ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2021 года по МПК F02K7/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение в первую очередь относится к области реактивных двигательных установок, а более конкретно - к реактивным двигателям пульсирующего детонационного типа, имеющим камеру сгорания с асферическим элементом.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известна импульсно-детонационная система по патенту [US 6983586 B2, F02K 3/10, 7/05, 7/075, F23C 11/04, U.S. Cl. 60/39.77, 60/226.1. 60/247, 60/249, 60/762, 08.12.2003], использующая различные геометрии резонатора. Двухступенчатая импульсная система детонации включает в себя камеру предварительного сгорания и резонатор различных геометрических форм, включая параболоид, подключенный через сходящееся-расходящееся сопло к камере сгорания для создания в резонаторе условий высокой температуры и высокого давления с целью создания оптимальных условий для инициирования детонации. Смесь топлива и газа сжигается в камере предварительного сгорания и проходит через сопло в резонатор, где сгоревшая смесь детонирует. Детонация распространяется через выходное сопло резонатора, создавая тягу.

Недостатками данного устройства является двухступенчатость, при которой в ходе предварительного сгорания рассеивается внутренняя энергия рабочего тела, что уменьшает КПД, а наличие дополнительной камеры предварительного сгорания увеличивает вес системы и уменьшает ее удельную мощность.

Наиболее близким по конструкции тягового модуля является пульсирующий двигатель детонационного горения по патенту [RU 2282044, С1, F02K7/04, 20.08.2006], который содержит корпус и размещенные в нем камеру сгорания с входом, кольцевой канал с входом и выходом, преобразователь внутренней энергии рабочего тела в механическую работу силы тяги в виде газодинамического резонатора, сопло двигателя, механизм инициирования детонации и кольцевое сопло для подачи топливной смеси. Камера сгорания выполнена в виде полусферического газодинамического резонатора и сопла двигателя. Механизм инициирования детонации выполнен в виде трубки, заглушенной с одной стороны, свободный выход которой соединен с центром газодинамического резонатора, при этом отношение скорости продуктов детонации к скорости подачи топливной смеси должно быть больше или равно отношению двух длин механизма инициирования детонации к радиусу резонатора.

Недостатком данного устройства является необходимость для его эффективной работы детонации выполнения конструктивно определенного соотношения скорости подачи топливной смеси и скорости истечения продуктов детонации, что требует специальной подготовки топлива и существенно усложняет конструкцию тягового модуля, что уменьшает его надежность и удельную мощность.

Другим недостатком конструкции устройства является применение сферической формы резонатора камеры сгорания, что не является оптимальной формой для кумуляции детонационной волны и, как следствие, эффективности детонационного горения, уменьшая тем самым удельную мощность.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРЕДМЕТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая цель изобретений - повышение производительности пульсирующего детонационного реактивного двигателя, которая характеризуется высокими КПД, удельной мощностью и надежностью и безопасностью, что особенно важно при использовании реактивного двигателя в качестве реактивного привода ротора летательного аппарата.

Технические результаты изобретения:

- упрощение конструкции и рабочего цикла для повышения его надежности;

- минимизации веса реактивного двигателя, что особенно актуально в условиях значительных (более 300g) центробежных сил;

- повышение КПД и тяги пульсирующего детонационного реактивного двигателя, что в сочетании с малым весом увеличивает удельную мощность двигателя.

В соответствии с настоящим изобретением высокоэффективный реактивный двигатель с пульсирующей детонацией выполнен со специальной камерой сгорания, которая поддерживает газодинамический детонационный резонанс. Кроме того, эти специальные камеры сгорания в уникальной комбинации со специальной системой подачи топлива и окислителя, работающей как одноступенчатый процесс, который в случае использования газообразного топлива обеспечивает параметры производительности и надежности, не встречающиеся ни в каких устройствах на современном уровне техники. Окислитель и топливо доставляются в камеру сгорания по системам транспортировки, имеющим уникальные физические структуры, которые создают выгодные условия. Например, скорость потока, температура, давление, смешивание, геометрические преимущества, частота импульсов, простота конструкции среди прочего являются результатом конкретных компоновок системы подачи окислителя и системы подачи топлива, которые работают совместно. Более того, они, в частности, взаимодействуют с самой камерой сгорания и не требуют для этого специального топлива или специальной стадии подготовки топлива в реакторе или в камере предварительного сгорания.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к реактивным двигателям, в частности к пульсирующим детонационным реактивным двигателям. Двигатель имеет камеру сгорания, выполненную в виде детонационного резонатора с выходом в выхлопное сопло. Резонатор представляет собой асферический рефлектор, симметричный относительно оси системы двигателя. В двигателе используются газообразное топливо и газообразный окислитель, а также одноступенчатый процесс сгорания без предварительного сжигания или любых других энергозатрат для увеличения детонационной способности топлива. В одной из упомянутых версий комбинация газообразного топлива и окислителя представляет собой пропан и воздух. В версиях, где в качестве конструктивного решения используется углеводородное топливо, такое как пропан, топливный тракт имеет полость для пиролиза. Сопло подачи топлива направляет поток топлива над нагретой внешней поверхностью рефлектора камеры сгорания, что вызывает пиролиз топлива. Смесь топлива и окислителя подается в камеру сгорания через кольцевую систему сверхзвукового впрыска, которая позволяет получить очень однородную по плотности смесь топлива и окислителя. Это условие особенно важно для надежности процесса детонации в системах с двигателем в условиях действия высоких (более 300 g) центробежных сил, которые в противном случае имеют тенденцию вызывать разделение смеси. Для инициирования детонации эти двигатели имеют инициатор детонации в виде трубки, заглушенной на дальнем конце и открытой на конце, вставленном в камеру сгорания и расположенном вдоль оси двигателя. Такой способ инициирования детонации является надежным, поскольку не требует использования какой-либо механической движущейся конструкции в виде клапана или заслонки. Таким образом, эффективность повышается, поскольку система не потребляет дополнительную энергию для свечей зажигания, лазеров и прочего. Продукты детонации, испускаемые через выхлопное сопло, создают тягу, толкающую двигатель в противоположном направлении. Одной предпочтительной формой рефлектора является параболическая, способствующая ускорению продуктов детонации, истекающих через выхлопное сопло, и обеспечивающая присущую частоту пульсирующей детонации системы и в результате тягу двигателя. Эти конструкции двигателей, все формы и размеры которых согласованы на основе законов газовой динамики, позволяют поддерживать циклическую резонансную детонацию на частоте около 10 кГц. Такая конструкция пульсирующего детонационного реактивного двигателя проста, надежна и позволяет достичь высокой эффективности генерирования тяговой движущей силы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 представлена схема пульсирующего детонационного реактивного двигателя.

На Фиг. 2 показаны смесительная камера и смесительное сопло.

На Фиг. 3 показана полость пиролиза тракта газообразного топлива со спиральным потоком топлива.

На Фиг. 4 показана полость пиролиза с поперечными сечениями А-А трубки инициатора детонации и В-В сопла подачи топлива.

Цифры обозначают: 1 - вход в систему транспортировки газообразного окислителя, 2 - вход в систему транспортировки газообразного топлива, 3 - крепление реактивного двигателя, 4 - камера сгорания, 5 - сопло подачи топлива, 6 - открытый конечный участок системы транспортировки газообразного окислителя в виде кольцевой щели, 7 - открытый конечный участок системы транспортировки газообразного топлива в виде кольцевой щели, 8 - инициатор детонации в виде трубки, 9 - металлический рефлектор, 10 - выхлопное сопло, 11 - полость между соответствующими по форме друг другу телами вращения - рефлектором и кожухом полости пиролиза, 12 - камера смешения, 13 - смесительное сопло, 14 - апекс рефлектора, 15 - апекс кожуха полости пиролиза, 16 - спиральный поток газообразного топлива, 17 - инициатор детонации в виде свечи зажигания, 18 - зона детонации, 19 - поток газообразного окислителя, 20 - поток газообразного топлива, 21 - струя продуктов детонации, 22 - корпус реактивного двигателя, 23 - кожух полости пиролиза, 24 - ось системы, 25 - сверхзвуковой поток газообразной топливно-воздушная смеси.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пульсирующий детонационный реактивный двигатель

Реактивный двигатель - это тип реактивного двигателя, испускающий быстро движущийся поток, который создает тягу за счет реактивного движения. Представленное изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания, в котором указанная струя является продуктами сгорания смеси топлива и окислителя. Точнее, изобретение относится к реактивному двигателю с пульсирующей детонацией, в котором горение характеризуется как процесс пульсирующей детонации. Начало процесса детонации определяется притоком детонационно способной смеси топлива и окислителя, приведенной в состояние возбуждения детонации. Для возбуждения детонации в двигателе предусмотрен специальный комплекс конструкций, являющихся резонатором. Для инициирования пульсирующей детонации в двигателе используется инициатор детонации. Инициатор детонации участвует в регулировании цикла детонации.

Реактивный двигатель с пульсирующей детонацией согласно изобретению имеет корпус со следующими основными элементами:

- Камера сгорания

- Система транспортировки топлива

- Система транспортировки окислителя

- Инициатор детонации.

Все части работают во взаимодействии друг с другом, чтобы добиться пульсирующей детонации.

Камера сгорания

Камера сгорания в основном состоит из рефлектора и выхлопного сопла, каждое из которых симметрично расположено относительно оси системы, чтобы образовать частично замкнутое пространство между ними, в котором может осуществляться горение.

Камера сгорания приспособлена для приема топлива и окислителя или их смеси из одной или множества кольцевых системы впрыска, расположенных концентрично рефлектору и выхлопному соплу и расположенных между ними. Наконец, выхлопное отверстие сопла обеспечивает испускание реактивной струи продуктов детонации строго направленного характера, создающей тягу реактивного двигателя.

Рефлектор этих устройств представляет собой в высшей степени уникальное устройство, предназначенное для отражения распространяющейся во все стороны ударной волны детонации в направленный поток вдоль оси системы. Рефлектор является уникальным отчасти потому, что выполнен в виде асферического элемента. Асферическая форма рефлектора дает системе преимущество в производительности, поскольку она заставляет ударную волну и продукты детонации отражаться в виде потока предпочтительного вида, за счет кумулятивного эффекта ускоряющегося до сверхзвуковых скоростей. В результате длительность импульса короче, частота импульсов детонации выше, а результирующая сила тяги выше для заданных размеров и конструкции двигателя. Таким образом, сочетание формы рефлектора с частью конструкции для транспортировки топлива имеет решающее значение для достижения общих целей двигателя и впервые раскрыто в этом описании. Поэтому асферический рефлектор является важным элементом камеры сгорания этих пульсирующих детонационных реактивных двигателей.

Вторым первичным элементом камеры сгорания является выхлопное сопло, которое действует обычным для большинства систем реактивных двигателей образом, за исключением того, что его форма и размер могут быть подобраны в зависимости от особой газодинамической физики этих двигателей, поскольку оно обеспечивает возникновение волны разряжения, которая возвращается к отражателю и позволяет новой порции топлива и окислителя впрыскиваться в камеру сгорания и участвует в ее нагреве, что в результате может повлиять на общую работу резонанса.

Система транспортировки топлива

Система транспортировки топлива играет важную роль в улучшении характеристик потока и состава топлива перед подачей его в камеру сгорания. Такие улучшения, как химическая структура, температура, скорость, однородность и направление потока для улучшения дальнейшего перемешивания с окислителем, вносят свой вклад в общую производительность двигателя.

В системах транспортировки топлива в данном изобретении используется газообразное топливо. Газообразное топливо, хранящееся в резервуаре, транспортируется из этого резервуара в камеру сгорания посредством системы транспортировки топлива или топливного тракта. В двигатель подается топливо с уровнем давления, установленным для работы двигателя, причем давление выше атмосферного. Это давление может быть обеспечено различными средствами, такими как использование компрессора или использование топливного резервуара с начальным давлением, или путем воздействия на двигатель центробежной силы путем размещения двигателя на конце ротора. В случае использования сжиженного углеводородного топлива топливо предварительно испаряется в газообразную фазу.

Газообразное топливо может быть любым из различных типов топлива, включая углеводородное топливо из группы, включающей: пропан, метан и бутан и любую их смесь, а также водород или диметиловый эфир или любую их смесь. Выбор топлива определяется тем, что его смесь с окислителем является достаточно детонационно способной и поддерживает пульсирующую детонацию в конкретной конструкции реактивного двигателя.

В реактивных двигателях настоящих систем топливный тракт представляет собой замкнутый объем, имеющий несколько важных конструкций. Уникальная физическая природа этих структур определяет возникновение детонации, характеристики потока топлива и, наконец, рабочие характеристики двигателя. Топливный тракт согласно изобретению включает полость особой формы, сопло подачи топлива и открытое конечный участок. Именно эта уникальная комбинация сочетает в себе эффективность и, как следствие простоты, надежность двигателя. В других решениях, которые описаны в современном уровне техники, используются системы для повышения детонационной способности, которые включают энергопотребляющие и ненадежные системы. Например, двухступенчатый процесс сгорания, при котором некоторая часть топлива смешивается с окислителем и при сгорании нагревается оставшееся топливо в специальной камере для увеличения детонационной способности топлива. Другим примером в данной области техники является использование механической крыльчатки, которая создает кавитацию за счет вращения лопаток. Другой применяемый ранее пример включает использование топлива с легко ионизируемыми присадками, которые под действием магнитного поля увеличивают детонационные характеристики топлива. Все эти решения сильно контрастируют со структурами настоящего изобретения, поскольку каждое из них требует дополнительных затрат энергии и, соответственно, менее эффективно в отношении всего процесса.

Для наивысшего КПД в этих реактивных двигателях с пульсирующей детонацией предпочтительно, чтобы температура топлива было высокой и, кроме того, его впрыскивали в камеру сгорания с высокой скоростью. Это может быть достигнуто за счет использования описанных здесь специальных конструкций. Объем полости специальной формы, входящей в состав системы транспортировки топлива, уменьшается в соответствии с направлением потока. То есть в месте, где топливо входит в полость из сопла подачи топлива, полость имеет относительно большой объем, и этот объем уменьшается вдоль пути потока топлива к конечному участку топливного тракта. Этот переход в объеме способствует увеличению скорости потока топлива, поэтому оно выходит из системы транспортировки топлива с высокой кинетической энергией, чтобы способствовать более тщательному смешиванию с окислителем и преобразованию кинетической энергии для улучшения нагрева в камере сгорания. Соотношение между объемом около сопла подачи топлива и объемом около конечного участка топливного тракта соответствует уровню увеличения скорости потока топлива.

В версиях, разработанных для использования углеводородного топлива, для обеспечения максимальной эффективности и стабильности пульсирующей детонации и надежности двигателя в этих пульсирующих детонационных реактивных двигателях, было обнаружено, что предпочтителен очень высокий уровень пиролиза топлива. Пиролиз - это термическое химическое разложение топлива. Очень высокая степень пиролиза может быть достигнута за счет полости специальной формы и при дальнейшем взаимодействии с топливом, впрыскиваемым со смещенной ориентацией, чтобы способствовать спиральному потоку, описанному здесь. В частности, специальная полость имеет форму полости для пиролиза высокой степени, которая представляет собой трехмерный объем, имеющий по меньшей мере одну поверхность, предназначенную для подачи большого количества тепла в полость для пиролиза. Газообразное топливо, протекающее внутри полости, подвергается пиролизу в результате присутствия указанного тепла. Для дальнейшего повышения эффективности полости пиролиза можно управлять потоком топлива так, чтобы топливо протекало внутри камеры таким образом, чтобы увеличить продолжительность воздействию на него тепла, подаваемого нагретой поверхностью. В частности, топливо может быть впрыснуто в полость с импульсом и направлением, достаточными для того, чтобы заставить его закручиваться по спирали вокруг полости, когда оно проходит к конечному участку топливного тракта.

Возможны различные источники тепла для полости пиролиза. Для максимальной эффективности пульсирующего детонационного реактивного двигателя тепло от камеры сгорания задней поверхности рефлектора передается в полость пиролиза посредством тепло-проводимости и излучения. В дополнение к преимуществу обеспечения тепла для пиролиза топлива обеспечивается охлаждение камеры сгорания, что улучшает ее работоспособность. Таким образом, тепловой баланс системы снижает потребность в дополнительных специальных конструкциях для охлаждения двигателя. В другом варианте источником тепла могут быть другие нагретые части реактивного двигателя, такие как инициатор детонации, выхлопное сопло или внешний источник тепла, например, электрический нагреватель. В представленном изобретении могут использоваться различные решения для нагревания проходящего через полость пиролиза газообразного топлива. К предпочтительным случаям относятся те, которые не требуют дополнительных затрат энергии на нагрев, что увеличивает КПД двигателя.

Возможны различные формы полости пиролиза. Например, полость может быть образована комплексом трубок или трубкой или их частей, соединенных вместе. Трубка или трубки могут быть помещены в тепловой контакт с нагретой поверхностью, и топливо проходит внутри нагретой трубки. Трубка может иметь различную геометрию в контакте с нагретой поверхностью двигателя. В этом случае топливо нагревается внутри трубки по мере прохождения топлива от источника к камере сгорания. Поперечное сечение трубки также может поддерживать различную геометрию, например круглую или плоскую щель. Но эта конструкция имеет высокое сопротивление проходящему через нее потоку газа. В этом случае скорость подачи газообразного топлива в камеру сгорания будет ниже, чем в более предпочтительных случаях. Тем не менее эти решения рассматриваются как включенные версии изобретения.

Наилучшее сочетание теплопередачи от камеры сгорания к полости специальной формы и скорости потока газообразного топлива может быть достигнуто за счет конструкции полости, описанной ниже. Полость пиролиза особой формы имеет структуру, состоящую из тел вращения взаимодополняющей формы, причем первое тело вращения является упомянутым выше асферическим осесимметричным металлическим рефлектором камеры сгорания, а второе тело вращения имеет такую же ось вращения, и они вместе образуют замкнутый объем, который уменьшается от апекса к открытому конечному участку полости, где расстояние между упомянутыми телами на оси системы намного больше, чем на кольцевом конечном участке. Эта форма полости предпочтительна для смешивания газообразного топлива и продуктов пиролиза в однородную смесь с высоким потенциалом детонации. Поскольку первое тело вращения полости является рефлектором камеры сгорания, тепло от камеры сгорания передается в полость пиролиза для нагрева протекающего в ней топлива. Рефлектор камеры сгорания одновременно охлаждается. Такая конструкция позволяет сохранять тепловой баланс всего двигателя и не тратить энергию на пиролиз топлива. Толщина рефлектора должна выдерживать давление в камере сгорания во время детонации.

Для подачи топлива из резервуара, являющегося источником топлива, в полость пиролиза может быть использована обычная трубка. Трубка может оканчиваться как сопло около нагретой поверхности полости пиролиза, так что топливо впрыскивается в нее в направлении, которое является результатом ориентации трубки по отношению к геометрии тела специальной формы.

Чтобы способствовать улучшенному пиролизу, может быть установлено специальное сопло или множество подобных сопел для впрыска топлива в полость пиролиза с достаточным импульсом и направлением, чтобы заставить топливо течь по пути, который позволяет потоку проходить по нагретой поверхности с максимальной продолжительностью. Если полость пиролиза имеет форму тела вращения, одним из предпочтительных путей является спираль вокруг этого тела вращения с нагретой поверхностью. Предпочтительное направление сопла в этом случае - тангенциальное по отношению к нагретой поверхности и ортогональное по отношению к оси вращения поверхности.

Для других форм полостей с нагретой поверхностью в рабочем состоянии полезны другие конфигурации трактов потока топлива, которые обеспечивают максимальную продолжительность прохождения потока топлива по нагретой поверхности. Это может быть достигнуто посредством ребер на стенках полости или размещения набора форсунок, распределяющих потоки топлива по нагретой поверхности полости. Эти и другие возможные решения включены в данное изобретение.

Топливо проходит из резервуара-источника через трубку к соплу, где оно впрыскивается в полость специальной формы, чтобы поток топлива проходил к открытому конечному участку топливного тракта. Затем газообразное топливо покидает топливный тракт из этого конечного участка и направляется либо в камеру сгорания, либо в камеру смешения. Возможны различные формы этого конечного участка, но его расположение должно быть кольцевым вокруг камеры сгорания. Частным случаем формы может быть одно или несколько отверстий круглой или щелевидной формы. Предпочтительной формой является кольцевая щель, которая позволяет подавать газообразное топливо без препятствий для достижения максимальной скорости.

Система транспортировки окислителя

Другая важная система этих реактивных двигателей предназначена для подачи окислителя. Эта система обеспечивает транспортировку газообразного окислителя. Система транспортировки окислителя передает окислитель от источника в камеру сгорания напрямую или через камеру смешения. Газообразный окислитель подается в камеру сгорания с заданным расчетным давлением, равным или превышающим атмосферное давление. Это давление может быть обеспечено различными способами. В одном примере окислитель подвергается сжатию с помощью механического компрессора перед поступлением в систему транспортировки окислителя. Во втором примере резервуар окислителя включает камеру с избыточным давлением, которая обеспечивает подачу окислителя под давлением, превышающим давление окружающей атмосферы. В предпочтительном примере газообразный окислитель подвергается ускорению за счет центробежных сил, создаваемых двигателем, размещенным на конце вращающейся системы, такой как ротор летательного аппарата.

Окислитель может быть включен в газовые смеси с инертными газами. В определенных случаях газообразный окислитель может быть чистым газообразным или жидким кислородом или кислородом со смесью, такой как воздух. Источником воздуха может быть просто атмосферный воздух из воздухозаборника. В случае использования жидкого кислорода кислород заранее испаряется. Использование чистого кислорода в качестве окислителя дает более детонационно способную смесь топлива и окислителя, но это гораздо менее безопасно. Наиболее предпочтительным решением для окислителя является использование окружающего воздуха, поскольку воздух присутствует в атмосфере. При использовании этих систем для приведения в движение летающего аппарата атмосфера содержит достаточно кислорода до высот, удобных для нормальных планов полетов.

Подобно системе транспортировки топлива, система транспортировки окислителя пропускает поток окислителя к открытому конечному участку системы или выходному порту. Как и система транспортировки топлива, система транспортировки окислителя играет важную роль в улучшении характеристик потока топлива перед подачей его в камеру сгорания, таких как скорость потока. Для достижения максимальной эффективности в этих реактивных двигателях с пульсирующей детонацией предпочтительна высокоскоростная подача окислителя. Это может быть достигнуто за счет построения описанных здесь специальных конструкций. Объем тракта окислителя уменьшается по отношению к направлению потока. То есть в месте подачи окислителя тракт имеет относительно большой объем, и этот объем сужается по мере того, как окислитель проходит к конечному участку тракта. Это изменение объема способствует увеличению скорости потока окислителя, так что он выходит с высокой кинетической энергией, что способствует более тщательному смешиванию с газообразным топливом и преобразованию кинетической энергии в нагревание в камере сгорания.

Однако, в отличие от топливного тракта, тракт окислителя не получает выгоды от подводимого тепла для пиролиза. Таким образом, тракт окислителя этого реактивного двигателя может принимать произвольную удобную форму, которая, наконец, имеет описанный конечный участок, из которого окислитель течет с высокой скоростью. Формы этого конечного участка могут быть различными, но наиболее предпочтительные варианты имеют кольцевую форму вокруг камеры сгорания. Конкретные варианты рабочих форм могут включать в себя множество отверстий круглой или щелевой формы. Другой предпочтительный вариант представляет собой кольцевую щель, которая позволяет подавать окислитель беспрепятственно его скорости в относительно узкую кольцевую щель, через которую окислитель может проходить и входить в камеру смешивания.

Камера смешивания

В некоторых версиях, которые способствуют более полному смешиванию топлива и окислителя, камера смешивания принимает топливо и окислитель из их соответствующих систем транспортировки в объем, в котором они смешиваются вместе в динамичном хаотическом потоке газов. Газообразное топливо и газообразный окислитель могут выходить из концентрических кольцевых щелей, которые расположены достаточно близко друг к другу, так что смешивание начинается естественным образом, когда газы текут вместе. Камера смешивания может быть просто выполнена в виде небольшого кольцевого объема, который соединяет две выходные щели со специальным кольцевым соплом, которое впрыскивает смесь в камеру сгорания в радиальном направлении внутрь.

Такая структура позволяет равномерно смешивать топливо и окислитель перед подачей в камеру сгорания. Это особенно предпочтительно в случае систем, на которых влияют высокие центробежные силы, которые являются обычным явлением, когда двигатели используются на конце ротора. Любая неоднородность плотности смеси приводит к ее расслоению под действием центробежных сил, что существенно снижает эффективность детонации.

Система впрыска

Подача газообразного топлива и газообразного окислителя осуществляется через конечные участки систем подачи топлива и окислителя. В то время как некоторые версии могут быть выполнены с возможностью прямого впрыска из конечных участков транспортных систем в камеру сгорания, предпочтительная версия включает промежуточный элемент, которым является камера смешения. В случае раздельных потоков газообразного топлива и окислителя система впрыска является просто продолжением конечный участков трактов топлива и окислителя, которая непосредственно впрыскивает топливо и окислитель в камеру сгорания.

В версиях, имеющих камеру смешивания, система впрыска размещается между конечными участками систем транспортировки топлива и окислителя и камерой сгорания, и газы в камере смешивания под давлением их соответствующих систем транспортировки проходят через сопла, расположенные для впрыска смешанного детонационно способного газа радиально внутрь в направлении ось системы в камере сгорания. Это может быть выполнено в виде одного единственного сопла или множества сопел, расположенных по кольцу вокруг кольцевого пространства камеры сгорания. Формы поперечного сечения этих сопел могут быть круглыми или щелевыми. Эти сопла направляют смесь топлива и окислителя радиально со всех сторон к центральной зоне камеры сгорания. Один из вариантов может быть устроен так, чтобы поток смеси направлялся к стенке рефлектора с целью нагрева смеси от рефлектора. Но предпочтительное направление потока смеси - к центральной зоне, близкой к параболическому фокусу рефлектора. Смесь топлива и окислителя должна иметь максимально возможную скорость, чтобы иметь максимальную кинетическую энергию, которая преобразуется в тепло, когда поток сходится в центре. Предпочтительная скорость смеси топлива и окислителя - сверхзвуковая, что может быть достигнуто за счет особой геометрической формы сопел, впрыскивающих топливо и окислитель в камеру сгорания. Чтобы получить предпочтительные геометрические формы, обладающие этой характеристикой, можно использовать поперечное сечение, которое сжато посередине. Или, в частном случае, указанное поперечное сечение имеет форму сопла Лаваля. В конечном счете конструкция системы впрыска обеспечивает условия, при которых смесь топлива и окислителя имеет самый высокий потенциал детонации, который близок к возбуждению процесса детонации.

Инициаторы детонации

Хотя остается возможность, что некоторые геометрические формы двигателя могут иметь работоспособную форму, вызывающую самопроизвольную детонацию, предпочтительные версии обязательно включают устройство для инициирования детонации. В случае резонансной пульсирующей детонации стабильный процесс детонации требует высокого уровня детонационного потенциала смеси топлива и окислителя. Двигатели, которые полагаются на самопроизвольную детонацию, страдают от того, что это состояния трудно достичь и поддерживать время цикла работы двигателя в случае различного давления на входе топлива и окислителя и их различных пропорций в смеси. Таким образом, двигатели со спонтанной детонацией очень сильно зависят от условий работы и характеристик подачи топлива и окислителя. Поскольку для управления силой тяги предпочтительно иметь двигатели, имеющие широкий диапазон условий смешения топлива и окислителя, некоторые версии этого реактивного двигателя с пульсирующей детонацией дополнительно включают в себя системы, характеризующиеся как инициаторы детонации, которые помогают управлять синхронизацией цикла и другими аспектами стабильной работы системы.

Инициатор детонации связан с камерой сгорания таким образом, что позволяет ему подавать своевременный физический импульс, который попадает в газовую смесь топливо-окислитель, вызывая ее детонацию. Это особенно важно при рассмотрении любой конкретной газодинамической модели, которая требует периода цикла с заданным временем или частотой. Таким образом, инициатор детонации может обеспечивать синхронизацию в соответствии с газодинамическим резонансом, а инициатор детонации этих систем учитывает естественный резонанс двигателя и согласовывается с ним. Инициатор детонации должен подавать импульс в зону камеры сгорания, где смесь топлива и окислителя в основном готова к детонации. В случае параболической формы рефлектора камеры сгорания зона, в которую подается импульс, представляет собой параболический фокус и центр кольцевого сопла, которое поставляет детонационно способную смесь топлива и окислителя.

Инициаторов детонации может быть несколько, и их расположение и работа соответствуют процессу пульсирующей детонации. В одном из вариантов рядом с камерой сгорания находится свеча зажигания, тепловой импульс которой может запустить процесс детонации. В другом важном варианте инициатором детонации является трубка, расположенная на оси системы, закрытая на дальнем конце и открытая на конце, ближайшем к камере сгорания. Эта трубка проходит через полость описанного выше топливного тракта. Ударная волна продуктов детонации проходит по этой трубке от камеры сгорания к дальнему закрытому концу и после отражения от него возвращается в камеру сгорания, направленная к центру камеры, чтобы встретиться с обновленной смесью газообразного топлива и воздуха в центральной зоне, описанной выше, и инициировать детонацию этой смеси. Длина трубки коррелирует со временем прохождения через нее ударной волны и согласуется со временем, прошедшим с момента начала детонации предыдущего цикла, последующего выброса продуктов детонации через выхлопное сопло, образования волны низкого давления и прибытием новой порции смеси газообразного топлива и воздуха. Диаметр трубки подбирается таким образом, чтобы импульса скачка давления в ударной волне было достаточно для инициирования детонации.

Корпус

Конструкция внешнего кожуха или корпуса может обеспечивать физическое удержание составляющих элементов и их механическую поддержку. Этот внешний кожух или корпус может образовывать части описанных элементов, такие как, например, часть тракта окислителя. Внешний корпус предпочтительно выполнен из прочного, жесткого и работающего при высоких температурах (более 1400°C) металла, благодаря чему он может быть структурно интегрирован с другими компонентами, включая выхлопное сопло, асимметричный рефлектор, топливный тракт и воздушный тракт, как и другие вспомогательные детали системы.

Опорные конструкции

Наконец, эти двигатели могут дополнительно включать в себя структурные опорные элементы, такие как оговоренная система механической опоры, предназначенная для установки рефлектора на оси системы по отношению к выхлопному соплу, дающему выход из камеры сгорания. Также включена дополнительная механическая конструкция для поддержки и удержания частей системы транспортировки топлива. Все элементы должны быть из материалов, способных работать в условиях высоких температур, высоких центробежных сил, а коэффициент теплового расширения должен быть близок для разных деталей, так, чтобы размеры щелей, сопел и полостей не менялись.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Одним из предпочтительных вариантов изобретения является пульсирующий детонационный реактивный двигатель, предназначенный для использования пропана в качестве газообразного топлива и воздуха в качестве окислителя. Разработана конфигурация, в которой давление пропанового топлива на входе в систему транспортировки топлива двигателя реализуется за счет центробежной силы и составляет примерно от 3 до 10 атмосфер. Подобным образом выбирается конфигурация для создания давления воздуха за счет центробежной силы в диапазоне примерно 1-7 атмосфер, при этом давление измеряется на входе в систему транспортировки окислителя двигателя.

Предпочтительные версии включают детали двигателя, изготовленные из металла толщиной примерно от 0,3 до 3 мм, который дополнительно характеризуется как высокопрочная, жаропрочная нержавеющая сталь EI868 с рабочей температурой 1500°C.

Один предпочтительный вариант включает камеру сгорания (4) как часть детонационного резонатора, которая содержит рефлектор (9) с формой, близкой к параболической, с максимальным диаметром около 80 миллиметров на уровне сопла системы впрыска (13). Выхлопное сопло (10) имеет круглое отверстие, связанное с камерой сгорания (4) близостью расположения и ориентацией.

Система транспортировки газообразного топлива подает топливо в частично закрытую полость, которая представляет собой полость пиролиза (11). Граница полости пиролиза образована задней поверхностью рефлектора камеры сгорания (9). Коаксиальное второе тело вращения, называемое здесь кожухом (23) полости пиролиза, имеет аналогичную форму и лежит на оси системы. Расстояние между апексом рефлектора (14) и апексом упомянутого кожуха (15) предпочтительно составляет примерно от 5 до 16 миллиметров, при этом 8 мм является оптимально выбранным значением, обеспечивающим превосходные характеристики. Конечный конец системы транспортировки топлива представляет собой кольцевую щель (7) с предпочтительной шириной примерно 1 миллиметр, но рабочий диапазон составляет примерно от 0,3 до 3 миллиметров.

Система подачи воздуха подает воздух через пространство произвольной формы, которое находится внутри корпуса двигателя (22) и снаружи кожуха полости пиролиза (23). Это пространство имеет открытый конечный участок, выполненный в виде кольцевой щели (6), имеющей ширину около 1 миллиметра для лучших режимов и от около 0,3 до 3 миллиметров для полезного рабочего диапазона. Кожух (23) полости пиролиза прикреплен к корпусу двигателя (22) множеством металлических ребер, которые проходят через полость воздуховода.

Кольцевые щели воздушного тракта и полости для газового топлива (6 и 7) расположены концентрически и рядом друг с другом и обращены к объему, который является камерой смешения (12). Этот объем предпочтительно выполнен в виде кольцевого объема. Потоки газообразного топлива (20) и воздуха (19) смешиваются в этом объеме в пропорции, которая зависит от давления воздуха и газообразного топлива на входе в соответствующие тракты двигателя (1 и 2). Эта смесь очень однородна по распределению компонентов и плотности.

Камера смешения (12) перенаправляет смесь газообразного топлива и воздуха в систему впрыска, которая выполнена в виде кольцевого сопла (13), иногда предпочтительно имеющего поперечное сечение, сжатое посередине, и направленного перпендикулярно оси параболического рефлектора (24). В одном предпочтительном варианте длина этого сопла составляет около 5 миллиметров, при этом открытое отверстие, направленное в сторону камеры сгорания, имеет ширину 4,3 миллиметра. Это сопло обеспечивает нагнетание смеси в камеру сгорания со сверхзвуковой скоростью (25).

Геометрический фокус параболического рефлектора практически расположен в плоскости кольцевого сопла. Рефлектор и кольцевое сопло расположены так, как показано на Фиг.2. Стенка кольцевой камеры смешения (12) расположена напротив упомянутых щелей (6 и 7) и дополнительно служит для обеспечения структурной поддержки для удержания рефлектора (9) камеры сгорания (4) внутри корпуса двигателя (22). Выхлопное сопло (10) представляет собой цилиндр диаметром около 70 миллиметров и длиной предпочтительно около 40 миллиметров. Одна сторона цилиндра выпускного сопла прикреплена к стенке кольцевой камеры смешения, а другая представляет собой открытое отверстие снаружи корпуса двигателя.

Сопло для подачи газообразного топлива (5) в указанную полость пиролиза (11) расположено по касательной к задней поверхности рефлектора и рядом с поверхностью кожуха полости пиролиза (23) и направлено перпендикулярно оси системы (24). Проекция точки проникновения сопла для подачи газообразного топлива внутрь указанной полости пиролиза на оси системы расположена между апексами рефлектора (14) и кожуха полости пиролиза (15).

Инициатор детонации (8) предпочтительно устроен в виде трубки длиной 170 миллиметров, расположенной на оси системы. Дальний конец этой трубки расположен внутри воздушного тракта и трубка проходит через полость пиролиза и рефлектор (9) и прикрепляется к ним, например, с помощью сварки. Открытый конец трубы расположен внутри камеры сгорания (4) так, что он может принимать в ней ударные волны.

В одном варианте вес всей системы составляет около 0,9 килограмма, а толщина стали - 1 мм.

В процессе детонации температура металлического рефлектора камеры сгорания составляет 1300 градусов Цельсия. Газообразное топливо, подаваемое топливным соплом, направляется в указанную полость газового тракта и по спирали обтекает тыльную сторону металлического рефлектора.

В лучших вариантах цикл пульсирующей детонации имеет частоту в диапазоне около 10 килогерц. Максимальная сила тяги описываемого пульсирующего детонационного двигателя при максимальном давлении пропана на входе в топливный тракт двигателя 10 бар составляет 392 Н.

Таким образом, в предложенной в настоящем изобретении конструкции двигателя достигаются требуемые технический результаты, поскольку повышается производительность пульсирующего детонационного реактивного двигателя, т.к. повышается его КПД, удельная мощность и надежность.

Изобретение относится к реактивным двигателям, в частности к пульсирующим детонационным реактивным двигателям. В двигателе имеется камера сгорания, выполненная в виде детонационного резонатора с выходом в выхлопное сопло. Резонатор представляет собой асферический рефлектор, симметричный относительно оси двигателя. В двигателе используются газообразное топливо и газообразный окислитель, а также одноступенчатый процесс сгорания. В случае использования углеводородного топлива топливный тракт имеет камеру пиролиза. Пиролиз достигается за счет контакта потока топлива с нагретой задней стороной указанного рефлектора. Смесь топлива и окислителя подается в камеру сгорания через кольцевую систему сверхзвукового впрыска. Для инициирования детонации эти двигатели могут иметь инициатор детонации в виде трубки, заглушенной на дальнем конце и открытой на конце, вставленном в камеру сгорания и расположенной вдоль оси двигателя. Продукты детонации, истекающие через выхлопное сопло, создают тягу, толкающую двигатель в противоположном направлении. Такая конструкция пульсирующего детонационного реактивного двигателя проста, надежна и позволяет добиться высокой эффективности генерации тягово-движущей силы за счет поддержания циклической резонансной детонации на частоте около 10 кГц. 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель, содержащий камеру сгорания, выполненную в виде детонационного резонатора, систему транспортировки газообразного топлива, состоящую, по меньшей мере из одного подающего сопла, топливного тракта с открытым конечным участком, систему транспортировки газообразного окислителя, состоящая из тракта окислителя с открытым конечным участком, где открытый конечный участок системы транспортировки газообразного топлива и открытый конечный участок системы транспортировки газообразного окислителя расположены близко по отношению друг к другу и концентрически с осью камеры сгорания, посредством которых газообразный окислитель и газообразное топливо, выходящие из этих конечных участков, легко смешиваются в детонационно способную смесь, которая проходит радиально внутрь камеры сгорания, а также по крайней мере один инициатор детонации, связанный с камерой сгорания, посредством чего инициатор детонации подает физический импульс для инициирования детонации в камере сгорания, отличающийся тем, что детонационный резонатор состоит из асферического аксиально-симметричного металлического рефлектора и выхлопного сопла и топливный тракт системы транспортировки газового топлива содержит участок, выполненный в виде полости, объем которой уменьшается по отношению к направлению потока газообразного топлива.

2. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанная система транспортировки газообразного окислителя дополнительно содержит кислород или смесь кислорода с другими газами.

3. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.2, отличающийся тем, что указанная система транспортировки газообразного окислителя дополнительно содержит смесь кислорода с другими газами, которая дополнительно характеризуется как воздух.

4. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанный конечный участок системы транспортировки газообразного топлива образует кольцевую щель относительно оси симметрии металлического рефлектора.

5. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанный конец системы транспортировки газообразного окислителя образует кольцевую щель относительно оси симметрии металлического рефлектора.

6. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит камеру смешивания и по меньшей мере одно смесительное сопло, указанная камера смешивания представляет собой полость, открытую для открытого конечного участка системы транспортировки газообразного топлива и дополнительно открытую для открытого конечного участка системы транспортировки газообразного окислителя, посредством чего газообразное топливо и газообразный окислитель смешиваются вместе после того, как поток каждого из них выходит из их соответствующих трактов, и образуют детонационно способную смесь, а указанное смесительное сопло является соплом, предназначенным для направления указанной детонационно способной смеси в камеру сгорания по направлению к оси детонационного резонатора.

7. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п. 6, отличающийся тем, что упомянутое смесительное сопло выполнено в виде кольцевого канала, имеющий поперечное сечение, сжатое посередине.

8. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.7, отличающийся тем, что указанное поперечное сечение, сжатое посередине, кроме того выполнено в виде сопла де Лаваля.

9. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.6, отличающийся тем, что упомянутое смесительное сопло дополнительно выполнено в виде кольцевой щели.

10. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанная полость образуется между телами вращения похожей формы, причем первое тело вращения представляет собой упомянутый асферический осесимметричный металлический рефлектор детонационного резонатора.

11. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одно сопло подачи топлива в системе транспортировки газообразного топлива выполнено с возможностью обеспечения направленной подачи газообразного топлива, посредством чего поток подаваемого газообразного топлива закручивается по спирали внутри полости топливного тракта, когда оно проходит от сопла подачи к открытому конечному участку.

12. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что упомянутый асферический осесимметричный металлический рефлектор имеет две поверхности, включая первую поверхность, обращенную к месту сгорания, которое служит для отражения продуктов сгорания через выхлопное сопло и вторую поверхность, образующую часть тракта газообразного топлива, служит для подачи тепла в полость, в которой транспортируется газообразное топливо.

13. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п. 10, отличающийся тем, что упомянутое первое тело вращения соосно с упомянутым вторым телом вращения, каждое из которых имеет апекс на оси рефлектора и расстояние между апексами больше ширины кольцевой щели системы транспортировки газообразного топлива.

14. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанное подающее сопло представляет собой по меньшей мере одну трубку, открытую в полость тракта газообразного топлива, и ориентация трубки по отношению к полости создает направленность и закрученность по спирали потока газообразного топлива.

15. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что упомянутый инициатор детонации выполнен в виде трубки на оси рефлектора, причем трубка является глухой на дальнем конце и открыта на конце рядом с камерой сгорания, посредством чего ударная волна продуктов детонации входит в трубку, отражается и возвращается обратно в камеру сгорания и инициирует детонацию.

16. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что инициатором детонации является свеча зажигания, расположенная рядом с камерой сгорания.

17. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанная система транспортировки газообразного топлива дополнительно содержит углеводородное топливо, охарактеризованное как любое из группы, включающей: пропан, метан, бутан или их смесь.

18. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанная система транспортировки газообразного топлива дополнительно содержит водород.

19. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанная система транспортировки газообразного топлива дополнительно содержит диметиловый эфир.

20. Пульсирующий детонационный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что указанная система транспортировки газообразного топлива дополнительно содержит смесь углеводородного топлива, водорода и диметилового эфира.