Двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель Российский патент 2021 года по МПК F02K7/06 

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в качестве двигателя 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). Он представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания. В общем случае входное и выходное устройства ПуВРД могут иметь форму, отличную от прототипа, поэтому в дальнейшем будем называть их принятыми терминами - воздухозаборник и сопло.

Клапанная решетка представляет собой конструкцию 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 двигатель 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 двигателя.

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

Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность и высокое гидравлическое сопротивление продуктам сгорания, пытающимся прорваться навстречу набегающему потоку при взрыве в камере сгорания.

Их недостаток - высокое гидравлическое сопротивление при продувке камеры сгорания, что ведет к не высокому цикловому объемному наполнению и, как следствие, к низкой удельной и лобовой тяге. Но главное - они дают падение тяги при больших скоростях полета из-за механического отгиба динамическим напором воздуха лепестков клапана, что приводит к переходу в режим работы прямоточного ВРД.

Так же известны конструкции ПуВРД использующие аэродинамические клапаны, "Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели", под ред. К.В. Мигалина, - Тоьльятти: Изд-во ТГУ, 2014 г, с 81. 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 таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия) вызванный и значительными потерями топлива выбрасываемого из впускной системы.

В патенте на изобретение RU 2714463 СПК F02К 7/067 (2019.08), опубликованном 17.02.2020, БИ №5, представлено устройство форсированного двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ДЭПуВРД), содержащего, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первого и второго смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива. На входе во второй смеситель рассматриваемого ДЭПуВРД установлена кольцевая обечайка длиной 0,3-0,5 калибра второго смесителя, а резонаторная труба выполнена с перфорацией профилированными отверстиями в зоне примыкания к камере сгорания и частичным диффузорным раскрытием, расположенным в аэродинамической тени за камерой сгорания, при этом внутри входного участка первого смесителя установлен треугольный канал длиной от 0,1 до 0,5 длины первого смесителя. Оба воздушных клапана аэродинамические.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) рассмотрено устройство форсированного двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя защищенного патентом на изобретение RU 2717479, СПК F02К 7/067 (2020.01), опубликованным 23.03.2020, БИ №9. 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 сопло подачи топлива, змеевик нагрева топлива и резонаторную трубу с частичным диффузорным раскрытием. Отличительной особенностью этого ДЭПуВРД является то, что задняя стенка камеры сгорания выполнена с первым козырьком эшелона 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.

В ближайшем аналоге, путем его конструктивной доработке, имеются возможности повышения термодинамического КПД (коэффициента полезного действия) и, соответственно, снижения удельного расхода топлива.

Технический результат, достигаемый в результате реализации предполагаемого изобретения, заключается в повышении термодинамического КПД за счет увеличения обратного гидравлического сопротивления впускной системы.

Техническая задача решается путем повышения удельной и лобовой тяги ДЭПуВРД с соответствующем снижении расхода топлива на режиме продувки за счет предотвращения выброса топливовоздушной смеси в атмосферу при взрыве в камере сгорания.

Указанный технический результат, при осуществлении изобретения, достигается тем, что в известном ДЭПуВРД, содержащем камеру сгорания, резонаторную трубу, первую впускную трубу - смеситель в которой установлен аэродинамический клапан, вторую впускную трубу - смеситель, сопло подачи газа, змеевик нагрева газа и запальную свечу, первая впускная труба - смеситель размещена внутри трубы объединенного воздуховода, герметично закрепленную на входе во вторую впускную трубу-смеситель, которая, в свою очередь, закреплена на передней торцевой стенке камеры сгорания, при этом, внутри объединенного воздуховода, на входе во вторую впускную трубу - смеситель, установлен лепестковый механический клапан.

При таком конструктивном исполнении достигается повышение удельной и лобовой тяги и снижение удельного расхода топлива ДЭПуВРД на цикле продувки, за счет увеличения обратного гидравлического сопротивления впускной системы в области образования щели между впускными трубами - смесителями при установке механического лепесткового клапана. Снижение потерь топлива при выбросе из впускной системы приводит к росту термодинамического КПД и, соответственно, к снижению удельного расхода топлива.

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 прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 показан заявляемый двухконтурный эжекторный ПуВРД.

На фиг. 2 показано закрытое состояние лепесткового механического клапана в момент взрыва в камере сгорания.

На фиг. 3 показано открытое состояние лепесткового механического клапана в момент продувки.

Позициями на чертеже показаны:

1 - сопло подачи газа,

2 - первая впускная труба-смеситель,

3 - аэродинамический клапан первой впускной трубы-смесителя,

4 - труба объединенного воздуховода,

5 - лепестковый механический клапан объединенного воздуховода,

6 - вторая впускная труба-смеситель,

7 - камера сгорания,

8 - задняя торцевая стенка камеры сгорания,

9 - резонаторная труба,

10 - запальная свеча,

11 - диффузорный раструб резонаторной трубы,

12 - змеевик нагрева топлива,

13 - аэродинамический клапан,

14 - трубка подачи топлива в аэродинамический клапан,

15 - топливный коллектор,

16 - щель, образованная при открытии лепесткового механического клапана 5.

Двухконтурный эжекторный ПуВРД, представленный на чертежах содержит сопло 1 подачи газа с соосно закрепленными первой впускной трубой-смесителем 2, с аэродинамическим клапаном 3, закрепленными внутри трубы объединенного воздуховода 4, которая в свою очередь жестко закреплена к примыкающему торцу второй впускной трубы-смесителю 6 на входе в которую, внутри объединенного воздуховода 4 установлен лепестковый механический клапан 5. Вторая впускная труба-смеситель 6 крепится к камере сгорания 7 с задней торцевой стенкой 8. К задней торцевой стенке 8 камеры сгорания 7 закреплена резонаторная труба 9 с запальной свечой 10. Резонаторная труба 9 выполняется с диффузорным раструбом 11. Внутри резонаторной трубы 9 установлен змеевик нагрева топлива 12 через топливный коллектор 15 соединенный с соплом подачи газа 1. К топливному коллектору 15 подсоединена трубка подачи топлива 14 через которую осуществляется подача топлива в аэродинамический клапан 13 закрепленный на передней стенке камеры сгорания 7.

Работа заявляемого двухконтурного эжекторного ПуВРД осуществляется следующим образом. На такте продувки двухконтурного эжекторного ПуВРД, когда в камере сгорания 7 создалось разряжение, подаваемый газ через сопло подачи газа 1 эжектирует воздух в первый контур воздухозабора - в первую впускную трубу-смеситель 2 и вторую впускную трубу-смеситель 6. В этот момент разряжение в камере сгорания 7 открывает лепестковый механический клапан 5, фиг. 3, и воздух из объединенного воздуховода 4 через щель 16 между впускными трубами-смесителями 2 и 6 поступает в камеру сгорания 7. Далее струйное течение воздушно-газовой смеси, доходя до задней торцевой стенки 8 камеры сгорания 7, соударяется с ней, где и происходит инициализация горения. Продукты горения далее движутся из камеры сгорания 7 в резонаторную трубу 9. Инициированный взрыв топливовоздушной смеси приводит к резкому росту давления в камере сгорания 7 и последующему выбросу продуктов сгорания в направлении резонаторной трубы 9 и впускных труб-смесителей 2 и 6. При этом рост давления приводит к закрытию лепесткового механического клапана 5, см. фиг. 2. Это предотвращает выброс из щели 16 между трубами-смесителями 2 и 6 газа содержащего большое содержание топливных паров.

Описанный процесс соответствует фазам продувки и воспламенения с последующим горением. Далее вновь наступает фаза продувки и цикл повторяется. Цикличность же работы традиционно реализуется настройкой на резонанс, за счет изменения длины впускной трубы-смесителя 2, длины резонаторной трубы 9 и геометрии камеры сгорания 7 с второй впускной трубой-смесителем 6.

Реализация данного конструктивного решения позволит на 25-30% сократить расход топлива и тем самым поднять удельные показатели двухконтурного эжекторного ПуВРД

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 качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как зенитные, авиационные и тактические ракеты, беспилотные разведчики, летающие мишени и т.п. Двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ДЭПуВРД) содержит камеру сгорания, резонаторную трубу, первую впускную трубу-смеситель, в которой установлен аэродинамический клапан, вторую впускную трубу-смеситель, сопло подачи газа, змеевик нагрева газа и запальную свечу. Первая впускная труба-смеситель размещена внутри трубы объединенного воздуховода, герметично закрепленной на примыкающем с торца второй впускной трубе-смесителе, которая, в свою очередь, закреплена на передней торцевой стенке камеры сгорания, при этом внутри объединенного воздуховода, на входе во вторую впускную трубу-смеситель, установлен лепестковый механический клапан. В заявленном ДЭПуВРД достигается повышение термодинамического коэффициента полезного действия путем сокращения непроизводительных затрат топлива. 3 ил.

Двухконтурный эжекторный ПуВРД, содержащий камеру сгорания, резонаторную трубу, первую впускную трубу-смеситель, в которой установлен аэродинамический клапан, вторую впускную трубу-смеситель, сопло подачи газа, змеевик нагрева газа и запальную свечу, отличающийся тем, что первая впускная труба-смеситель размещена внутри трубы объединенного воздуховода, герметично закрепленного на примыкающем к ней торце второй впускной трубы-смесителя, которая, в свою очередь, закреплена на передней торцевой стенке камеры сгорания, при этом внутри объединенного воздуховода, на входе во вторую впускную трубу-смеситель, установлен лепестковый механический клапан.