Способ создания реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя Российский патент 2017 года по МПК F02K7/02 F02K7/04 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям (ПуВРД) летательного аппарата.

Известны пульсирующие воздушно-реактивные двигатели бесклапанной схемы, патент US №2639580, НКИ 60-35.6, опубликован 26.05.1953 г. и др. Известно также применение испарителей топлива в пульсирующих воздушно-реактивных двигателях, патент SU №106500, опубликован 01.01.1957 г.

В качестве прототипа принят способ создания реактивной тяги бесклапанным ПуВРД, описанный в патенте RU 2429366, F02K 7/02, опубликован 20.09.2011 г. При взрыве топливовоздушной смеси в камере сгорания продукты сгорания начинают выбрасываться через резонаторную трубу и впускной канал. Далее наступает процесс всасывания, при котором продукты сгорания, движущиеся по резонаторной трубе, начинают всасывать атмосферный воздух через впускной канал в камеру сгорания - эффект Каденаси (Kadenacy), такая схема организации цикла работы двигателя без подвижных частей называется «бесклапанной» или «с аэродинамическим клапаном». Цикличность всасывания приводит к тому, что на внутренней кромке впускного канала при каждом цикле всасывания образуется кольцевой вихрь. Такой же кольцевой вихрь образуется в центре впускного канала, благодаря размещенному там входному конусу. Далее эти два вихря, перемещаясь внутрь камеры сгорания, имея противоположные направления вращения, инициируют интенсивный массоперенос внутрь камеры сгорания. Таким образом, одновременная генерация на цикле всасывания двух кольцевых вихрей интенсифицирует массоперенос и горение, что приводит к росту амплитуды пульсаций давления и росту тяги ПуВРД.

Создание реактивной тяги в прототипе происходит при одновременном циклическом выбросе продуктов сгорания и всасывании атмосферного воздуха, причем во впускном канале на цикле всасывания генерируются два кольцевых вихря.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что при циклическом горении топливовоздушной смеси в камере сгорания продукты сгорания частично выбрасываются и через впускной канал, что снижает интенсивность массопереноса внутри камеры сгорания и приводит к снижению тяги.

Задачей настоящего изобретения является повышение реактивной тяги ПуВРД.

Поставленная задача достигается тем, что в способе создания реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающем циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха во впускном канале с осуществлением одновременной генерации двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки, согласно изобретению генерацию кольцевых вихрей осуществляют в передней части камеры сгорания на цикле расширения потока продуктов сгорания, идущего в направлении входного канала, причем часть названного потока направляют через кольцевой торообразный суживающийся канал, обеспечивающий ускорение потока и создание эжектирующего эффекта на входе в камеру сгорания двигателя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение реактивной тяги ПуВРД за счет осуществления генерации двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки в передней части камеры сгорания на цикле расширения потока продуктов сгорания и дополнительного наддува за счет эжекции воздуха в камеру сгорания.

Заявляемый способ поясняется с помощью чертежей.

На фиг. 1 показана схема ПуВРД, реализующая заявляемый способ.

На фиг. 2 показано конструктивное исполнение головки ПуВРД.

На фиг. 3 представлена кинограмма течения газа в газодинамическом тракте двигателя, реализующего предлагаемый способ, и ее градиентная обработка.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель состоит из корпуса 1, головки 2. В корпусе 1 расположена камера сгорания 3, змеевиковый испаритель топлива с форсуночным коллектором 4, свеча зажигания 5, торообразная стенка 6, резонаторная труба 9.

Головка 2 содержит входной кольцевой канал (диффузор) 7, образованный частью участка головки 2 и входным конусом 8. Торообразная стенка 6 и головка корпуса 2 образуют кольцевой торообразный суживающийся канал 10, который заканчивается на срезе входного канала (диффузора) 7. Кольцевой торообразный канал 10 имеет центрирующие опоры 11, 12. Входной конус 8 установлен во входном диффузоре с помощью пилона 13.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

Для запуска двигателя необходимо создать скоростной напор воздуха на входе. К моменту начала воспламенения камера сгорания 3 заполнена топливовоздушной смесью и имеет давление внутри двигателя, близкое к атмосферному. В результате воспламенения образуется фронт пламени, который быстро распространяется на весь объем камеры сгорания. Вначале происходит непрерывное горение с выходом продуктов сгорания через резонаторную трубу 9.

После прогрева двигателя топливо подается в камеру сгорания уже в газообразном состоянии, двигатель переходит на резонансно-пульсирующий режим работы.

При сгорании топлива в камере сгорания объем и, соответственно, давление продуктов сгорания в ней увеличиваются и они устремляются как в резонаторную трубу 9, так и в направлении головки 2. Часть потока продуктов сгорания, идущая в направлении головки 2, направляется в кольцевой торообразный суживающийся канал 10, ускоряется в нем и выходит у входного канала (диффузора) 7, создавая дополнительный наддув в камеру сгорания. Кольцевой торообразный суживающийся канал 10 выполняет роль впускного канала - «аэродинамического клапана» - и внутреннего эжектора.

Возникшее при этом пульсирующее колебание газового столба используется для организации процесса наполнения двигателя, предварительного сжатия рабочего тела, а также обеспечения процесса сгорания, близкого к сгоранию при постоянном объеме.

Движение потока по кольцевому торообразному каналу 10 (эжектору) осуществляется за счет разности напоров на входе и выходе из канала

Другая часть потока, идущая в направлении головки 2, направляется по торообразной стенке 6 и совместно с потоком, поступающим через входной канал (диффузор) 7, генерирует в передней части камеры сгорания 3 два кольцевых вихря разнонаправленной закрутки. Генерация двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки происходит на цикле расширения процесса горения и имеет существенно большую интенсивность по сравнению с генерацией на цикле всасывания.

Больший из генерируемых вихрей формируется стенкой торообразного канала 6 с образованием кольцевого вихря на внутренней стороне стенки со стороны камеры сгорания подхватывает и ускоряет поток газа, выходящий из кольцевого торообразного суживающегося канала, выполняющего роль эжектора.

Меньшая часть потока, отражающаяся от профилированной тыльной части входного конуса 8, образует вихрь обратного тока, дополнительно ускоряющий поток газа, выходящего из кольцевого торообразного канала (эжектора) 10.

Образующаяся в результате взаимодействия кольцевых разнонаправленных вихрей и эжектируемой струи газа область пониженного давления осуществляет подсос воздуха из диффузора 7, увеличивая наполнение и расход воздуха в камеру сгорания 3, интенсифицирует массоперенос и горение, что приведет к росту амплитуды пульсаций давления и росту тяги ПуВРД.

Конструктивно кольцевой торообразный суживающийся канал 10 (фиг. 2) выполнен расположением торообразной стенки 6 с эксцентриситетом по горизонтальной и вертикальной осям относительно центра корпуса головки 2.

Кольцевые входное и выходное сечения и длину кольцевого торообразного суживающегося канала (эжектора) подбирают исходя из результатов статистического анализа объемов и длин впускных каналов бесклапанных ПуВРД.

Наибольший диаметр конуса входа 8 равен наименьшему диаметру торообразной стенки 6 и защищает выход торообразного суживающегося канала 10 и входной канал (диффузор) 7 от действия встречного потока расширяющихся продуктов сгорания.

Для подтверждения возможности реализации заявленного способа проведены эксперименты с визуализацией процесса движения продуктов сгорания в газодинамическом тракте ПуВРД, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 3 представлены стоп-кадры кинограммы визуализации методом дымогенерации.

На стоп-кадре №2 представлен момент наполнения объема камеры сгорания - вспышка; на кадре №5 - процесс расширения потока продуктов сгорания и движения их по торообразному каналу 10, выполняющему роль «аэродинамического клапана»; на кадрах №14, 17 - процесс подсоса (наддува) за счет эжекции наружного воздуха в камеру сгорания из диффузора 7.

Генерация двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки визуализируется на кадрах №8, 11, 14.

Предлагаемый способ отличается от известных тем, что в нем сочетаются бесклапанная схема и эжекторный наддув в камеру сгорания за счет импульса давления при воспламенении продуктов топливовоздушной смеси.

Заявляемый способ позволяет повысить реактивную тягу ПуВРД за счет интенсификации массопереноса, осуществляющегося генерацией двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки в передней части камеры сгорания на цикле расширения потока продуктов сгорания и дополнительного наддува за счет эжекции воздуха в камеру сгорания. Реактивная тяга при этом увеличивается на величину потерь тяги в впускных каналах бесклапанного ПуВРД.

Способ создания реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя может быть применен в двигателях летательных аппаратов. Способ включает циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха во впускном канале с осуществлением одновременной генерации двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки, которую осуществляют в передней части камеры сгорания на цикле расширения потока продуктов сгорания, идущего в направлении входного канала. Часть вышеназванного потока продуктов сгорания направляют через кольцевой торообразный суживающийся канал для обеспечения ускорения потока и создания эжектирующего эффекта на входе в камеру сгорания двигателя. Изобретение направлено на повышение реактивной тяги за счет интенсификации массопереноса, осуществляющегося генерацией двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки. 3 ил.

Способ создания реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающий циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха во впускном канале с осуществлением одновременной генерации двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки, отличающийся тем, что генерацию кольцевых вихрей осуществляют в передней части камеры сгорания на цикле расширения потока продуктов сгорания, идущего в направлении входного канала, причем часть потока продуктов сгорания, идущего в направлении входного канала, направляют через кольцевой торообразный суживающийся канал для обеспечения ускорения потока и создания эжектирующего эффекта на входе в камеру сгорания двигателя.