СПОСОБ СОЗДАНИЯ СИЛЫ ТЯГИ В РЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ И РЕАКТИВНОЕ СОПЛО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК F02K1/28 

Изобретение относится к движителям транспортных средств и может быть использовано в любых двигателях, где используется реактивный принцип движения, в частности в ракетных и авиационных двигателях.

Известны способ и многочисленные устройства создания тяги в реактивных двигателях ("Аэрогазодинамика реактивных сопел", том 1, Лаврухин Г.Н., М., Физматлит, 2003, с.22, рис.1.2), связанные с получением газа высокой температуры и давления в камере сгорания и дальнейшим ускорением газа в сверхзвуковом сужающемся-расширяющемся сопле Лаваля (рис.1.2 средняя схема) или в звуковом сужающемся сопле (рис.1.2 нижняя схема).

Задачей изобретения является увеличение тяги реактивного двигателя при незначительном увеличении расхода рабочего тела через сопло порядка 1-3%.

Техническим результатом изобретения является увеличение силы тяги реактивного двигателя за счет использования газовой и (или) жидкой стенки в дозвуковой части сопла и соединения камеры сгорания со сверхзвуковой частью сопла.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в способе создания силы тяги в реактивном двигателе, связанным с получением в камере сгорания массы рабочего тела высокой температуры и давления, с последующим увеличением скорости рабочего тела в сужающейся дозвуковой части сопла до получения критической скорости в самом узком сечении сопла и с дальнейшим увеличением скорости потока рабочего тела в расширяющейся сверхзвуковой части сопла, в качестве стенок дозвуковой части сопла используют одну или несколько импульсных или стационарных струйных завес из газа и (или) жидкости, вдуваемых в основной поток из камеры сгорания таким образом, что поток из камеры сгорания принимает в дозвуковой части сопла форму, идентичную той, что и в случае твердой стенки, причем сопло полностью располагают внутри камеры сгорания таким образом, что выходные сечения камеры сгорания и сопла совпадают, а получившееся замкнутое пространство вокруг сверхзвуковой части сопла вакуумируют.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются также тем, что в устройстве создания силы тяги реактивного двигателя, содержащем камеру сгорания, насосы и форсунки для подачи окислителя и горючего, свечи для поджига топливной смеси, дозвуковую, звуковую и сверхзвуковую части реактивного сопла, сопло полностью расположено внутри камеры сгорания таким образом, что выходные сечения камеры сгорания и сопла совпадают, дозвуковая часть сопла выполнена в виде струйной завесы, образуемой щелевыми соплами, имеются пилоны для крепления сверхзвуковой части сопла к камере сгорания и вакуумный насос для создания разрежения в пространстве вокруг сверхзвуковой части сопла.

Реализацию предложенного способа создания силы тяги в реактивном двигателе поясним на примере работы устройства, схема которого приведена на фиг.1.

Устройство состоит из камеры сгорания (1), в котором при использовании жидкого, твердого или гибридного топлива получается газ высокой температуры T_к и давления p_к (для простоты на схеме не приведены агрегаты, с помощью которых реализуются эти параметры), головки камеры сгорания (2), сверхзвукового сопла (3), включающего дозвуковую часть в виде струйной завесы (4), в прототипах - это жесткая стенка, минимальное (критическое) сечение (5), где достигается звуковая скорость течения газа, и сверхзвуковую часть сопла (6), аппарата для создания струйной завесы (7), пилонов (8) для крепления сверхзвуковой части сопла к продолжению камеры сгорания, вакуумного насоса (9).

Для наглядности предположим, что диаметр цилиндрической камеры сгорания равен диаметру выходного сечения сверхзвукового сопла, а вариации числа Маха сопла осуществляются путем изменения площади S_кр критического сечения (5) сопла.

Итак, как работает устройство для реализации данного способа создания силы тяги в реактивном двигателе. Одновременно с получением в камере сгорания (1) газа высокого давления и температуры аппарат (7) генерирует струйную завесу ABDC, которая направляет газ из камеры сгорания в критическое сечение сопла (5) и изолирует от этого газа кольцевое пространство ABEFCD, охватывающее дозвуковую (4) и сверхзвуковую (6) части сопла (3); далее с помощью насоса (9) откачивается этот объем ABEFCD до остаточного давления p_b и реактивный двигатель выходит на стационарный режим создания тяги.

Приближенное полное давление р_зав в струйной завесе определяется балансом сил, действующих на струйную завесу со стороны газа высокого давления, ускоряющегося от практически нулевой скорости в конце камеры сгорания до скорости звука в критическом сечении

$${р}_{зав}=p+m{\nu }^2/(RS),$$

где R, p, ν - соответственно средние значения в струйной завесе радиуса кривизны, статического давления, скорости газа; m - масса рабочего тела струйной завесы (полагается, что вся она сосредоточена в одной точке); S - площадь поверхности завесы. Как видно из соотношения, наиболее существенный вклад в давление р_зав может дать второе слагаемое - центробежная составляющая, возникающая из-за искривления струйной завесы при ее распространении в объеме с повышенным давлением.

Струйных завес может быть несколько в разных сечениях дозвуковой области сопла и направлены они могут быть все в сторону критического сечения сопла или часть из них может быть направлена навстречу друг другу, т.е. из области критического сечения сопла в сторону стенок камеры сгорания. В качестве рабочего тела струйной завесы могут быть использованы жидкости и газы, в том числе получаемые из ракетного топлива или окислителя, нейтральные жидкости и газы, газожидкостные смеси, жидкие металлы, коллоидные растворы, двухфазные среды с твердыми частицами, ионизированные частицы, плазма и т.п., причем при использовании нескольких завес рабочие тела в них могут различаться. Варьируя величинами ν, m, R, всегда можно получить нужную величину центробежной силы, а следовательно, и полного давления р_зав для обеспечения непротекания "жидкой" стенки дозвуковой части сопла.

Сама струйная завеса при истечении из аппарата (7) дает дополнительное увеличение осевой тяги, помимо своей основной роли "жидкой" стенки. Струйная завеса может работать в стационарном или импульсном режиме, в последнем случае возможно уменьшение потребного количества рабочего тела струйной завесы. Расход рабочего тела струйной завесы зависит от многих параметров: типа рабочего тела, скорости его разгона, числа Маха реактивного сопла и т.д., причем в зависимости от типа рабочего тела аппарат (7) содержит соответствующие гидрогазодинамические или электромагнитные агрегаты ускорения рабочего тела завесы.

Итак, предлагаемая "жидкая" стенка дозвуковой части сверхзвукового сопла вместо твердой стенки у прототипов позволяет получить силу тяги из-за истечения самой струйной завесы.

Суммируя все изложенное, при использовании "жидкой" стенки можно рассчитывать на увеличение величины осевой тяги реактивного двигателя по сравнению с прототипами с жесткой стенкой дозвуковой части сопла.

При создании силы тяги в реактивном двигателе в камере сгорания получают рабочее тело высокой температуры и давления и увеличивают его скорость в сужающейся дозвуковой части сопла до получения критической скорости с дальнейшим увеличением скорости потока рабочего тела в расширяющейся сверхзвуковой части сопла. В качестве стенок дозвуковой части сопла используют одну или несколько импульсных или стационарных струйных завес, вдуваемых в основной поток из камеры сгорания таким образом, что поток из камеры сгорания принимает в дозвуковой части сопла форму, идентичную той, что и в случае твердой стенки. Сопло полностью располагают внутри камеры сгорания таким образом, что выходные сечения камеры сгорания и сопла совпадают, а получившееся замкнутое пространство вокруг сверхзвуковой части сопла вакуумируют. Устройство создания силы тяги реактивного двигателя содержит камеру сгорания, насосы и форсунки для подачи окислителя и горючего, свечи для поджига топливной смеси, дозвуковую, звуковую и сверхзвуковую части реактивного сопла, пилоны для крепления сверхзвуковой части сопла к камере сгорания и вакуумный насос для создания разрежения в пространстве вокруг сверхзвуковой части сопла. Сопло полностью расположено внутри камеры сгорания, а дозвуковая часть сопла выполнена в виде струйной завесы, образуемой щелевыми соплами. Группа изобретений позволяет повысить величину осевой тяги реактивного двигателя. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ создания силы тяги в реактивном двигателе, связанный с получением в камере сгорания массы рабочего тела высокой температуры и давления, с последующим увеличением скорости рабочего тела в сужающейся дозвуковой части сопла до получения критической скорости в самом узком сечении сопла и с дальнейшим увеличением скорости потока рабочего тела в расширяющейся сверхзвуковой части сопла, отличающийся тем, что в качестве стенок дозвуковой части сопла используют одну или несколько импульсных или стационарных струйных завес из газа и (или) жидкости, вдуваемых в основной поток из камеры сгорания таким образом, что поток из камеры сгорания принимает в дозвуковой части сопла форму, идентичную той, что и в случае твердой стенки, причем сопло полностью располагают внутри камеры сгорания таким образом, что выходные сечения камеры сгорания и сопла совпадают, а получившееся замкнутое пространство вокруг сверхзвуковой части сопла вакуумируют.

2. Устройство создания силы тяги реактивного двигателя, содержащее камеру сгорания, насосы и форсунки для подачи окислителя и горючего, свечи для поджига топливной смеси, дозвуковую, звуковую и сверхзвуковую части реактивного сопла, отличающееся тем, что сопло полностью расположено внутри камеры сгорания таким образом, что выходные сечения камеры сгорания и сопла совпадают, дозвуковая часть сопла выполнена в виде струйной завесы, образуемой щелевыми соплами, имеются пилоны для крепления сверхзвуковой части сопла к камере сгорания и вакуумный насос для создания разрежения в пространстве вокруг сверхзвуковой части сопла.