Прямоточный воздушно-реактивный двигатель Российский патент 2020 года по МПК F02K7/10 

Изобретение относится к прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ПВРД), в которых рабочее тело используется для создания воздушно-реактивной струи, отличающимся сжатием за счет скоростного напора, в частности, к сверхзвуковым (СПВРД) и может быть использовано в космической и оборонной отрасли.

Реализация гиперзвуковой скорости полета в плотных слоях атмосферы на углеводородном топливе [УВТ] требует решения по устойчивости горения УВТ в СПВРД. Эффективность процесса горения УВТ в СПВРД определяется тем, насколько рационально организована стабилизация сжигания топливовоздушной смеси.

Известен гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД), содержащий топливную форсунку, размещенную в носовой части двигателя перед воздухозаборником и расположенные за ним камеру сгорания и сопло [Патент РФ №2481484, опубл. 10.05.2013]. Для организации воспламенения и горения топливовоздушной смеси двигатель содержит лазерный излучатель, настроенный на определенную частоту излучения. Недостатком двигателя является наличие достаточно сложных устройств организации цепного механизма реакции, связанного с возбуждением энергетических квантовых уровней атомов среды, предшествующим воспламенению на молекулярном уровне. Функции указанных устройств сводятся в конечном итоге к воспламенению топливовоздушной смеси и повышению полноты сгорания топлива. Лазерный излучатель требует тонкой настройки, которую крайне трудно поддерживать в условиях эксплуатации двигателя. Все это существенно снижает надежность работы двигателя, что недопустимо при использовании, например, на военных объектах.

Известен экспериментальный ГПВРД [Патент РФ №2238420, опубл. 20.10.2004]. Двигатель содержит воздухозаборник, изолятор, камеру сгорания, сопло, топливную систему с воспламенителем, инжекторами и топливными каналами. Топливная система содержит центральный топливный пилон и боковые топливные пилоны, расположенные эшелонированно под определенным углом к продольной оси двигателя.

Недостатком этого двигателя является наличие избыточного количества тормозящих поток элементов - стоек пилонов, которые усложняют конструкцию. Стойки пилонов создают сопротивление набегающему потоку, что влечет потери полного давления, неравномерную турбулизацию потока и неравномерность воспламенения по объему камеры сгорания, а следовательно, уменьшает полноту сгорания топлива.

Наиболее близким аналогом (НБА) является прямоточный воздушно-реактивный двигатель [Патент СССР №1697486, опубл. 20.08.2004.], содержащий корпус с камерой сверхзвукового горения, центральным телом, укрепленным на опорах в тракте двигателя, газогенератором, установленным в центральном теле со стороны камеры сгорания и источник подвода горючего, центральное тело выполнено с продольными каналами, снабжено на входе кольцевой обечайкой с отверстиями и коаксиально установленными по центральной оси симметрии двумя трубками, внутренняя из которых на выходе подключена к источнику подвода горючего и снабжена форсункой на входе, а наружная выполнена с боковыми отверстиями, образует с обечайкой кольцевую полость, сообщенную посредством отверстий и продольных каналов соответственно с трактом двигателя и с газогенератором.

Известное устройство (НБА) имеет следующие недостатки. Наличие газогенератора установленного в центральном теле приводит к усложнению конструкции и возникновению проблем в управлении процессом горения из-за нелинейной связи между процессом горения в камере сгорания, скоростью газовой генерации и скоростью набегающего потока воздуха.

Центральное тело, укрепленное на опорах в тракте двигателя НБА, вызывает проблемы в организации зон равномерного горения, связанные с аэродинамическим воздействием опор центрального тела на поток воздуха через тракт двигателя НБА.

В НБА имеется проблема стабилизации сверхзвукового горения ввиду отсутствия специальных конструктивных решений для стабилизации.

В НБА невозможно управление зоной горения путем изменения точки ввода струи газа, важность влияния места вдува топлива показана в эксперименте [Donohue J.M. Dual-Mode Scramjet Flameholding Operability Measurements // AIAA Pap.2013. P. 26.], который был проведен на экспериментальном ГПВРД стенде.

Настоящее изобретение содержит средства подвода и впрыска для сжигания попутных струй газа в сверхзвуковом потоке воздуха ПВРД в сформированные профилированной поверхностью полых разделительных перегородок продольные щелевые каналы с возможностью генерации в них барьерного разряда электричества, специальный аэродинамический выступ торца разделительной перегородки для стабилизации горения диффузионно-кинетического факела вихрями.

Более обобщено, настоящее изобретение позволяет повысить стабильность и качество процесса горения в ПВРД в широком интервале скоростей летательного аппарата при небольшом аэродинамическом сопротивлении устройства.

Автор настоящего изобретения обнаружил, что для улучшении качества горения в ПВРД газообразное топливо можно сжигать впрыскивая попутными струями в поток воздуха продольных щелевых каналов, сформированных профилированной поверхностью полых разделительных перегородок таким образом, что образовавшиеся струи топливо-воздушной смеси будут прижаты основным сверхзвуковым воздушным потоком к продольным щелевым каналам за счет того, что дно продольных щелевых каналов образует в поперечном сечении более обтекаемую фигуру чем основной профиль обтекаемого тела перегородки для уменьшения донного давления, стабилизировав горение предварительной инициацией горения в барьерном электрическом разряде между стенками щелей, и далее топливо-воздушная смесь сгорает в стабилизированном вихрями диффузионно-кинетических зонах горения, образующемся с двух сторон от центрального аэродинамического выступа, сформированного на торце разделительной перегородки.

В частности, настоящее изобретение заключается в следующем.

1. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий прямоугольный корпус с воздухозаборником, камерой сверхзвукового горения и соплом, с расположенными в нем горизонтальными или вертикальными разделительными перегородками, образующими щелевые воздушные каналы, разделительные перегородки выполнены полыми в виде обтекаемого тела в поперечном сечении, отличающийся тем, что, с целью повышения полноты сгорания и улучшения стабилизации процесса горения путем интенсификации смесеобразования и предкамерного подогрева части потока воздуха, обтекаемое тело перегородки выполнено в его хвостовой части с продольными щелями, дно которых образует в поперечном сечении более обтекаемую фигуру чем основной профиль обтекаемого тела перегородки для уменьшения донного давления, обтекаемое тело перегородки снабжено газовыпускными отверстиями, расположенными в дне продольных щелей, в продольных щелях обтекаемого тела перегородки формируется барьерный разряд электричества с целью предварительной инициации горения, причем на середине хвостового торца обтекаемого тела перегородки сформирован аэродинамический выступ для формирования вихрей по обе стороны от выступа для стабилизации горения газо-воздушной смеси.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что с целью улучшения управляемости зоной горения в камере сгорания двигателя газ выходит через различные газовыпускные отверстия расположенные в дне продольных щелей обтекаемого тела перегородки в зависимости от скорости воздушного потока через тракт двигателя.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что форма поперечного сечения корпуса прямоточного воздушно-реактивного двигателя может быть многоугольной, круглой или криволинейной.

Техническим результатом устройства является повышение полноты сгорания газа, повышение надежности работы оборудования и соответственно улучшение технико-экономических показателей эффективности сжигания топлива в потоке воздуха ПВРД, сформированного в щелевых воздушных каналах.

Возможность осуществления устройства, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, а также возможность реализации изобретения может быть подтверждена описанием варианта конструкции устройства, выполненного в соответствии с изобретением, сущность которого поясняется графическими материалами.

На Фиг. 1 показан вид прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

Обозначение позиций на чертеже:

1 - корпус ПВРД;

2 - воздухозаборник;

3 - полая разделительная перегородка выполненная в виде обтекаемого тела;

4 - линия дна продольных щелей в полой разделительной перегородке;

5 - торец разделительной перегородки;

6 - аэродинамический выступ для формирования вихрей;

7 - сопло.

При использовании устройства стабилизированная предварительной инициацией горения барьерным электрическим разрядом в продольных щелях в полой разделительной перегородке и вихрями вокруг аэродинамического выступа на торце диффузионно-кинетическая зона горения газа обеспечивает широкий диапазон автоматического управления процессом горения в ПВРД.

Изобретение относится к прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ПВРД), в которых рабочее тело используется для создания воздушно-реактивной струи, отличающимся сжатием за счет скоростного напора, в частности к сверхзвуковым, и может быть использовано в космической и оборонной отрасли. Техническим результатом устройства является повышение полноты сгорания газа, повышение надежности работы оборудования и соответственно улучшение технико-экономических показателей эффективности сжигания газообразного топлива в потоке воздуха ПВРД за счет выпуска газа в специальные продольные щели в полых разделительных перегородках, имеющих профиль обтекаемого тела, стабилизации горения предварительной инициацией горения барьерным электрическим разрядом в специальных продольных щелях в полой разделительной перегородке, дно которых образует в поперечном сечении более обтекаемую фигуру, чем основной профиль обтекаемого тела перегородки и вихрями вокруг аэродинамического выступа на торце разделительной перегородки, и имеющие регулировку точек ввода газа в поток воздуха в специальных продольных щелях в полой разделительной перегородке в зависимости от скорости воздуха, что обеспечивает широкий диапазон автоматического управления процессом горения в ПВРД. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий прямоугольный корпус с воздухозаборником, камерой сверхзвукового горения и соплом, с расположенными в нем горизонтальными или вертикальными разделительными перегородками, образующими щелевые воздушные каналы, разделительные перегородки выполнены полыми в виде обтекаемого тела в поперечном сечении, отличающийся тем, что, с целью повышения полноты сгорания и улучшения стабилизации процесса горения путем интенсификации смесеобразования и предкамерного подогрева части потока воздуха, обтекаемое тело перегородки выполнено в его хвостовой части с продольными щелями, дно которых образует в поперечном сечении более обтекаемую фигуру, чем основной профиль обтекаемого тела перегородки для уменьшения донного давления, обтекаемое тело перегородки снабжено газовыпускными отверстиями, расположенными в дне продольных щелей, в продольных щелях обтекаемого тела перегородки формируется барьерный разряд электричества с целью предварительной инициации горения, причем на середине хвостового торца обтекаемого тела перегородки сформирован аэродинамический выступ для формирования вихрей по обе стороны от выступа для стабилизации горения газовоздушной смеси.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что с целью улучшения управляемости зоной горения в камере сгорания двигателя газ выходит через различные газовыпускные отверстия, расположенные в дне продольных щелей обтекаемого тела перегородки в зависимости от скорости воздушного потока через тракт двигателя.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что форма поперечного сечения корпуса прямоточного воздушно-реактивного двигателя может быть многоугольной, круглой или криволинейной.