТ позволяет эжектировать не набегающий поток, а газ из застойной области в кормовой части обтекателя, имеющий практически нулевую скорость. Донное давление в дозвуковом диапазоне скоростей, характерных для летательных аппаратов с ЭУТ, изменяется незначительно, а скорость обратных токов воздуха в застойной зоне за кормой обтекателя практически нулевая. Так, в диапазоне чисел Маха полета л.а. М=0÷0.8 донное давление, отнесенное к давлению окружающей среды, уменьшается от 1 до 0.86 (Аэродинамика тел вращения малого удлинения. Обзор ЦАГИ, №371, 1972 г., с.137, фиг.219).

Предлагаемый эжекторный усилитель тяги с обтекателем по внутренней газодинамике эжекторной системы при всех скоростях полета л.а. работает как на земле, т.е. как было отмечено выше, на самом выгодном режиме по усилению тяги, особенно, когда поток направлен параллельно оси ЭУТ (входной импульс эжектируемого воздуха практически равен нулю). Разумеется, что с ростом скорости полета л.а., как и в традиционных ЭУТ, увеличивается аэродинамическое сопротивление эжекторной системы и, как отмечено выше, несколько уменьшается донное давление. Предлагаемые варианты ЭУТ направлены на увеличение донного давления и уменьшение аэродинамического сопротивления. Все это позволяет надеяться на расширение диапазона положительного эффекта ЭУТ с нынешних относительных скоростей полета л.а. ω=0.25÷0.3 до ω>0.4.

При использовании ЭУТ в воздушно-реактивных двигателях (ВРД) обтекателем может быть снабжен как ЭУТ, так и воздухозаборник ВРД, а также может быть единый обтекатель для всего двигателя.

Кроме основной цели - увеличения силы тяги эжектора, обтекатель ЭУТ защищает от попадания в эжектор посторонних предметов и может быть использован как часть системы шумоглушения двигателя.

Способ эжекторного усиления тяги двигателя летательного аппарата состоит в заборе эжектируемого газа из окружающей среды, смешении с эжектирующим газом в камере смешения и выбросе смеси вновь в окружающую среду. Эжектируемый газ из окружающей среды частично или полностью забирают в направлении движения летательного аппарата, меняют направление движения эжектируемого газа на противоположное путем отражения от экрана и подают в камеру смешения. Эжекторный усилитель тяги двигателя содержит сопло эжектирующего газа, входное устройство эжектируемого газа, камеру смешения эжектирующего и эжектируемого газов, диффузор. Эжекторный усилитель тяги снабжен полым обтекателем оживальной формы, который крепится пилонами к кожуху двигателя, или (и) камере смешения, или (и) к элементам конструкции летательного аппарата. Внутренняя поверхность носовой части обтекателя служит экраном для разворота потока. Площадь кольцевого зазора между обтекателем в области его донного среза и камерой смешения составляет от 0.75 до 1.5 площади зазора между камерой смешения и соплом эжектирующего газа. Изобретение направлено на увеличение тяги за счет уменьшения входного импульса эжектируемой струи. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ эжекторного усиления тяги двигателя летательного аппарата, состоящий в заборе эжектируемого газа из окружающей среды, смешении с эжектирующим газом в камере смешения и выбросе смеси вновь в окружающую среду, отличающийся тем, что эжектируемый газ из окружающей среды частично или полностью забирают в направлении движения летательного аппарата, меняют направление движения эжектируемого газа на противоположное путем отражения от экрана и подают в камеру смешения.2. Эжекторный усилитель тяги двигателя, содержащий сопло эжектирующего газа, входное устройство эжектируемого газа, камеру смешения эжектирующего и эжектируемого газов, диффузор, отличающийся тем, что эжекторный усилитель тяги снабжен полым обтекателем оживальной формы, который крепится пилонами к кожуху двигателя, или (и) камере смешения, или (и) к элементам конструкции летательного аппарата, причем внутренняя поверхность носовой части обтекателя служит экраном для разворота потока, площадь кольцевого зазора между обтекателем в области его донного среза и камерой смешения составляет от 0,75 до 1,5 площади зазора между камерой смешения и соплом эжектирующего газа.3. Эжекторный усилитель тяги двигателя по п.2, отличающийся тем, что обтекатель в кормовой части на расстоянии 0,5÷1,5 D_m (D_m - диаметр миделя обтекателя) от его донного среза выполнен с продольными щелями со степенью перфорации 0,05≤s≤0,2, где s - отношение площади щелей к площади части боковой поверхности обтекателя, ограниченной длиной щелей.4. Эжекторный усилитель тяги двигателя по п.2, отличающийся тем, что на камере смешения на расстоянии 0,5÷2 величины зазора между обтекателем и камерой смешения в направлении внешнего потока от донного среза обтекателя размещены сопла для поперечного вдува рабочего тела.5. Эжекторный усилитель тяги двигателя по п.2, отличающийся тем, что в зазоре между камерой смешения и обтекателем расположены сопла для вдува рабочего тела в направлении внешнего потока, причем сопла крепятся к обтекателю или (и) к камере смешения так, что их выходные сечения находятся в плоскости донного среза обтекателя.6. Эжекторный усилитель тяги двигателя по п.2, отличающийся тем, что кормовая часть обтекателя, начиная с расстояний 0,2÷1 D_m (D_m - диаметр миделя обтекателя) от его донного среза, выполнена с коническим сужением 5-25° в направлении к донному срезу обтекателя.7. Эжекторный усилитель тяги двигателя по п.2, отличающийся тем, что расположен вместе с двигателем частично или полностью внутри кормовой части фюзеляжа или за фюзеляжем летательного аппарата в его аэродинамической тени.8. Эжекторный усилитель тяги двигателя по любому из пп.2-7, отличающийся тем, что в носовой части обтекателя расположены регулировочные клапаны для пропуска воздуха с прямого направления.