Свободно-поршневой реактивный двигатель Российский патент 2019 года по МПК F02K5/02 F02B71/06 

Изобретение относится к авиации и может быть использовано в качестве движущей установки на беспилотных летательных аппаратах /БПЛА/, а также на сверхлегких летательных аппаратах /СЛА/.

Известен поршневой авиадвигатель, используемый из вышеназванных ЛА. Эти двигатели выполнены по рядной,V-образной, оппозитной или звездообразной схеме. Все они содержат характерные для для д.в.с. узлы: цилиндры, поршни с шатунами и коленчатый вал. Поршневой авиадвигатель работает совместно с воздушным винтом, которым создается необходимая тяга. Поршневой двигатель за длительный срок своего существования постоянно совершенствовался и до сих пор остается востребованным для данной категории ЛА. Однако, конструкция этого двигателя остается достаточно сложной и металлоемкой из за наличия кривошипно-шатунного механизма. Удельный вес поршневых авиамоторов в среднем составляет 0.5 кг на 1 л.с /для сравнения, у турбовинтовых двигателей как минимум в 2 раза меньше/ Кроме того, для работы с максимальным к.п.д. воздушному винту необходим определенный диапазон частоты вращения, для чего часто приходится использовать редуктор. Тем не менее, при увеличении скорости полета к.п.д. винта вообще снижается до минимума.

Известен также свободно-поршневой генератор газа/СПГГ/, например, ОР-95/источник: ''Двигателя внутреннего сгорания, Алексеев В.П. Воронин В.Ф. и др. Москва, Машиностроение, 1990 г./ Этот СПГГ содержит цилиндр, два противоположно движущихся поршня, жестко связанных с поршнями буферно-продувочных полостей. Движение поршней синхронизировано реечным или рычажным механизмом. После пуска при движении поршней навстречу друг другу, в рабочую полость цилиндра с сжатым воздухом подается дизтопливо, которое самовоспламеняется затем поршни под давлением газа движутся в противоположном направлении/расходятся/, причем один из поршней сначала открывает выпускные окна, а затем другой впускные окна. Через выпускные окна газ поступает к потребителям, затем производится очистка и наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха, который поступает из продувочного ресивера. Одновременно воздух сжимается в буферных полостях цилиндра, обеспечивая обратный ход поршней. Свободно-поршневой двигатель не имеет кривошипно-шатунного механизма, поэтому он менее металлоемкий, а его механический к.п.д. выше, чем у традиционных поршневых д.в.с. Генерируемый в СПГГ газ способен создавать реактивную тягу. Конструкция СПГГ использована в качестве прототипа изобретения. Однако, существующие СПГГ имеют недостатки, затрудняющие их использование в качестве движителя для ЛА. Один из них - значительная затрата энергии рабочего тела на сжатие воздуха в буферных полостях и на продувку цилиндра, кроме того, часть воздушного заряда выталкивается из цилиндра при сжатии. Другой недостаток - неустойчивая работа СПГГ на частоте ниже номинальной, т.е. при уменьшении цикловой подачи топлива. При значительном снижении подачи топлива, СПГГ вообще может остановиться. Чтобы этого избежать, увеличивают высоту окон, что снижает литровую мощность и другие параметры установки.

Задача изобретения - повысить эффективность свободно-поршневого реактивного двигателя /СПРД/, путем рационального использования энергии рабочего тела, а также обеспечить устойчивую работу двигателя на различных режимах.

Указанная задача решается тем, что в цилиндрах СПРД установлены выпускные клапаны с внешним управлением, в необходимый момент осуществляющие открытие-закрытие выпускных окон под давлением гидравлической жидкости и рабочего тела, а продувка цилиндров производится набегающим потоком атмосферного воздуха.

Фигуры графических изображений:

Фиг. 1 - схематичный продольный разрез СПРД

Фиг. 2 - узел клапан-втулки с гидроприводом

Фиг. 3 - общий вид СПРД и примеры его размещения на ЛА

Свободно-поршневой реактивный двигатель /Фиг. 1/ состоит из 2^х цилиндропоршневых групп, связанных синхронизирующим механизмом. Главнее конструктивнее отличие от аналогов - наличие выпускных клапанов с гидроприводом, а также отсутствие буферных и продувочных полостей с соответствующими им поршнями. Цилиндр образуют 2 стальные тонкостенные гильзы 3,которые запрессованы в аллюминиевые рубашки с ребрами охлаждения 9. Цилиндры имеют выпускные окна 2 и впускные окна 5.Внутри цилиндра помещены поршни 4, разделяющие каждый цилиндр на 2 рабочих полости. Поршни кинематически связаны между собой двухплечим рычагом 10, качающимся с осью 11 в жестко закрепленной опоре. Для соединения поршней с рычагами к их концам приварены втулки, которые входят в проточки средней части поршней. На концах цилиндров установлены цилиндровые крышки, состоящие из 2^х частей. Наружная часть 12 /фиг. 2/ представляет из себя полый цилиндр, причем внутренний его диаметр несколько больше внутреннего диаметра рабочего цилиндра. Внутренняя часть крышек выполнена в виде стакана 1, на наружную поверхность которого с возможностью свободного скольжения посажена втулка, выполняющая роль выпускного клапана 8. Цилиндровые крышки в сборе с клапан-втулками с помощью фланцевого соединения через прокладки крепятся к рабочим цилиндрам. Полость между внутренней поверхностью цилиндровой крышки, торцом клапан-втулки и стаканом заполнена гидравлической жидкостью. Для герметизации гидрополости и предотвращения проникновения газа из рабочей полости цилиндра, клапан-втулка снабжена уплотнениями 6, причем внутренние уплотнения помещены в проточки на стаканах крышек. Для управляемого перемещения клапан-втулок на закрытие-открытие выпускных окон предназначена гидросистема, в которую кроме гидрополостей крышек цилиндров входят золотник 13 и гидроаккумулирующая емкость 14. Шток золотника соединен с сердечником соленоида, на который в нужный момент подается электропитание. Гидроаккумулирующая емкость разделена на жидкостный и воздушный объемы и всегда находится под избыточным давлением. СПРД работает по циклу Дизеля и снабжен топливными форсунками, а также соответствующим топливным насосом, приводимым в действие кулачком, насаженным на ось двухплечего рычага. Для смазки цилиндро-поршневой группы используется лубрикаторный маслонасос, подающий масло дозированно через отверстия в гильзах цилиндров. Привод лубрикатора также производится от синхронизирующего механизма. Выпускные окна патрубками 15 /фиг. 3/ соединены с трубой, которая является общей для выпускных патрубков близлежащей пары цилиндров. Каждая выпускная труба снабжена эжекторами 17, патрубки эжекторов расположены по окружности труб. Трубы оканчиваются реактивными соплами 16. СПРД работает следующим образом. Поскольку продувка и охлаждение цилиндров двигателя производится набегающим потоком воздуха, то для качественной продувки, наполнения и, соответственно, улучшения тяговой характеристики двигателя, ЛА целесообразно придать начальную скорость с помощью катапульты, пращи-карусели, сброса с высоты или используя буксировочное средство. Перед пуском двигателя клапан-втулки перекрывают выпускные окна цилиндров, причем клапан-втулки упираются в торцы гильз цилиндров, а соединительные трубопроводы гидрополостей крышек цилиндров с гидроаккумулирующей емкостью перекрыты золотниками. Первоначальное движение поршней в цилиндрах для сжатия воздуха в них осуществляется пиропатронами, которые заранее устанавливаются в специальные гнезда в крышках цилиндров. После подачи электропитания на запалы и привода в действие пиропатронов, давление образовавшихся газов перемещает поршни и они сжимают воздух в смежных полостях цилиндров. В определенный момент, при расширении газа, на селеноид подается электрический импульс, золотник смещается и сообщает гидрополость цилиндровой крышки с гидроаккумулирующей емкостью. Так как давление жидкости в емкости меньше, чем давление, действующее на лобовую поверхность клапан-втулки со стороны рабочей полости цилиндра, то клапан перемещается, открывая выпускные окна и одновременно выталкивая жидкость из гидрополости в гидроаккумулирующую емкость. После прекращения подачи электропитания на соленоид, пружина перемещает золотник на перекрытие соединительного трубопровода и клапан-втулка фиксируется, в открытом положении. Через открытый выпускной клапан рабочее тело истекает из цилиндра, а при дальнейшем движении поршня от ВМТ к НМТ поршень открывает впускные окна, через которые в цилиндр поступает воздух из атмосферы. На скорости движения ЛА 20 м/сек. набегающий поток воздуха уже обеспечивает достаточную продувку и наполнение цилиндра. Когда в одной полости цилиндра происходит расширение рабочего тела, в смежной полости в то же время производится сжатие воздуха при закрытом выпускном клапане. Затем, аналогично, во 2^ой полости цилиндра протекает процесс сгорания, поданного форсункой топлива, расширение рабочего тела с противоположным движением поршня. В начале движения поршня от НМТ к ВМТ /процесс сжатия/ подается электрический импульс на соленоид золотника и он сообщает гидрополость с гидроаккумулирующей емкостью. Так как давление жидкости в емкости больше, чем в цилиндре и, соответственно в гидрополости, клапан-втулка перемещается под давлением жидкости и выпускные окна перекрываются. Клапан-втулка перемещается до упора в торец гильзы цилиндра, обратному перемещению клапана препятствует жидкость, запертая в объеме полости крышки цилиндра при закрытом золотнике. В конце процесса сжатия в рабочую полость цилиндра форсунка подает топливо и цикл повторяется. Поскольку цилиндров два и их поршни кинематически связаны между собой, в другом цилиндре одновременно происходят те же процессы, но в противоположных 1^ому цилиндру рабочих полостях. При движении рабочего тела к реактивному соплу в выпускную трубу через патрубки эжектора засасывается воздух из атмосферы. Это увеличивает массу рабочего тела и снижает акустический эффект при истечении газа из сопла. Так как рабочий процесс осуществляется одновременно в 2^х рабочих полостях цилиндров, то реактивная тяга всегда создается двумя параллельными соплами. Таким образом, рабочий цикл заявленного СПРД имеет следующие отличия от цикла работы традиционных СПГГ: 1. При сжатии воздушного заряда в цилиндре, вследствие перекрытия выпускных окон, исключается его потеря. 2. При перемещении клапан-втулки для открытия выпускных окон, потери энергии рабочего тела из за его расширения весьма малы, так как лобовая площадь клапан-втулки значительно меньше площади поршня. 3. Момент открытия выпускных окон - не постоянная величина и устанавливается в зависимости от режима работы двигателя. В итоге к реактивному соплу рабочее тело поступает с максимально возможным количеством энергии, т.е. без неоправданных потерь. Поэтому, момент открытия выпускных скоп должен обеспечивать необходимое соотношение между количеством энергии рабочего тела, выпускаемого из цилиндра и потребным количеством энергии для сжатая воздуха в смежной полости цилиндра. Очевидно, что это соотношение зависит от цикловой подачи топлива. При постоянной подаче топлива соотношение не изменяется - двигатель работает в одном режиме, например, номинальном. В таком случае, для управления выпускными клапанами /золотником конкретно/ достаточно учитывать только геометрическое положение поршня в цилиндре и направление его движения. Если предусматривается работа двигателя на переменных режимах, т.е. с изменением подачи топлива, то тогда уже одних геометрических параметров недостаточно и в систему управления золотником включается микропроцессор, который уже давно используется в автомобильных моторах. Использование микропроцессора позволяет изменять момент открытия выпускных клапанов, а при необходимости и момент их закрытия. Например, при уменьшении цикловой подачи топлива общая энергия рабочего тела уменьшается, но при этом почти не изменяется потребное количество энергии для сжатия воздуха, следовательно, для сохранения необходимого энергетического соотношения и работоспособности двигателя, выпускные клапаны должны открываться позже. Данная система управления выпускными клапанами в отдельных случаях позволяет устанавливать выпускные клапаны в любое положение, даже независимо от положения поршней в цилиндре. СПРД могут быть различной размерности - с рабочим объемом от 1 до 10 литров, а возможно и более. Для определенной категории БЛЛА требуются двигатели малого объема. Такие двигатели выполняются по упрощенному варианту - в системе управления клапанами может отсутствовать микропроцессор /если двигатель работает в постоянном режиме/ Управление движением золотника гидросистемы, в таком случае, производится механически, с приводом от кулачка на оси синхронизирующего механизма. Нет необходимости снабжать малоразмерные СПРД отдельной системой смазки - масло для смазки деталей двигателя добавляется в топливо/керосин/, как в 2^х тактных бензомоторах.

Изобретение относится к авиации и может быть использовано в качестве движущей установки на летательных аппаратах. Свободно-поршневой реактивный двигатель содержит цилиндры с впускными и выпускными окнами, поршни с синхронизирующим механизмом и реактивные сопла, перед которыми установлены патрубки эжекторов. Цилиндры с поршнями объединены в группу попарно с помощью синхронизирующего механизма, выполненного в виде двуплечего рычага. В концах цилиндров установлены цилиндровые крышки, состоящие из наружного полого цилиндра и внутреннего стакана с помещенным на нем выпускным клапаном, причем части цилиндровых крышек герметично соединены между собой, образуя полость между торцевой поверхностью выпускного клапана и частями крышки, а упомянутая полость заполнена гидравлической жидкостью. Выпускные окна цилиндров соединены с реактивными соплами. Изобретение позволяет повысить эффективность двигателя, а также обеспечить устойчивую его работу на различных режимах. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Свободно-поршневой реактивный двигатель, содержащий цилиндры с впускными и выпускными окнами, поршни с синхронизирующим механизмом и реактивные сопла, отличающийся тем, что в разделенном на две рабочие полости цилиндре в его центральной части помещен поршень, причем цилиндры с поршнями объединены в группу попарно с помощью синхронизирующего механизма, выполненного в виде двухплечего рычага, установленного на оси, а концы рычагов входят в проточки в средней части поршней, причем в концах цилиндров установлены цилиндровые крышки, состоящие из наружного полого цилиндра и внутреннего стакана с помещенным на нем выпускным клапаном, причем части цилиндровых крышек герметично соединены между собой, образуя полость между торцевой поверхностью выпускного клапана и частями крышки, а упомянутая полость заполнена гидравлической жидкостью, причем выпускные окна соединены с реактивными соплами, причем перед соплами установлены патрубки эжекторов, причем перед пуском двигателя поршни находятся вблизи крайних положений в цилиндрах, а выпускные клапаны перекрывают окна и фиксированы от перемещения гидравлической жидкостью, а после пуска поршни под давлением пускового воздуха или иного газа, перемещаясь, сжимают воздух в рабочей полости цилиндра, происходит воспламенение поданного в полость в конце сжатия топлива, затем поршни под давлением рабочего тела движутся в противоположном направлении, а в определенный момент выпускные клапаны под давлением рабочего тела перемещаются и открывают выпускные окна, одновременно вытесняя жидкость из полости цилиндровых крышек, причем движущийся из выпускных окон поток газа через патрубки эжекторов засасывает воздух из атмосферы в выпускную трубу и вся масса рабочего тела, истекая из сопел, создает реактивную тягу, причем в конце процесса расширения поршни открывают впускные окна в цилиндрах и в них поступает набегающий поток атмосферного воздуха, осуществляя очистку и наполнение цилиндров, причем в определенный момент выпускные клапаны перемещаются, перекрывая выпускные окна, и фиксируются в этом положении, причем одновременно с расширением рабочего тела в одной полости цилиндра в смежной рабочей полости каждого цилиндра производится процесс сжатия воздуха.

2. Свободно-поршневой реактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что выпускной клапан выполнен как втулка, посаженная на стакан цилиндровой крышки с возможностью продольного скольжения, причем клапан-втулка и стакан цилиндровой крышки снабжены уплотнениями.

3. Свободно-поршневой реактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что полость цилиндровой крышки с гидравлической жидкостью соединена трубопроводом с золотником, шток которого связан с сердечником катушки соленоида либо связан с синхронизирующим механизмом, причем золотник также соединен трубопроводом с гидроаккумулирующей емкостью, которая частично заполнена гидравлической жидкостью, а частично воздухом, причем давление в гидроаккумулирующей емкости всегда выше атмосферного, причем при подаче электрического импульса от микропроцессора на катушку соленоида, или механического импульса непосредственно на шток золотника от синхронизирующего механизма, золотник перемещается и сообщает через трубопроводы гидрополость цилиндровой крышки с гидроаккумулирующей емкостью, при этом выпускной клапан-втулка перемещается либо под давлением рабочего тела в цилиндре, вытесняя жидкость в гидроаккумулирующую емкость, либо клапан-втулка перемещается под напором гидравлической жидкости, перетекающей из емкости в гидрополость цилиндровой крышки, причем при перекрытии золотником соединительных трубопроводов клапан-втулка фиксируется от перемещения замкнутым объемом гидрожидкости.