Способ форсирования двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя и форсированный 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 BP Д.

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.

Известно устройство форсированного двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя защищенного патентом на изобретение RU 2717479, СПК F02K 7/067 (2020.01), опубликованным 23.03.2020, БИ №9. Форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ДЭПуВРД) содержит, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первой и второй труб-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 качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство форсированного двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ДЭПуВРД), защищенного патентом на изобретение RU 2714463 СПК F02K 7/067 (2019.08), опубликованным 17.02.2020, БИ №5, который содержит, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первой и второй труб-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 первой трубы-смесителя. Оба воздушных клапана аэродинамические. Здесь же представлен и способ форсирования двухконтурного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающий, продувку камеры топливовоздушной смесью сгорания из смесителей и воздухом из аэродинамического клапана второго контура, формирующим воздушный струйный обдув зоны горения, последующее воспламенение и взрыв с выбросом продуктов сгорания через резонаторную трубу, трубы-смесители и аэродинамический клапан, при этом подачу топлива во время работы известного ДЭПуВРД осуществляют одновременно в два контура ДЭПуВРД с последующей организацией интенсивного перемешивания в камере сгорания путем струйного обдува топливовоздушной смесью зоны горения с образованием кольцевых вихрей.

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

Технический результат, достигаемый в результате реализации предлагаемого комплекса изобретений, заключается в повышении термодинамического КПД за счет предварительного прогрева топливовоздушной смести во впускной трубе-смесителе и перехода горения в детонацию.

Техническая задача решается путем изменения конструкции камеры сгорания.

В заявляемом комплексе изобретений, в известном способе форсирования двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ДЭПуВРД), включающем, продувку камеры сгорания топливовоздушной смесью из первой и второй труб-смесителей и воздухом из аэродинамического клапана второго контура, формирующим воздушный струйный обдув зоны горения, последующее воспламенение и взрыв с выбросом продуктов сгорания через резонаторную трубу, трубы-смесители и аэродинамический клапан, при этом, подачу топлива во время работы ДЭПуВРД осуществляют одновременно в два контура ДЭПуВРД с последующей организацией интенсивного перемешивания в камере сгорания путем струйного обдува топливовоздушной смесью зоны горения с образованием кольцевых вихрей, дополнительно в камере сгорания организуют полость, в которой осуществляют предварительный прогрев топливовоздушной смеси и переход процесса горения в режим детонации, а на выходе из организованной полости осуществляют торможение продуктов сгорания. Конструктивно это достигается тем, что в известном ДЭПуВРД содержащем, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первой впускной трубы-смесителя и второй впускной трубы-смесителя, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива, при этом, выходной участок второй впускной трубы-смесителя выполнен удлиненным и частично размещен непосредственно в объеме камеры сгорания таким образом, что между ним, передней стенкой камеры сгорания и ее донной частью образована цилиндрическая полость, в которой установлена спираль Щелкина.

В предпочтительном варианте конструктивного исполнения сопло подачи топлива размещается непосредственно в образованной в камере сгорания цилиндрической полости.

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 двигателя.

На фиг. 1 показан заявляемый форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ДЭПуВРД).

На фиг. 2 показана цилиндрическая полость, образованная в камере сгорания (увеличено).

Позициями на чертеже показаны:

Поз. 1 - сопло подачи газа,

Поз. 2 - первая впускная труба - смеситель,

Поз. 3 - треугольный канал,

Поз. 4 - вторая впускная труба-смеситель,

Поз. 5 - кольцевая обечайка,

Поз. 6 - камера сгорания,

Поз. 7 - козырек,

Поз. 8 - задняя торцевая стенка камеры сгорания,

Поз. 9 - резонаторная труба,

Поз. 10 - запальная свеча,

Поз. 11 - частичное диффузорное раскрытие,

Поз. 12 - змеевик нагрева газа,

Поз. 13 - вихревой аэродинамический клапан

Поз. 14 - сопло подачи топлива

Поз. 15 - топливный коллектор

Поз. 16 - удлиненный выходной участок второй впускной трубы-смесителя

Поз. 17 передняя стенка камеры сгорания

Поз. 18 - донная часть камеры сгорания

Поз. 19 - цилиндрическая полость

Поз. 20 - спираль Щелкина.

ДЭПуВРД изображенный на фиг. 1, 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 7 и задней торцевой стенкой 8. К задней торцевой стенке 8 камеры сгорания 6 закреплена резонаторная труба 9 с запальной свечой 10 и частичным диффузорным раскрытием 11. К резонаторной трубе 9 крепится змеевик нагрева газа 12. На передней стенке камеры сгорания 6 закреплен аэродинамический клапан 13, на входе в который установлено сопло подачи топлива 14 из топливного коллектора 15. Удлиненный выходной участок 16 второй впускной трубы-смесителя 4 частично размещен непосредственно в объеме камеры сгорания 6 таким образом, что между ним, передней стенкой 17 камеры сгорания 6 и ее донной частью 18 образована цилиндрическая полость 19, в которой установлена спираль Щелкина 20.

Заявляемый ДЭПуВРД работает следующим образом: нагретое топливо из змеевика нагрева газа 12 распыляется соплом подачи топлива 14 и набегающим потоком воздуха через вторую впускную трубу-смеситель 4 поступает в камеру сгорания 6, в которой происходит сгорание топлива. В цилиндрическую полость 19 камеры сгорания 6 из сопла подачи топлива 14 поступает топливо, а через вихревой аэродинамический клапан 13 воздух в момент, когда образуется разряжение при работе ДЭПуВРД. Воспламенение в цилиндрической полости 19 камере сгорания 6 происходит от горячих газов в камере сгорания 6. На выходе из цилиндрической полости 19 установлена спираль Щелкина 20. Торможение продуктов сгорания спиралью Щелкина 20 на выходе способствует ускорению горения, так как ускоряет движение не сгоревшего газа.

При сгорании цилиндрической полости 19 происходит нагрев нижней части удлиненного выходного участка 16 второй впускной трубы-смесителя 4, что приводит к пиролизу топлива и улучшению процесса горения.

Реализация заявляемого способа заключается в том, что при поджигании горючей смеси возникает фронт нормального горения, движущийся с дозвуковой скоростью относительно газа впереди него. Расширяющие продукты горения порождают волны сжатия и вызывают движение в газе перед фронтом. Волны сжатия догоняют друг друга, образуя ударные волны. Состояние перед фронтом изменяется: повышается температура, давление, скорость газа, возникает турбулентность, что оказывает существенное влияние на развитие процесса горения. Происходит искривление и ускорение фронта пламени. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что возможны случаи, когда ускорение пламени заканчивается стабилизацией скорости горения на дозвуковом уровне и когда ускорение пламени приводит к скачкообразному переходу горения в детонации. Зажигание на некотором небольшом расстоянии от передней стенки 17 камеры сгорания 6 облегчает возникновении детонации, так как при этом возрастает начальная скорость движения несгоревшего газа ввиду отражения в начальный период волн сжатия от передней стенки 17.

Таким образом, в заявляемом способе и возможном варианте конструктивного исполнения ДЭПуРВД, в котором он реализован, техническая задача решается за счет того, что:

Удлиненный выходной участок 16 второй впускной трубы-смесителя 4 дополнительно прогревается, при этом происходит пиролиз топлива, приводящий к увеличению скорости горения и как следствие повышению тепловыделения и увеличению кпд.

Наличие удлиненного выходного участка 16 второй впускной трубы-смесителя 4 приводит к образованию в камере сгорания 6 цилиндрической полости 19 с закрытой передней стенкой 17, при сгорании топлива в которой появляется фронт нормального горения, движущийся с дозвуковой скоростью. При этом, расширяющие продукты горения порождают волны сжатия. Волны сжатия догоняют друг друга, образуя ударные волны. Повышается температура, давление, скорость газа, что оказывает существенное влияние на развитие процесса горения.

На выходе из цилиндрической полости 17 установлена спираль Щелкина 20, при ударении о которую появляются дополнительные ударные волны, приводящие к повышению давления и температуры.

Представленная в материалах заявки графическая часть не является исчерпывающей информацией. Возможны различные варианты конструктивных изменений, не выходящие за пределы заявленного формулой объема притязаний.

Изобретение относится к двигателям летательных аппаратов и может быть использовано в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как, например, беспилотные разведчики, летающие мишени. Способ включает продувку камеры сгорания топливовоздушной смесью из смесителей и воздухом из аэродинамического клапана второго контура, формирующих воздушный струйный обдув зоны горения, последующее воспламенение и взрыв с выбросом продуктов сгорания через резонаторную трубу, смесители и аэродинамический клапан, при этом подачу топлива во время работы двигателя осуществляют одновременно в два контура ДЭПуВРД с последующей организацией интенсивного перемешивания в камере сгорания путем струйного обдува топливовоздушной смесью зоны горения с образованием кольцевых вихрей. Отличительной особенностью является то, что в камере сгорания организуют полость, в которой осуществляют предварительный прогрев топливовоздушной смеси и переход процесса горения в режим детонации, а на выходе из организованной полости осуществляют торможение продуктов сгорания. ДЭПуВРД содержит, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первой впускной трубы-смесителя и второй впускной трубы-смесителя, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива. Отличительной особенностью является то, что выходной участок второй впускной трубы-смесителя выполнен удлиненным и частично размещен непосредственно в объеме камеры сгорания таким образом, что между ним, передней стенкой камеры сгорания и ее донной частью образована цилиндрическая полость, в которой установлена спираль Щелкина. Сопло подачи топлива может быть размещено непосредственно в образованной в камере сгорания цилиндрической полости. Достигается повышение термодинамического КПД. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ форсирования двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ДЭПуВРД), включающий продувку камеры сгорания топливовоздушной смесью из смесителей и воздухом из аэродинамического клапана второго контура, формирующих воздушный струйный обдув зоны горения, последующее воспламенение и взрыв с выбросом продуктов сгорания через резонаторную трубу, смесители и аэродинамический клапан, при этом подачу топлива во время работы двигателя осуществляют одновременно в два контура двигателя с последующей организацией интенсивного перемешивания в камере сгорания путем струйного обдува топливовоздушной смесью зоны горения с образованием кольцевых вихрей, отличающийся тем, что в камере сгорания организуют полость, в которой осуществляют предварительный прогрев топливовоздушной смеси и переход процесса горения в режим детонации, а на выходе из организованной полости осуществляют торможение продуктов сгорания.

2. Форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ДЭПуВРД), содержащий, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первой впускной трубы-смесителя и второй впускной трубы-смесителя, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива, отличающийся тем, что выходной участок второй впускной трубы-смесителя выполнен удлиненным и частично размещен непосредственно в объеме камеры сгорания таким образом, что между ним, передней стенкой камеры сгорания и ее донной частью образована цилиндрическая полость, в которой установлена спираль Щелкина.

3. Форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ДЭПуВРД) по п. 2, отличающийся тем, что сопло подачи топлива размещено непосредственно в образованной в камере сгорания цилиндрической полости.