ГИПЕРЗВУКОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК F02K7/16 F02K7/18 

Изобретение относится к турбореактивным и прямоточным двигателям.

Известен трехзонный двигатель, содержащий компрессор, камеру сгорания и турбину (см. патент №2419035). Однако известно, что работоспособность турбореактивных двигателей на скоростях более 3М ограничена вследствие большой температуры воздуха уже на входе в камеру сгорания. А скорость потока становится настолько большой, что топливо не успевает сгорать и может произойти срыв пламени в камере сгорания.

Задача и технический результат изобретения - бесперебойная работа прямоточного двигателя, или оптимальная работа первого и второго контуров двухконтурного турбореактивного двигателя (далее ДТРД).

ВАРИАНТ 1. Чтобы не происходил срыв пламени, в данном двигателе (прямоточном, двухконтурном, одноконтурном) топливо после топливного насоса и перед подачей в камеру сгорания нагревается до или выше температуры самовоспламенения. В этом случае оно при контакте с воздухом после выхода из форсунок всегда будет самовоспламеняться, и срыв горения невозможен. Однако нельзя слишком перегревать топливо, иначе начнется процесс термического разложения углеводородов на водород и углерод, и последний засорит трубопроводы и форсунки.

Нагрев топлива возможен в теплообменнике, находящемся в стенках камеры сгорания или непосредственно в камере сгорания.

В остальном такой двигатель работает как обычный турбореактивный или прямоточный.

ВАРИАНТ 2. Чтобы уменьшить температуру входящего в двигатель на гиперзвуковой скорости воздуха, воздух поступает в первый контур двигателя через расширяющийся канал (диффузор), а второй контур имеет профиль кольцевого прямоточного двигателя, в котором компрессор второго контура находится перед камерой сгорания. Лопатки компрессора второго контура желательно выполнить поворотными (например, как у двигателя НК-93) для оптимальной работы на всех скоростях.

По закону сохранения импульса для повышения тяги выгодно при той же внесенной энергии отбрасывать как можно большую массу воздуха. Поэтому данный двигатель может иметь щелевое эжекторное устройство на стыке выходов первого и второго контуров двигателя и общее реактивное сопло. Это важно и по другой причине - в выходящих из турбины газах могут иметься остатки топлива, которые в этом случае догорят. Причем эжекторное устройство желательно покрыть тонким слоем каталитического материала, например платины (аналогично автомобильному катализатору, дожигающему выхлопные газы). При слое в 1 мкм потребуется всего несколько граммов покрытия.

Более того, топливо второго контура в этом случае может впрыскиваться в газы, выходящие из турбины, в которых обеспечивается лучшее начало процесса горения (газы горячие), а полностью сгорать топливо будет в эжекторном устройстве и после него в общей форсажной камере. Это целесообразно еще и потому, что эжекторное устройство не выдержит полного жара, если все топливо второго контура сжигать в камере сгорания второго контура (в аналогичных прямоточных двигателях были получены температуры около 3000 градусов С).

Диффузор первого контура в таком двигателе является центральным телом кольцевого входного устройства для второго контура и может иметь возможность продольно перемещаться для настройки входного устройства. Также могут иметь возможность настраиваться на нужную скорость проходные сечения первого и второго контуров. Хотя в двигателе, рассчитанном на достижение одной максимальной скорости, это может быть и нецелесообразно.

Если диффузор нерегулируемый, то в нем желательно предусмотреть управляемо открывающиеся окна для поступления воздуха в первый контур на малой скорости.

На эскизе показано сечение двигателя по варианту 2. Двигатель состоит из первого контура, содержащего диффузор 1, компрессор 2, камеру сгорания 3, и турбину 4. Второй контур состоит из входного устройства 5, компрессора второго контура 6, и камеры сгорания 7. Затем потоки контуров объединяются в щелевом эжекторном устройстве 8 (схематично показано перекрещивающимися стрелками) и поступают в общее сопло 9. Перед соплом может иметься общая форсажная камера 10.

Работает двигатель так: на гиперзвуковой скорости встречный поток поступает в диффузор 1, где замедляется, и где давление воздуха увеличивается, что обеспечивает хорошие условия для работы первого контура. Одновременно поток сжимается в сверхзвуковом входном устройстве второго контура 5, затем дополнительно сжимается в компрессоре второго контура 6, чем достигается большая степень сжатия (чем она выше, тем выше кпд), и затем в камере сгорания 7 во второй контур впрыскивается топливо. Топливо может впрыскиваться и/или в эжекторное устройство, где потоки обоих контуров смешиваются, топливо догорает на катализаторе, и далее общий поток поступает в общую камеру сгорания 10 и в общее реактивное сопло 9.

С ростом скорости мощность турбины падает, мощность на компрессоре второго контура тоже падает, но зато резко увеличивается сжатие воздуха во входном устройстве второго контура. На скоростях 6-7 М двигатель будет работать практически как прямоточный, а первый контур, если подавать топливо в эжекторное устройство, будет выполнять роль форсунки, нагревающей и распыляющей топливо.

В гиперзвуковом двигателе, содержащем камеру сгорания, топливо после топливного насоса и перед подачей в камеру сгорания нагревается выше температуры самовоспламенения. Нагрев топлива происходит в теплообменнике, находящемся в стенках камеры сгорания или непосредственно в камере сгорания. Гиперзвуковой двигатель содержит два контура, две камеры сгорания, и одно общее реактивное сопло. Второй контур имеет профиль кольцевого прямоточного двигателя, в котором компрессор второго контура находится перед камерой сгорания. Диффузор первого контура является центральным телом кольцевого входного устройства для второго контура и может иметь возможность продольно перемещаться для настройки входного устройства. Изобретение направлено на обеспечение бесперебойной работы прямоточного двигателя и предупреждение срыва пламени. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гиперзвуковой двигатель, содержащий камеру сгорания и отличающийся тем, что топливо после топливного насоса и перед подачей в камеру сгорания нагревается выше температуры самовоспламенения.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что нагрев топлива происходит в теплообменнике, находящемся в стенках камеры сгорания или непосредственно в камере сгорания.

3. Гиперзвуковой двигатель, содержащий два контура, две камеры сгорания, и одно общее реактивное сопло, отличающийся тем, что второй контур имеет профиль кольцевого прямоточного двигателя, в котором компрессор второго контура находится перед камерой сгорания, а диффузор первого контура является центральным телом кольцевого входного устройства для второго контура и может иметь возможность продольно перемещаться для настройки входного устройства.

4. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что в диффузоре имеются управляемо открывающиеся окна.

5. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что имеет щелевое эжекторное устройство на стыке выходов первого и второго контуров двигателя и общее реактивное сопло.

6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что эжекторное устройство покрыто слоем каталитического материала, например платины.

7. Двигатель по п.3, отличающийся тем, что топливо второго контура впрыскивается в газы, выходящие из турбины.