Форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель Российский патент 2020 года по МПК F02K7/67 

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в двигателях небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как, например, беспилотные разведчики, летающие мишени.

Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с. 19, 20).

Известный ПуВРД представляет собой трубу с клапанной решеткой, которая состоит из несущих элементов - поперечных стержней, подвижных элементов - плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.

Набегающий на ПуВРД поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги ПуВРД.

После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере сгорания инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру сгорания поступает очередная порция воздуха и цикл повторяется.

Главным достоинством ПуВРД этого типа, основанного на применении механических клапанных решеток, является высокое гидравлическое сопротивление продуктам сгорания, пытающимся прорваться навстречу набегающему потоку при взрыве в камере сгорания.

Их недостаток - высокое гидравлическое сопротивление при продувке камеры сгорания, особенно на низких скоростях полета, и низкая скорость турбулентного горения не обеспечивающая высокую амплитуду пульсаций давления, что ведет к не высокому цикловому объемному наполнению и, как следствие, к низкой удельной и лобовой тяге.

Так же известны конструкции ПуВРД, где в качестве аэродинамических клапанов используют простые трубки, "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж.Г. Маркштейна, М., МИР, 1968, с. 401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; 2812635, 1957; 3093962, 1963.

К недостаткам такого способа продувки ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления в камере сгорания и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия), не только вследствие малого сопротивления аэродинамического клапана выбросу продуктов сгорания, но и низкой скорости турбулентного горения. Скорость турбулентного горения повышает такой конструктивный прием как поворот аэродинамического клапана навстречу набегающему потоку и установка козырька на входе в резонаторную трубу, как это предлагается сделать в патентах РФ №2468236, 2608427, 2468236, 2493399, 2429367, 2435978. В этом случае гидравлическое сопротивление обратному выбросу с ростом скорости возрастает, одновременно возрастает амплитуда пульсаций давления, что существенным образом улучшает работу ПуВРД.

Аналогичное происходит и в выбранном прототипе, патенте RU 2443893, МПК F02K 7/04, публ. 27.02.2016 г.

Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления, которое достигается за счет роста скорости турбулентного горения. Увеличение амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно, к снижению удельного расхода топлива. Поэтому естественным техническим решением является увеличение турбулентного массопереноса в камере сгорания за счет выполнения прямоугольных прорезей в козырьке и последующей нише перфорированной профилированными отверстиями и содержащей козырек второго эшелона. При этом змеевик выполняется с неравномерным диаметром навивки и углом наклона витков заходящих в газоход, а резонаторная труба за змеевиком выполнена с наклонными полукольцевыми ребрами турбулизаторов.

Совместная реализация перечисленных конструктивных решений приводит к значительной интенсификации процесса горения вплоть до детонационного, что увеличивает реактивную тягу ПуВРД.

Технический результат, достигаемый в результате реализации предполагаемого изобретения, заключается в повышении термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления.

Техническая задача решается путем интенсификации процесса массообмена в камере сгорания и входной части резонаторной трубы за счет выполнения прямоугольных прорезей в козырьке первого эшелона и установки за ним перфорированной ниши в передней части и выступающим внутрь козырьком второго эшелона, а топливный змеевик выполняется с неравномерным диаметром навивки и углом наклона спирали несколькими витками выступающим в резонаторную трубу. Дополнительно на входе в резонаторную трубу устанавливаются косые по оси ребра турбулизаторов.

Указанный технический результат, при осуществлении изобретения, достигается тем, что в известной конструкции форсированного двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД), содержащего, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первого и второго смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопла подачи топлива, змеевик нагрева топлива, резонаторную трубу с частичным диффузорным раскрытием, задняя стенка камеры сгорания выполнена с козырьком первого эшелона с прямоугольными прорезями для образования за ними плоских струйных течений, внутри камеры сгорания за козырьком первого эшелона выполнена перфорированная ниша с выступающим внутрь течения козырьком второго эшелона, а змеевик нагрева топлива имеет неравномерную по диаметру и косую по оси навивку. Резонаторная труба с частичным диффузорным раскрытием во входной цилиндрической части с нижней стороны содержит кольцевые наклонные по оси ребра турбулизаторов.

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемый чертеж, иллюстрирующий предпочтительный вариант реализации, на котором показана схема предлагаемого форсированного эжекторного пульсирующего двухконтурного ПуВРД (далее ДЭПуВРД).

На фиг. 1 показан заявляемый ДЭПуВРД.

На фиг. 2 показан вид -А- на первую впускную трубу - смеситель.

На фиг. 3 показан вид -Б- на входную част второй резонаторной трубы - смесителя.

На фиг. 4 показан вырыв I в зоне размещения козырьков первого и второго эшелона.

Дополнительно показан вид -С- на козырек первого эшелона по фиг. 4, с выполненными в нем прямоугольными прорезями.

Позициями на чертежах показаны:

1 - сопло подачи газа,

2 - первая впускная труба-смеситель,

3 - треугольный канал,

4 - вторая впускная труба-смеситель,

5 - кольцевая обечайка,

6 - камера сгорания,

7 - задняя торцевая стенка камеры сгорания,

8 - козырек первого эшелона,

9 - прямоугольные прорези,

10 - перфорированная ниша,

11 - профилированные отверстия,

12 - козырек второго эшелона,

13 - вихревые зоны,

14 - топливный змеевик,

15 - передний виток топливного змеевика,

16 - второй виток топливного змеевика,

17 - задние витки змеевика с косой навивкой,

18 - входная часть резонаторной трубы,

19 - полукольцевые косые ребра,

20 - диффузорное раскрытие резонаторной трубы,

21 - вихревой аэродинамический клапан,

22 - сопло подачи топлива,

23 - топливный коллектор,

24 - свеча зажигания.

ДЭПуВРД, представленный в графической части, содержит сопло 1 подачи газа с соосно закрепленными первой впускной трубой - смесителем 2 с установленным в его передней части треугольным каналом 3, второй впускной трубой-смесителем 4 с закрепленной на его входной части кольцевой обечайкой 5. На заднем торце второй впускной трубы-смесителя 4 закреплена камера сгорания 6 с козырьком первого эшелона 8 на задней торцевой стенке 7. К задней торцевой стенке 7 камеры сгорания 6 закреплена резонаторная труба 18 с запальной свечой 24 и частичным диффузорным раскрытием 20. К резонаторной трубе крепится топливный змеевик 14. На передней стенке камеры сгорания 6 закреплен вихревой аэродинамический клапан 21, на входе в который установлено сопло подачи топлива 22 из топливного коллектора 23.

При частичной подаче газообразного топлива через топливный змеевик 14 и подачи искры на запальную свечу зажигания 24 происходит воспламенение топлива и горение внутри камеры сгорания 6. Через некоторое время топливный змеевик 14 и стенки камеры сгорания 6 разогреваются, и дальнейшее увеличение подачи топлива приводит к осуществлению рабочего цикла ДЭПуВРД. Он осуществляется следующим образом.

Подаваемый газ через сопло 1 подачи газа эжектирует воздух в первый контур - в первую впускную трубу-смеситель 2 и вторую впускную трубу-смеситель 4, выполняет в заявляемом ДЭПуВРД еще и функцию аэродинамического клапана. Далее струйное течение воздушно-газовой смеси, доходя до задней торцевой стенки 7 камеры сгорания 6, соударяется с ней и далее, разворачиваясь на козырьке первого эшелона 8, воспламеняется возвратным течением продуктов сгорания из резонаторной трубы 18.

При обтекании козырька первого эшелона 8 газ проходит сквозь прямоугольные прорези 9, формируя плоские струи, которые далее реагируют с воздухом, поступившим сквозь профилированные отверстия 11 перфорированной ниши 10. Эта горящая смесь далее натекает на козырек второго эшелона 12, где опять происходит закрутка новой вихревой (отрывной) зоны. Эти две отрывные зоны обозначены как позиция 13. Следующий элемент на пути горящего потока - передний виток топливного змеевика 15, за ним образуется новая вихревая (отрывная) зона турбулизирующая течение. Передний виток 15 топливного змеевика 14 должен занимать оптимальное положение в турбулентном следе за козырьком второго эшелона 12. Второй виток 16 топливного змеевика 14 и последующие в целях снижения гидравлического сопротивления могут быть выполнены большего диаметра. Задние витки 17 топливного змеевика 14 выполняются косыми с (с косой навивкой), с целью турбулизации течения далее по потоку. Дальнейшая турбулизация течения происходит в верхней входной части 18 резонаторной трубы на установленных полукольцевых косых ребрах 19.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фигуре. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов. Форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель содержит, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первого и второго смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопла подачи топлива, змеевик нагрева топлива, резонаторную трубу с частичным диффузорным раскрытием. Задняя стенка камеры сгорания выполнена с первым козырьком с прямоугольными прорезями для образования за ними плоских струйных течений. Внутри камеры сгорания за первым козырьком выполнена перфорированная ниша с выступающим внутрь течения вторым козырьком. Змеевик нагрева топлива имеет неравномерную по диаметру и косую по оси навивку. Резонаторная труба с частичным диффузорным раскрытием во входной цилиндрической части с нижней стороны содержит кольцевые наклонные полуребра турбулизаторов. Изобретение позволяет обеспечить повышение термодинамического коэффициента полезного действия путем увеличения амплитуды пульсаций давления, происходящей при ускорении процесса горения, достигаемого интенсификацией массопереноса в камере сгорания. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ДЭПуВРД), содержащий, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первого и второго смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопла подачи топлива, змеевик нагрева топлива, резонаторную трубу с частичным диффузорным раскрытием, отличающийся тем, что задняя стенка камеры сгорания выполнена с первым козырьком с прямоугольными прорезями для образования за ними плоских струйных течений, внутри камеры сгорания за первым козырьком выполнена перфорированная ниша с выступающим внутрь течения вторым козырьком, а змеевик нагрева топлива имеет неравномерную по диаметру и косую по оси навивку.

2. Двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ДЭПуВРД) по п. 1, отличающийся тем, что резонаторная труба с частичным диффузорным раскрытием во входной цилиндрической части с нижней стороны содержит кольцевые наклонные полуребра турбулизаторов.

.