АГРЕГАТ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ И СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ АГРЕГАТА РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ Российский патент 2021 года по МПК F02K9/52 F02K9/62 

Настоящее изобретение относится к агрегату реактивной тяги, включающему в себя камеру сгорания реактивной тяги, имеющую полость реактивной тяги, которая имеет первую секцию, примыкающую к ней вторую секцию, и примыкающую ко второй секции третью секцию, причем полость реактивной тяги во всех трех секциях ограничена внешней стенкой сопла с внешней поверхностью полости реактивной тяги, причем внешняя поверхность полости реактивной тяги в первой и второй секции сужается к третьей секции, в третьей секции расширяется от второй секции, и на переходе от второй секции к третьей секции выполнен самый узкий участок, причем первая секция ограничена внутренней стенкой сопла с внутренней поверхностью полости реактивной тяги, которая сужается ко второй секции, причем между внутренней поверхностью полости реактивной тяги и внешней поверхностью полости реактивной тяги выполнена кольцевая камера сгорания, которая простирается по первой секции, причем агрегат реактивной тяги включает в себя также несколько первых топливных впускных отверстий для первого топливного компонента и несколько вторых топливных впускных отверстий для второго топливного компонента.

Настоящее изобретение относится также к способу эксплуатации агрегата реактивной тяги.

Кроме того, изобретение относится к силовой установке, прежде всего для летающего тела или летательного аппарата.

Кроме того, настоящее изобретение относится к летающему телу или летательному аппарату, включающему в себя первый топливный накопитель по меньшей мере для одного первого топливного компонента, второй топливный накопитель по меньшей мере для одного второго топливного компонента, и силовую установку.

Агрегаты реактивной тяги вышеописанного типа используют, например, в случае с силовыми установками, чтобы вырабатывать реактивную тягу, например, для привода летающего тела, такого как ракета, прежде всего, за счет сжигания топливных компонентов. В случае с топливным компонентом речь может идти, прежде всего, о горючем. Например, в качестве горючего может использоваться жидкий водород (LH₂), а в качестве другого топливного компонента - жидкий кислород (LOX), который принимает на себя функцию окислителя.

Проблемой в случае с доступными на текущий момент высокопроизводительными ракетными двигателями являются, прежде всего, большие потери давления, которые возникают в результате охлаждения внешних стенок сопла. В этом отношении известны, прежде всего, системы регенеративного охлаждения, пленочного охлаждения и транспирационного (испарительного) охлаждения.

Пленочное охлаждение может использоваться, прежде всего, для тепловой защиты целиком или также только в дополнение к регенеративному охлаждению стенок классических, выполненных из металлических материалов камер сгорания в пределах полости реактивной тяги. При этом эта разновидность охлаждения приводит к потерям полезной энтальпии сгорания, которые, в свою очередь, уменьшают к.п.д. силовой установки.

С транспирационным охлаждением внешних стенок сопла хотя и можно достичь аналогично хорошего к.п.д., как в случае с высокопроизводительными газогенераторными силовыми установками, однако такое транспирационное охлаждение, как и пленочное охлаждение, приводит к чрезмерным массовым расходам не сгоревшего топлива. Кроме того, транспирационное охлаждение ввиду особенностей системы не является пригодным для детандерного цикла, в случае с которым турбины для подачи топлива приводят в действие с помощью топливного компонента, нагретого в системе охлаждения силовой установки.

Для повышения эффективности работы камеры сгорания реактивной тяги с транспирационным охлаждением можно было бы использовать, если это вообще возможно, только систему, в случае с которой небольшую часть горячего газа отводят из камеры сгорания реактивной тяги, чтобы по так называемому «циклу отбора» приводить в действие турбины турбонасосных агрегатов, используемых для подачи топлива.

Таким образом, проблема в случае со всеми описанными способами заключается либо в значительной потере давления, либо в чрезмерной потере энтальпии сгорания не вступившего в реакцию топлива.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы так усовершенствовать агрегат реактивной тяги, способ, силовую установку и летающее тело или летательный аппарат вышеописанного типа, чтобы была улучшена эффективность агрегата реактивной тяги.

В случае с агрегатом реактивной тяги вышеописанного типа эта задача согласно изобретению решена благодаря тому, что внешняя стенка сопла включает в себя, по меньшей мере, часть из нескольких первых топливных впускных отверстий.

Предложенное усовершенствование известного агрегата реактивной тяги имеет, прежде всего, преимущество, заключающееся в том, что первый топливный компонент, направленный в камеру сгорания реактивной тяги через несколько первых топливных впускных отверстий, может полностью попадать в полость реактивной тяги. При протекании (топлива) через внешнюю стенку сопла ее охлаждают. Поэтому потеря массового расхода первого топливного компонента отсутствует. Первые топливные впускные отверстия выполнены, прежде всего, таким образом, что в полость реактивной тяги может впрыскиваться больше топлива, чем это необходимо для охлаждения внешней стенки сопла. Прежде всего, это позволяет направлять все количество первого топливного компонента через эти первые топливные впускные отверстия в полость реактивной тяги. За счет этого представляется возможным пространственно отделить первые и вторые топливные впускные отверстия друг от друга таким образом, что одни топливные впускные отверстия являются расположенными во внешней стенке сопла, а вторые - в другой стенке камеры сгорания, ограничивающей полость реактивной тяги. Эта форма выполнения возможна, прежде всего, также и тогда, когда агрегат реактивной тяги не включает в себя внутреннюю стенку сопла и когда первая секция и вторая секция образуют общую секцию в полости реактивной тяги. Благодаря этой предложенной форме впрыскивания первого топливного компонента, в случае с которым речь может идти, например, о горючем, прежде всего жидком водороде, жидком метане (СН₄) или также сжиженном природном газе (СПГ), можно, с одной стороны, оптимально охлаждать внешнюю стенку сопла и, с другой стороны, целенаправленно впрыскивать первый топливный компонент в любые области первой и/или второй секции полости реактивной тяги так, что можно достичь оптимального смешивания первого и второго топливных компонентов в этих обеих секциях. За счет этого может быть увеличен к.п.д. полноты сгорания. Кроме того, можно также, прежде всего произвольным образом, понизить уровень требований к материалу для выполнения внешней стенки сопла, поскольку во время всего процесса работы агрегата реактивной тяги может осуществляться такое охлаждение внешней стенки сопла, которое обеспечивает лучшее охлаждение, чем это вообще требуется. Кроме того, можно также свести к минимуму риск повреждения стенок камеры сгорания, поскольку их температуру практически всегда можно поддерживать примерно на одном и том же низком значении. Факультативно, внутренняя или внешняя стенки сопла могут содержать также другие топливные впускные отверстия, прежде всего вторые топливные впускные отверстия для второго топливного компонента или топливные впускные отверстия для третьего или следующего топливного компонента.

Предпочтительным является решение, когда внешняя стенка сопла, по меньшей мере, частично выполнена гидродинамически проницаемой для образования, по меньшей мере, части из нескольких первых топливных впускных отверстий. Факультативно или альтернативно, первые топливные впускные отверстия могут быть выполнены также в форме сопел или каналов во внешней стенке сопла.

Агрегат реактивной тяги может быть выполнено наиболее компактным, если внешняя стенка сопла выполнена пористой для образования, по меньшей мере, части из нескольких первых топливных впускных отверстий. Пористая внешняя стенка сопла позволяет, прежде всего, впрыскивать или вводить первый топливный компонент в полость реактивной тяги через поры во внешней стенке сопла. В этом случае для выполнения внешней стенки сопла могут быть использованы, прежде всего, материалы, имеющие необходимую для этого пористость. Предпочтительно, этот показатель больше 8%, прежде всего существенно больше этого. К использованию подобной пористости прибегают, прежде всего, чтобы с помощью транспирационного охлаждения предохранить внешнюю стенку сопла от перегрева.

Предпочтительно, пористость внешней стенки сопла, по меньшей мере, частично составляет, по меньшей мере, примерно 10%. В предпочтительном решении, она частично составляет, по меньшей мере, примерно 15%. В еще более предпочтительном решении она, по меньшей мере, частично составляет, по меньшей мере, примерно 20%. «По меньшей мере, частично» означает, прежде всего, что пористость на участках, на которых желательно охлаждение внешней стенки сопла, приходится на диапазон пористости, который достаточен для транспирационного охлаждения, то есть примерно 8%. Чтобы при этом впрыскивать в полость реактивной тяги первый топливный компонент в таком количестве, чтобы там могло осуществляться нужное сгорание, пористость, предпочтительно, должна быть, прежде всего, больше, чем, по меньшей мере, примерно 10%. Чем больше пористость, тем больше количество первого топливного компонента, которое может вводиться в полость реактивной тяги. Предпочтительно, пористость при этом задают, прежде всего, таким образом, что возникает оптимальное соотношение между массовым расходом и давлением питания, причем оптимальное давление питания является достигнутым в том случае, когда перепад давления сквозь пористую стенку сопла является как раз, по меньшей мере, настолько большим, что стенка сопла защищена от критических толчков давления вследствие неустановившихся режимов горения. Дополнительно следует еще раз разъяснить, что все количество первого топливного компонента может использоваться для целей сгорания, даже если оно перед поступлением в полость реактивной тяги уже охладило внешнюю стенку сопла. Участки внешней стенки сопла, которые имеют названные минимальные показатели пористости, могут простираться по всей длине указанных секций полости реактивной тяги или же по части ее (полости) или их (секций) длины, при этом, прежде всего, речь может идти об участках внешней стенки сопла, кольцеобразно охватывающих полость реактивной тяги.

Предпочтительным является решение, когда пористость внешней стенки сопла изменяется в зависимости от расстояния от первого конца первой секции. Прежде всего, это позволяет в определенных областях полости реактивной тяги целевым образом впрыскивать первый топливный компонент в большем количестве, чем в других областях. Вблизи самого узкого участка не обязательно требуется избыток первого топливного компонента для целей сгорания. В отличие от этого, прежде всего, в первой секции желательным является соответственно достаточное количество для сгорания первого топливного компонента в кольцевой камере сгорания. Пористость внешней стенки сопла может, например, также многократно увеличиваться и также снова уменьшаться. Так могут быть заданы участки стенки сопла, например для смесительных зон или зон смешивания топлива, на которых в полость реактивной тяги может впрыскиваться большее количество или меньшее количество первого топливного компонента.

Предпочтительным является решение, когда пористость, начиная с первого конца первой секции, уменьшается в направлении самого узкого участка. Прежде всего, пористость может уменьшаться плавно. Прежде всего, пористость может быть предусмотрена заданной пропорционально площади поперечного сечения полости реактивной тяги, начиная с первого конца первой секции. Таким образом, в областях с большим поперечным сечением в полость реактивной тяги может вводиться также большее количество первого топливного компонента.

Кроме того, предпочтительным является решение, когда внутренняя стенка сопла включает в себя, по меньшей мере, часть из нескольких первых топливных впускных отверстий. Это позволяет простым образом охлаждать в достаточной степени также и внутреннюю стенку сопла первым топливным компонентом при его впрыскивании в полость реактивной тяги. При этом представляется возможным впрыскивать через внутреннюю стенку сопла в полость реактивной тяги также часть первого топливного компонента для целей сгорания. За счет этого можно достичь, прежде всего, улучшенной стабильности горения в кольцевом пространстве первой секции полости реактивной тяги. Кроме того, за счет этого можно также упростить конструкцию обычного инжектора на участке фронтальной торцовой поверхности полости реактивной тяги, обращенного к концу первой секции, если первые топливные впускные отверстия конструктивно выполнены таким образом, что они обеспечивают впрыскивание всего количества первого топливного компонента через внутреннюю стенку сопла и внешнюю стенку сопла. Следовательно, можно отказаться от сложных коаксиальных инжекторов, с помощью которых в обычных силовых установках оба топливного компонента впрыскивают коаксиально по отношению друг к другу, то есть одновременно через одно сопло, а также через кольцевое сопло, концентрично охватывающее это сопло. Таким образом, внутренняя стенка сопла и внешняя стенка сопла могут быть выполнены как инжектор для всего впрыскиваемого количества первого топливного компонента. При эффективном сгорании, то есть при сгорании, оптимизированном по доведенному до максимума удельному импульсу Isp, то есть при избытке горючего, внутренняя стенка сопла и внешняя стенка сопла могут становиться инжектором, так что не возникают никакие дополнительные потери давления на охлаждение стенок. Благодаря выполнению кольцевой камеры сгорания в первой секции также достигают улучшенной стабильности горения. Сердечник камеры сгорания, задающий внутреннюю стенку сопла, также обозначаемый как вставное тело, может при этом глушить или даже полностью исключать определенные резонансные моды в полости реактивной тяги. Как уже было описано выше в отношении внешней стенки сопла, внутренняя стенка сопла также может быть выполнена практически из любого материала, прежде всего из металлического материала, поскольку благодаря достаточно большому количеству первого топливного компонента, впрыскиваемому через внутреннюю стенку сопла в полость реактивной тяги, можно достичь квазипереохлаждения внутренней стенки сопла, чтобы исключить ее перегрев. Выбор материала для выполнения внутренней и/или внешней стенок сопла является практически полностью некритическим, поскольку благодаря прохождению насыщенного потока через стенки сопла можно достигнуть существенно лучшего охлаждения. Прохождение насыщенного потока в этом контексте означает, что через внутреннюю и/или внешнюю стенки направляют больше топлива, то есть большее количество первого топливного компонента, чем это необходимо для их транспирационного охлаждения.

Первый топливный компонент можно простым образом впрыскивать через внутреннюю стенку сопла в полость реактивной тяги, если внутренняя стенка сопла, по меньшей мере, частично выполнена гидродинамически проницаемой для образования, по меньшей мере, части из нескольких первых топливных впускных отверстий. Например, гидродинамическая проницаемость может быть достигнута посредством выполнения гидродинамических каналов для впрыскивания первого топливного компонента, причем гидродинамические каналы оканчиваются в полости реактивной тяги.

Предпочтительно, внутренняя стенка сопла выполнена пористой для образования, по меньшей мере, части из нескольких первых топливных впускных отверстий. Например, благодаря пористости можно, таким образом, по меньшей мере, частично задавать количество впрыскиваемого топлива. Кроме того, для выполнения внутренней стенки сопла можно использовать материалы, которым органически свойственна пористость. Например, в расчет можно принимать керамические материалы. Также и волокнистые ткани или материалы, упрочненные лазером, могут использоваться для выполнения внутренней и/или внешней стенок сопла.

Для возможности обеспечения не только охлаждения внутренней стенки сопла, но также и достаточно большого потока топлива в полость реактивной тяги, предпочтительным считается, когда пористость внутренней стенки сопла составляет по меньшей мере 10%. В предпочтительном решении, пористость составляет, по меньшей мере, примерно 15%. В еще более предпочтительном решении она, по меньшей мере, частично составляет, по меньшей мере, примерно 20%. В любом случае, пористость выбирают так, чтобы она была больше, чем это необходимо для собственно транспирационного охлаждения.

Предпочтительно, пористость внутренней стенки сопла изменяется в зависимости от расстояния от первого конца первой секции. Например, пористость может одно- или многократно увеличиваться, а затем снова уменьшаться. За счет этого можно достичь локальных максимумов и минимумов пористости как во внутренней стенке сопла, так и в случае с внешней стенкой сопла.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения может быть предусмотрено, что пористость, начиная с первого конца первой секции, уменьшается в направлении второй секции. Подобным образом можно достичь того, что вблизи обращенного от второй секции первого конца первой секции в полость реактивной тяги может быть впрыснуто существенно большее количество первого топливного компонента, чем на участке в конце внутренней стенки сопла на переходе между первой и второй секциями.

Предпочтительным является решение, когда все первые топливные впускные отверстия расположены или выполнены во внешней стенке сопла и во внутренней стенке сопла. Это позволяет, прежде всего, вводить первый топливный компонент в полость реактивной тяги полностью через внутреннюю и внешнюю стенки сопла. Как уже было отмечено выше, за счет этого можно полностью отказаться от коаксиальных инжекторов сложного конструктивного выполнения, как их обычно используют. Необходим всего лишь один инжектор для второго топливного компонента, который в предпочтительном решении может изготавливаться очень просто по технологии ALM ("изготовление с наложением добавочных слоев"). Разделение различных каналов для впрыскивания двух или нескольких топливных компонентов в инжекторе в этом случае не требуется. Также представляется возможным впрыскивать топливные компоненты в полость реактивной тяги по направлениям впрыска поперечно друг другу. Это обеспечивает улучшенное перемешивание топливных компонентов в полости реактивной тяги агрегата реактивной тяги. Кроме того, за счет этого можно достичь, прежде всего, также высокого к.п.д. полноты сгорания и хорошей стабильности горения.

Наиболее простая конструкция агрегата реактивной тяги может быть получена, прежде всего, в случае, если внутренняя стенка сопла и внешняя стенка сопла будут содержать только первые топливные впускные отверстия (отверстия для впуска первого топливного компонента). Таким образом, в полость реактивной тяги через внутреннюю стенку сопла и внешнюю стенку сопла может впрыскиваться только данный топливный компонент.

Предпочтительным является решение, когда внутренняя стенка сопла и/или внешняя стенка сопла выполнены из керамического и/или металлического материала. Прежде всего, керамические или волоконно-керамические материалы могут быть выполнены с нужными показателями пористости. В металлических стенках сопла определенным образом могут быть выполнены, прежде всего, каналы для впрыскивания. Факультативно, также представляется возможным комбинировать металлические материалы и керамические материалы при выполнении стенок сопла, чтобы, прежде всего, задать участки с определенными впускными каналами и участки с определенными показателями пористости.

Предпочтительным является решение, когда внутренняя стенка сопла включает в себя несколько внутренних впускных отверстий хладагента и/или когда внешняя стенка сопла включает в себя несколько внешних впускных отверстий хладагента для охлаждения внутренней стенки сопла и/или внешней стенки сопла. Это конструктивное решение обеспечивает охлаждение стенок сопла, прежде всего, простым образом, например посредством транспирационного охлаждения. При этом необходимое тепло для испарения жидкого хладагента отбирают от внутренней и/или внешней стенки сопла при прохождении потока через нее, если камера сгорания работает не в режиме сверхкритического состояния рабочей среды.

Наиболее простая и компактная конструкция агрегата реактивной тяги может быть получена, прежде всего, благодаря тому, что несколько первых топливных впускных отверстий образует несколько внутренних впускных отверстий хладагента и/или несколько внешних впускных отверстий хладагента. Другими словами, следовательно, первые топливные впускные отверстия, как уже было изложено много выше по тексту, могут использоваться не только для впрыскивания первого топливного компонента, но также и для охлаждения внутренней и внешней стенок сопла. Этого можно достичь, как упоминалось, прежде всего, без чрезмерной потери энтальпии и потерь давления.

Предпочтительным является решение, когда первая секция полости реактивной тяги на обращенной от второй секции стороне ограничена инжекционной стенкой, которая соединяет друг с другом внутреннюю стенку сопла и внешнюю стенку сопла, и когда в инжекционной стенке расположена или выполнена, по меньшей мере, часть из нескольких вторых топливных впускных отверстий. Это конструктивное решение позволяет, прежде всего, впрыскивать второй топливный компонент в полость реактивной тяги, по меньшей мере, частично, прежде всего полностью, через инжекционную стенку. Прежде всего, за счет этого представляется возможным вводить топливные компоненты в полость реактивной тяги по направлениям впрыска поперечно друг другу, благодаря чему можно достичь хорошего смешивания и, следовательно, также и высокой стабильности горения.

Конструкция агрегата реактивной тяги может быть дополнительно упрощена, если несколько вторых топливных впускных отверстий расположены или выполнены исключительно в инжекционной стенке. Таким образом, прежде всего, первый топливный компонент может впрыскиваться в полость реактивной тяги исключительно через внутреннюю и внешнюю стенки сопла, а второй топливный компонент исключительно через инжекционную стенку.

Агрегат реактивной тяги может быть выполнено простым образом, если инжекционная стенка выполнена в форме кольца для закрытия выполненной в форме кольца кольцевой камеры сгорания. Прежде всего, с помощью инжекционной стенки в этой форме простым образом может быть закрыто кольцеобразное отверстие камеры сгорания реактивной тяги для ограничения полости реактивной тяги на первом конце ее первой секции.

Факультативно, инжекционная стенка может содержать другие топливные впускные отверстия для третьего топливного компонента. Предпочтительным является решение, когда инжекционная стенка включает в себя исключительно вторые топливные впускные отверстия. За счет этого можно достичь упрощения системы, если (в ней) предусмотрены только первые и вторые топливные впускные отверстия.

Для достижения целевого впрыскивания второго топливного компонента в полость реактивной тяги предпочтительным является решение, когда несколько вторых топливных впускных отверстий выполнены в форме каналов, которые имеют обращенные к кольцевой камере сгорания окончания каналов. Например, таковые могут быть ориентированы и выставлены так, как описано в DE 102013105342 А1. Прежде всего, вторые топливные впускные отверстия могут быть расположены и выполнены таким образом, что второй топливный компонент образует входящий в кольцевую камеру сгорания распылительный конус или гиперболоид. В последнем случае, вторые топливные впускные отверстия могут быть выполнены, например, в форме каналов, которые расположены и/или выполнены с прохождением по косым линиям относительно продольной оси камеры сгорания реактивной тяги. Инжекционные струи могут проходить, прежде всего, также параллельно касательным векторам к поверхности в осевых сечениях камеры сгорания, то есть в плоскостях, параллельных оси камеры сгорания, и, следовательно, не обязательно вдоль образующей прямой гиперболоида.

Для обеспечения эффективного охлаждения и ввода продуктов для горения в полость реактивной тяги предпочтительным является решение, когда внутренняя поверхность полости реактивной тяги в направлении внешней поверхности полости реактивной тяги является выпукло-изогнутой или является по существу выпукло-изогнутой. «По существу, выпукло-изогнутая» означает, прежде всего, что огибающая внутренней поверхности полости реактивной тяги является выпукло-изогнутой. Внутренняя поверхность полости реактивной тяги может иметь в этом случае также короткие участки с вогнутым изгибом, например, чтобы изменять площадь поперечного сечения кольцевой камеры сгорания, прежде всего увеличивать ее, для образования области смешивания топлива.

Предпочтительным является решение, когда внешняя поверхность полости реактивной тяги в направлении внутренней поверхности полости реактивной тяги является выпукло-изогнутой или является по существу выпукло-изогнутой. По сравнению с классическим контуром внешней стенки сопла камеры сгорания реактивной тяги, как он в качестве примера представлен на фиг. 1, подобным образом можно исключить типичные турбулентности граничных слоев, которые также обозначают как вихри Гёртлера. Подобные вихри образуются, прежде всего, в области самого узкого участка, который задан внешней стенкой сопла.

Согласно следующему предпочтительному варианту осуществления изобретения может быть предусмотрено, что камера сгорания реактивной тяги задает продольную ось, и что камера сгорания, прежде всего первая секция и/или вторая секция и/или третья секция, выполнены вращательно-симметричными по отношению к продольной оси. Это упрощает, прежде всего, компоновку и конструкцию агрегата реактивной тяги.

Также предпочтительным является решение, когда внешняя поверхность полости реактивной тяги и/или внутренняя поверхность полости реактивной тяги выполнены вращательно-симметричными по отношению к продольной оси. Это упрощает, прежде всего, конструкцию агрегата реактивной тяги.

Наиболее оптимальные однородные профили вязкости потока у внутренней и внешней стенок сопла могут быть получены, прежде всего, если внутренняя поверхность полости реактивной тяги и/или внешняя поверхность полости реактивной тяги, по меньшей мере, частично имеют форму гиперболоида вращения. Прежде всего, они могут иметь участки по-разному изогнутых гиперболоидов вращения. Также за счет этого, прежде всего, простым образом можно задавать постоянное поперечное сечение кольцевой камеры сгорания.

Предпочтительно, кольцевая камера сгорания имеет постоянную или по существу постоянную площадь поперечного сечения. И хотя внутренние и внешние поверхности полости реактивной тяги могут меняться, тем не менее, подобным образом может быть задана квазицилиндрическая кольцевая камера сгорания, которая затем без изменения направления кривизны, что получается автоматически в результате геометрического взаимодействия чисто выпуклой внешней и чисто выпуклой внутренней поверхностей полости реактивной тяги, переходит в конвергентную секцию камеры сгорания с целью перехода через скорость звука. Следовательно, благодаря сужающейся внешней стенке сопла, с уменьшением определяемой внешней стенкой сопла площади поперечного сечения полости реактивной тяги также может быть уменьшена потребность в хладагенте, то есть, прежде всего, первом топливном компоненте.

Также предпочтительным может быть решение, когда площадь поперечного сечения кольцевой камеры сгорания изменяется в зависимости от расстояния от первого конца кольцевой камеры сгорания для образования по меньшей мере одной области смешивания топлива в кольцевой камере сгорания. Прежде всего, в кольцевой камере сгорания могут быть заданы две, три, четыре или больше таких зон смешивания топлива. Такого изменения поперечного сечения можно достичь, прежде всего, если внутренние или внешние поверхности полости реактивной тяги не изгибаются или же для получения предпочтительного выпуклого изгиба вогнуто-изогнуты встречно на участке, простирающемся в направлении продольной оси.

Предпочтительным является решение, когда агрегат реактивной тяги включает в себя первое инжекторное устройство для впрыскивания по меньшей мере одного первого топливного компонента в полость реактивной тяги в направлении поперек внутренней поверхности полости реактивной тяги и/или поперек внешней поверхности полости реактивной тяги. Прежде всего, инжекторное устройство может быть выполнено для впрыскивания по меньшей мере одного первого топливного компонента в полость реактивной тяги перпендикулярно внутренней и/или внешней поверхности полости реактивной тяги. Выполнение первого инжекторного устройства в таком виде обеспечивает, прежде всего, преимущество, (заключающееся в том), что второй топливный компонент может инжектироваться или впрыскиваться в полость реактивной тяги в поперечном направлении, прежде всего перпендикулярно, первому топливному компоненту.

Для возможности впрыскивания первого топливного компонента в полость реактивной тяги под достаточно высоким давлением предпочтительным является решение, когда первое инжекторное устройство включает в себя первый насосный агрегат для перекачки по меньшей мере одного первого топливного компонента из первого топливного накопителя в полость реактивной тяги через несколько первых топливных впускных отверстий.

Также предпочтительным является решение, если предусмотрено второе инжекторное устройство для впрыскивания по меньшей мере одного второго топливного компонента в первую секцию в направлении параллельно или по существу параллельно касательным к внутренней поверхности полости реактивной тяги и/или внешней поверхности полости реактивной тяги. Таким образом, топливные компоненты могут впрыскиваться в полость реактивной тяги, прежде всего, поперечно, предпочтительно перпендикулярно, друг другу.

Второй топливный компонент может впрыскиваться в полость реактивной тяги простым образом, если второе инжекторное устройство включает в себя второй насосный агрегат для перекачки по меньшей мере одного второго топливного компонента из второго топливного накопителя в первую секцию через несколько вторых топливных впускных отверстий. Как первый, так и второй насосные агрегаты могут быть выполнены, прежде всего, в форме турбонасосов с приводной турбиной и крыльчаткой насоса, расположенной, прежде всего, на одном и том же валу. Турбины турбонасосов могут приводиться в движение, прежде всего, с помощью газообразных продуктов сгорания, отобранных из полости реактивной тяги или за счет вступления части топливных компонентов в реакцию в форкамере и подачи газообразных продуктов сгорания на турбину. Подобным образом может быть выполнена, прежде всего, газогенераторная силовая установка. Если, альтернативно, турбину насосного агрегата приводят в движение с помощью отработавшего газа из форкамеры, в которую впрыскивают топливный компонент в большом избытке, то может быть выполнена т.н. форкамерная силовая установка. Отработавший газ с не вступившим в реакцию при сгорании топливным компонентом может потом впрыскиваться в полость реактивной тяги через первые или вторые топливные впускные отверстия. Например, малая часть первого топливного компонента в форкамере может компоноваться со вторым топливным компонентом, причем только малая часть первого топливного компонента вступает в реакцию. При использовании турбонасосов в качестве насосных агрегатов, прежде всего, одна турбина может использоваться для привода двух насосных крыльчаток, с помощью которых могут подаваться, с одной стороны, первый топливный компонент и, с другой стороны, второй топливный компонент. В качестве топливных компонентов, предпочтительно, используют жидкие топливные компоненты, такие как жидкий кислород, жидкий водород, жидкий метан и т.п.

Поставленная ранее задача также решена согласно изобретению в отношении силовой установки вышеописанного типа благодаря тому, что она включает в себя один из вышеописанных агрегатов реактивной тяги.

Подобная усовершенствованная силовая установка при этом отличается преимуществами, уже описанными выше в контексте предпочтительных вариантов осуществления изобретения.

Озвученная ранее задача также решена согласно изобретению в отношении летающего тела или летательного аппарата вышеописанного типа благодаря тому, что они включают в себя силовую установку согласно изобретению. Благодаря улучшенному охлаждению стенок сопла в агрегате реактивной тяги и меньшим потерям, как описано, при расходе одних и тех же количеств топлива можно перемещать полезные грузы большего веса за счет более высокого удельного импульса Isp.

Поставленная ранее задача также решена согласно изобретению в отношении способа вышеописанного характера благодаря тому, что, по меньшей мере, через часть нескольких первых топливных впускных отверстий в полость реактивной тяги впрыскивают большее количество первого топливного компонента, чем это необходимо для охлаждения внутренней стенки сопла и/или внешней стенки сопла.

Как уже было описано выше, за счет этого можно достичь такого перенасыщенного охлаждения стенок сопла, что их перегрев практически более невозможен. Также могут быть уменьшены потери массового расхода и потери давления, благодаря чему может быть улучшен удельный импульс Isp агрегата реактивной тяги.

Предпочтительным является решение, когда через несколько первых топливных впускных отверстий впрыскивают, по меньшей мере, более чем двойное количество первого топливного компонента, чем это необходимо для охлаждения внутренней стенки сопла и/или внешней стенки сопла. Предпочтительно, через несколько первых топливных впускных отверстий впрыскивают более чем тройное количество первого топливного компонента.

В результате конструкция агрегата реактивной тяги может быть простым образом упрощена, если через несколько первых топливных впускных отверстий в полость реактивной тяги впрыскивают все количество первого топливного компонента. При этом, прежде всего, как было описано выше, может быть выполнено второе инжекторное устройство, которое включает в себя вторые топливные впускные отверстия, которые не расположены или не выполнены ни во внутренней стенке сопла, ни во внешней стенке сопла.

Приведенное далее описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения предназначено для его более детального разъяснения в увязке с чертежами. На фигурах показаны:

Фиг. 1: схематичное представление классического контура конструкции полости реактивной тяги,

Фиг. 2: схематичное представление контура камеры сгорания, определенного простым гиперболоидом,

Фиг. 3: схематичное представление контура полости реактивной тяги с двумя гиперболоидами для определения внутренней и внешней стенок сопла,

Фиг. 4: схематичное представление конструкции полости реактивной тяги согласно изобретению, с внутренней и внешней стенками сопла,

Фиг. 5: схематичное представление части агрегата реактивной тяги с втекающим в полость реактивной тяги первым топливным компонентом,

Фиг. 6: схематичное представление части газогенераторной силовой установки,

Фиг. 7: схематичное представление части силовой установки с форкамерой для режима работы с циклом сгорания в форкамере,

Фиг. 8: примерное представление расчетного однородного профиля вязкости потока у стенки на основе моделирования режима с горячим газом,

Фиг. 9: схематичное представление эпюры распределения температур в полости реактивной тяги при полностью раздельном впрыске топливных компонентов, с одной стороны, через инжекционную стенку и, с другой стороны, через внутреннюю и внешнюю стенки сопла,

Фиг. 10: схематичное увеличенное изображение фрагмента кольцевой камеры сгорания,

Фиг. 11: схематичное представление части вида в разрезе кольцевой камеры сгорания вдоль линии 11-11 на фиг. 10,

Фиг. 12: схематичное изображение фрагмента кольцевой камеры сгорания по следующему примеру конструктивного выполнения камеры сгорания и

Фиг. 13: схематичное изображение фрагмента кольцевой камеры сгорания по следующему примеру конструктивного выполнения камеры сгорания.

На фиг. 1 схематично представлена часть камеры 10 сгорания реактивной тяги, как она известна из уровня техники. Она включает в себя коаксиально простирающуюся относительно продольной оси 14 цилиндрическую первую секцию 12, примыкающую к ней, вогнуто изогнутую в направлении к продольной оси 14 вторую секцию 16 и примыкающую к ней третью секцию 18, которая выпукло-изогнута в направлении в сторону от продольной оси 14.

В области третьей секции 18 ограничивающая камеру 10 сгорания реактивной тяги стенка 20 задает самый узкий участок 22, через который газообразные продукты сгорания расширяющимся потоком ускоряются к выходу сопла. Третья секция, начиная с участка 22, также обозначается как сверхзвуковая область.

Прежде всего, в области второй секции 16 могут формироваться турбулентности граничных слоев, так называемые вихри Гертлера, которые затрудняют охлаждение внутренней стенной поверхности 26 стенки 20 нужным образом. Прежде всего, при пленочном охлаждении с помощью пленки охлаждающей жидкой среды на стенной поверхности 26 могут иметь место отрывы и, следовательно, потери хладагента и явления перегрева в области второй секции 16, а также участка 22.

На фиг. 2 схематично показан пример модифицированной камеры 10 сгорания реактивной тяги, ограничивающая полость 28 реактивной тяги стенка 20 которой, имеет форму гиперболоида вращения. Стенная поверхность 26 в случае этой формы камеры 10 сгорания реактивной тяги является полностью выпукло-изогнутой в сторону продольной оси 14. Таким образом, на ней отсутствуют какие-либо вогнуто изогнутые участки. Полость 28 реактивной тяги непрерывно сужается, начиная с входной области 30, вплоть до самого узкого участка 22.

Благодаря непрерывному изгибу стенки 20 практически полностью могут быть исключены недостатки классического профиля, а именно, возникающие турбулентности граничных слоев при пленочном охлаждении.

Третий вариант камеры 10 сгорания реактивной тяги схематично представлен на фиг. 3. Стенка 20 образует здесь внешнюю стенку 20, которая по отношению к продольной оси 14, в свою очередь, выполнена как гиперболоид вращения. Камера 10 сгорания реактивной тяги включает в себя первую секцию 32, вторую секцию 34 и третью секцию 36, которые делят полость 28 реактивной тяги на соответствующие секции 32, 34 и 36.

Первая секция 32 задается вставленным в полость 28 реактивной тяги вставным телом 38, которое задает внутреннюю стенку 40 со стеновой поверхностью 42 полости 28 реактивной тяги, которая имеет форму двухсферного гиперболоида вращения. Касательная 44 к вставному телу 38 на переходе между первой секцией 32 и второй секцией 34 проходит перпендикулярно продольной оси 14.

Первая секция 32 задает кольцевую камеру 46 сгорания как часть полости 28 реактивной тяги. Стенные поверхности 26 и 42 могут выбираться, прежде всего, таким образом, что площадь 48 поперечного сечения является постоянной в зависимости от расстояния 50 от первого конца 52 первой секции 32. Начиная от первого конца 52, внешний диаметр заданной кольцевой камерой 46 сгорания поверхности кольца уменьшается, равно как и диаметр внутреннего ограждения этой поверхности кольца. Затем, на переходе 54 между первой секцией 32 и второй секцией 34 поверхность кольца, предпочтительно без искривления, переходит в поверхность круга, поперечное сечение которого сужается дальше в сторону самого узкого участка.

Благодаря постоянному поперечному сечению кольцевой камеры 46 сгорания, как описано в случае с представленной на фиг. 3 камерой 10 сгорания реактивной тяги, получают квазицилиндрическую кольцевую камеру 46 сгорания, но с тем преимуществом, что стенная поверхность 26, начиная от первого конца 52, непрерывно сужается и, следовательно, при охлаждении не наступают никакие отрывы и завихрения пленки охлаждающей жидкой среды.

Схематично представленная на фиг. 3 конфигурация камеры 10 сгорания реактивной тяги еще раз представлена схематично на фиг. 4 с несколько по-иному заданными контурами. Внешняя стенка 56 сопла является непрерывно выпукло-изогнутой в направлении в сторону продольной оси 14. Вставное тело 38 выполнено в форме двухсферного гиперболоида и задает своим концом 58 переход 54 между первой секцией 32 и второй секцией 34. Ограничивающая полость 28 реактивной тяги стенная поверхность 42 задает внутреннюю поверхность 60 полости реактивной тяги. Ограничивающая полость 28 реактивной тяги стенная поверхность 26 задает внешнюю поверхность 62 полости реактивной тяги.

В области первой секции 32 внутренняя поверхность 60 полости реактивной тяги и внешняя поверхность 62 полости реактивной тяги ограничивают кольцевую камеру 46 сгорания. В зависимости от формы поверхностей 60 и 62 полости реактивной тяги площадь 48 поперечного сечения может быть постоянной или может увеличиваться или уменьшаться в направлении перехода 54.

От перехода 54 и до самого узкого участка 22 простирается вторая секция 34. Здесь полость 28 реактивной тяги ограничена исключительно внешней поверхностью 62 полости реактивной тяги.

Начиная от самого узкого участка 22, на переходе 64 от второй секции 34 к третьей секции 36 полость 28 реактивной тяги снова расширяется.

Следовательно, первая секция 32 может задавать, прежде всего, квазицилиндрическую область. Вторая секция 34 задает сужающуюся область полости 28 реактивной тяги, а третья секция 36 задает расширяющуюся область, обозначаемую также как сверхзвуковая область.

На фиг. 5 показаны другие отличительные особенности камеры 10 сгорания реактивной тяги.

Как внешняя стенка 56 сопла, так и внутренняя стенка 66 сопла, которая задает внутреннюю поверхность 60 полости реактивной тяги, снабжены несколькими первыми топливными впускными отверстиями 68. С их помощью через внешнюю стенку 56 сопла в направлении стрелок 70 может впрыскиваться или инжектироваться в полость 28 реактивной тяги первый топливный компонент. Этот первый топливный компонент также может впрыскиваться в полость 28 реактивной тяги в направлении стрелок 72 через топливные впускные отверстия 68 во внутренней стенке 66 сопла.

Предпочтительно, впрыскивание первого топливного компонента, как обозначено стрелками 70 и 72, осуществляют поперек, прежде всего перпендикулярно, продольной оси 14.

Второй топливный компонент может впрыскиваться в выполненную в форме кольца кольцевую камеру 46 сгорания со стороны первого конца 52, как условно обозначено стрелкой 74, причем направление впрыскивания, как условно обозначено стрелкой 74, может осуществляться по существу параллельно внутренней и/или внешней поверхности 60, 62 полости реактивной тяги.

Количество первого топливного компонента, которое через первые топливные впускные отверстия 68 инжектируют в полость 28 реактивной тяги, больше, предпочтительно, существенно больше, чем его количество, необходимое для транспирационного охлаждения внешней стенки 56 сопла и внутренней стенки 66 сопла.

Прежде всего, первый топливный компонент может инжектироваться в полость 28 реактивной тяги полностью через внешнюю стенку 56 сопла и внутреннюю стенку 66 сопла.

Внутренняя стенка 66 сопла и внешняя стенка 56 сопла для образования первых топливных впускных отверстий 68 могут содержать, прежде всего, каналы для впрыскивания, которые направлены поперек, прежде всего перпендикулярно, или по косой линии относительно продольной оси 14 оканчиваются в полости 28 реактивной тяги.

Альтернативно, первые топливные впускные отверстия 68 могут быть заданы также порами в выполненной из пористого материала внешней стенке 56 сопла и внутренней стенке 66 сопла.

Внутренняя стенка 66 сопла и внешняя стенка 56 сопла могут быть выполнены, прежде всего, из керамического материала и из металлического материала. Факультативно, они также могут быть выполнены из комбинации керамических и/или металлических материалов.

В результате притока холодного жидкого первого топливного компонента через первые топливные впускные отверстия 68, которые, следовательно, одновременно образуют несколько впускных отверстий 76 хладагента, достигают квазипереохлаждения внешней и внутренней стенок 56, 66 сопла. Это позволяет, прежде всего, осуществлять практически свободный выбор материала, из которого изготавливают внешнюю и внутреннюю стенки 56, 66 сопла, поскольку их перегрев в рабочем режиме практически невозможен.

Благодаря узкой кольцевой камере 46 сгорания можно достичь хорошего перемешивания и стабильного сгорания топливных компонентов, вступающих между собой в реакцию в полости 28 реактивной тяги.

Пористость в случае с пористыми стенками 56 и 66 сопла приходится, предпочтительно, на диапазон от примерно 10% до примерно 30%, прежде всего на диапазон от примерно 15% до примерно 25%. Прежде всего, пористость может составлять примерно 22%. В случае с чисто транспирационным охлаждением требуется пористость примерно в 8%, чтобы с уверенностью достигать нужного охлаждения. Благодаря большей пористости может быть обеспечено, что для сгорания будет иметься в распоряжении достаточное количество первого топливного компонента, которое инжектируют в полость 28 реактивной тяги через первые топливные впускные отверстия 68.

Первым топливным компонентом может быть, прежде всего, жидкий водород, жидкий метан или сжиженный природный газ.

На фиг. 10 в увеличенном виде показан фрагмент А согласно фиг. 5. Пористые стенки 56 и 66 сопла обозначены точечной линией и задают внутреннюю и внешнюю поверхности 60 и 62 полости реактивной тяги.

На фиг. 11 в виде в разрезе (вдоль линии 11-11) показан фрагмент согласно фиг. 10. Второй топливный компонент, который впрыскивают в направлении стрелки 74, встречается при этом, например, в точках 78 с поперечно впрыснутым первым топливным компонентом. Таким образом, в кольцевой камере 46 сгорания происходит направленное сгорание первого топливного компонента со вторым топливным компонентом.

В случае со вторым топливным компонентом речь может идти, прежде всего, о жидком кислороде.

На фиг. 12 в качестве примера показан следующий фрагмент первой секции 32 полости 28 реактивной тяги. Здесь внешняя стенка 56 сопла в качестве примера выполнена с тремя выпуклостями 80, которые задают смесительные области 82, в которых площадь поперечного сечения кольцевой камеры 46 сгорания немного увеличена. В этих смесительных областях 82, прежде всего, может быть оптимизировано перемешивание топливных компонентов.

Альтернативное решение представленного на фиг. 12 конструктивного выполнения или варианта схематично представлено на фиг. 13. Здесь смесительные области 82 заданы выпуклостями 80 внутренней стенки 66 сопла. Также и таким образом можно достичь уширения поперечного сечения в кольцевой камере 46 сгорания по отрезку длины параллельно продольной оси 14.

Факультативно, для образования смесительных зон 82 на внешней стенке 56 сопла и на внутренней стенке 66 сопла также могут быть предусмотрены выпуклости 80.

На фиг. 6 схематично показана силовая установка 84 с агрегатом 86 реактивной тяги, включающим в себя также схематично представленную камеру 10 сгорания реактивной тяги. Полость 28 реактивной тяги по своей форме соответствует представленной на фиг. 4 полости 28 реактивной тяги.

Силовая установка 84 может использоваться для приведения в движение летающего тела 88 или летательного аппарата.

Летающее тело 88 включает в себя первый топливный накопитель 90 для первого жидкого топливного компонента и второй топливный накопитель 92 для второго жидкого топливного компонента. Предпочтительно, речь идет в случае с первым топливным компонентом - о горючем, в случае со вторым топливным компонентом - об окислителе.

По топливному трубопроводу 94 первый топливный компонент направляют из первого топливного накопителя 90 на крыльчатку 96 насоса насосного агрегата 98. Этот (насосный агрегат) включает в себя турбину 100, на валу 102 которой расположены первая крыльчатка 96 насоса и вторая крыльчатка 104 насоса.

По второму топливному трубопроводу 106 второй топливный компонент подают на вторую крыльчатку насоса.

По третьему топливному трубопроводу 108 первый топливный компонент нагнетают от крыльчатки 96 насоса в форкамеру 110.

Второй топливный компонент от второй крыльчатки 104 насоса нагнетают в форкамеру 110 по четвертому топливному трубопроводу 112. Там часть первого и второго топливных компонентов сжигают. С помощью газообразных продуктов сгорания, которые по подводящему трубопроводу 114 направляют к турбине 100 насосного агрегата, приводят в движение турбину 100. Отработавшие газообразные продукты сгорания 116 отводят от форкамеры 110 (возможно, от турбины 100 - прим. переводчика) и больше не используют.

По пятому топливному трубопроводу 118 первый топливный компонент направляют от первой крыльчатки 96 насоса на распределитель 120 на внешней стенке 56 сопла, а также на распределитель 122 на внутренней стенке 66 сопла. От распределителей 120 и 122 первый топливный компонент может затем протекать к не показанным на фиг. 6 первым топливным впускным отверстиям 68, а через них в полость 28 реактивной тяги.

Вторая крыльчатка 104 насоса нагнетает через шестой топливный трубопровод 124 часть второго топливного компонента на инжекторное устройство 126, которое включает в себя запирающую первый конец 52 полости 28 реактивной тяги инжекционную стенку по меньшей мере с одним вторым топливным впускным отверстием 128 или несколькими вторыми топливными впускными отверстиями 128, через которые второй топливный компонент впрыскивают через первый конец 52 в кольцевую камеру сгорания.

На фиг. 6, таким образом, схематично представлена компоновка газогенераторной силовой установки.

На фиг. 7 схематично показано альтернативное конструктивное выполнение агрегата 86 реактивной тяги, который по своей компоновке по существу совпадает с агрегатом 86 реактивной тяги согласно фиг. 6.

При этом представленный на фиг. 7 агрегат реактивной тяги работает с циклом сгорания в форкамере. Это означает, что в форкамеру 110 подают смесь из обоих топливных компонентов, из которых второй топливный компонент намного преобладает.

Поток отходящих газов от турбины 100, содержащий отходящие газообразные продукты сгорания из форкамеры 110 и еще не вступивший в реакцию окислитель, в качестве второго топливного компонента через трубопровод 130 для отходящих газов подают на инжекторное устройство 126.

Представленная на фиг. 7 силовая установка 84, включающая в себя агрегат 86 реактивной тяги, может работать, как было описано, с циклом сгорания в форкамере так, что при этом не могут возникать никакие потери газообразных продуктов сгорания, а наоборот, также и газообразные продукты сгорания из форкамеры, которые используют для приведения в движение турбины 100, попадают в полость 28 реактивной тяги для создания реактивной тяги силовой установки 84.

На фиг. 8 показано распределение потоков в камере 10 сгорания реактивной тяги, как она была описана выше. Вдоль внутренней и внешней поверхностей 60 и 62 полости реактивной тяги на основе моделирования режима с горячим газом получается однородный профиль вязкости у стенки. На шкале справа с представленным профилем вязкости указаны числа Рейнольдса в диапазоне от 0 до 1000, которые соответствуют светлым областям на профиле вязкости.

И в завершение, на фиг. 9 показан пример моделирования эффективного сгорания, которого достигают, если первый топливный компонент и второй топливный компонент инжектируют в полость 28 реактивной тяги полностью отдельно друг от друга. Горючее в качестве первого топливного компонента впрыскивают в полость 28 реактивной тяги исключительно через первые топливные впускные отверстия 68 во внешней стенке 56 сопла и внутренней стенке 66 сопла. Второй топливный компонент инжектируют исключительно через инжекционную стенку инжекторного устройства 126, которое запирает первый конец 52 полости 28 реактивной тяги.

Благодаря прохождению насыщенного или перенасыщенного потока с первым топливным компонентом через внешнюю и внутреннюю стенки 56 и 66 сопла можно достичь лучшего их охлаждения, а именно, без потерь массового расхода первого топливного компонента. Также существенно уменьшены потери давления, если они вообще возникают. За счет этого можно избежать перегрева внешней и внутренней стенок 56, 66 сопла.

При наличии вставного тела 38 улучшается сгорание. При этом система агрегата 86 реактивной тяги упрощена в целом, поскольку упрощается компоновка инжекторного устройства 126. Прежде всего, его используют исключительно для инжекции второго топливного компонента.

Предложенное усовершенствование известных агрегатов реактивной тяги позволяет также, прежде всего, эффективно использовать метан в жидкой форме, прежде всего также непосредственно как природный газ, в качестве горючего или первого топливного компонента.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

10 камера сгорания

12 первая секция

14 продольная ось

16 вторая секция

18 третья секция

20 стенка

22 самый узкий участок

24 выход сопла

26 стенная поверхность

28 полость реактивной тяги

30 входная область

32 первая секция

34 вторая секция

36 третья секция

38 вставное тело

40 стенка

42 стенная поверхность

44 касательная

46 кольцевая камера сгорания

48 площадь поперечного сечения

50 расстояние

52 первый конец

54 переход

56 внешняя стенка сопла

58 конец

60 внутренняя поверхность полости реактивной тяги

62 внешняя поверхность полости реактивной тяги

64 переход

66 внутренняя стенка сопла

68 первое топливное впускное отверстие

70 стрелки

72 стрелки

74 стрелки

76 впускное отверстие хладагента

78 точка

80 выпуклости

82 смесительная область

84 силовая установка

86 агрегат реактивной тяги

88 летающее тело

90 первый топливный накопитель

92 второй топливный накопитель

94 топливный трубопровод

96 первая крыльчатка насоса

98 насосный агрегат

100 турбина

102 вал

104 вторая крыльчатка насоса

106 второй топливный трубопровод

108 третий топливный трубопровод

110 форкамера

112 четвертый топливный трубопровод

114 подводящий трубопровод

116 отработавший газ

118 пятый топливный трубопровод

120 распределитель

122 распределитель

124 шестой топливный трубопровод

126 инжекторное устройство

128 второе топливное впускное отверстие

130 трубопровод для отходящих газов.

Для улучшения агрегата реактивной тяги, включающего в себя камеру сгорания реактивной тяги, имеющую полость реактивной тяги, которая имеет первую секцию, примыкающую к ней вторую секцию и примыкающую ко второй секции третью секцию, причем полость реактивной тяги во всех трех секциях ограничена внешней стенкой сопла с внешней поверхностью полости реактивной тяги, причем внешняя поверхность полости реактивной тяги в первой и второй секции сужается к третьей секции, в третьей секции расширяется от второй секции, и на переходе от второй секции к третьей секции выполнен самый узкий участок, причем первая секция ограничена внутренней стенкой сопла с внутренней поверхностью полости реактивной тяги, которая сужается ко второй секции, причем между внутренней поверхностью полости реактивной тяги и внешней поверхностью полости реактивной тяги выполнена кольцевая камера сгорания, которая простирается по первой секции, причем агрегат реактивной тяги включает в себя также несколько первых топливных впускных отверстий для первого топливного компонента и несколько вторых топливных впускных отверстий для второго топливного компонента, при этом, чтобы была повышена эффективность агрегата реактивной тяги, внешняя стенка сопла включает в себя, по меньшей мере, часть из нескольких первых топливных впускных отверстий. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Агрегат (86) реактивной тяги, включающий в себя камеру (10) сгорания реактивной тяги, имеющую полость (28) реактивной тяги, которая имеет первую секцию (32), примыкающую к ней вторую секцию (34), и примыкающую ко второй секции (34) третью секцию (36), причем полость (28) реактивной тяги во всех трех секциях (32, 34, 36) ограничена внешней стенкой (56) сопла с внешней поверхностью (62) полости реактивной тяги, причем внешняя поверхность (62) полости реактивной тяги в первой и второй секциях (32, 34) сужается к третьей секции (36), в третьей секции (36) расширяется от второй секции (34), и на переходе от второй секции (34) к третьей секции (36) выполнен самый узкий участок (22), причем первая секция (32) ограничена внутренней стенкой (66) сопла с внутренней поверхностью (60) полости реактивной тяги, которая сужается ко второй секции (34), причем между внутренней поверхностью (60) полости реактивной тяги и внешней поверхностью (62) полости реактивной тяги выполнена кольцевая камера (46) сгорания, которая простирается по первой секции (32), причем агрегат (86) реактивной тяги включает в себя также несколько первых топливных впускных отверстий (68) для первого топливного компонента и несколько вторых топливных впускных отверстий (128) для второго топливного компонента, отличающийся тем, что внешняя стенка (56) сопла включает в себя, по меньшей мере, часть из нескольких первых топливных впускных отверстий (68).

2. Агрегат реактивной тяги по п. 1, отличающийся тем, что внешняя стенка (56) сопла, по меньшей мере, частично выполнена гидродинамически проницаемой для образования, по меньшей мере, части из нескольких первых топливных впускных отверстий (68).

3. Агрегат реактивной тяги по п. 1 или 2, отличающийся тем, что внешняя стенка (56) сопла выполнена пористой для образования, по меньшей мере, части из нескольких первых топливных впускных отверстий (68).

4. Агрегат реактивной тяги по п. 3, отличающийся тем, что

а) пористость внешней стенки (56) сопла, по меньшей мере, частично составляет, по меньшей мере, примерно 10%, предпочтительно, по меньшей мере, примерно 15%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, примерно 20%, и/или

б) пористость внешней стенки (56) сопла изменяется в зависимости от расстояния (50) от первого конца (52) первой секции (32),

причем, прежде всего, пористость, начиная с первого конца (52) первой секции (32), уменьшается в направлении самого узкого участка (22).

5. Агрегат реактивной тяги по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что внутренняя стенка (66) сопла включает в себя, по меньшей мере, часть из нескольких первых топливных впускных отверстий (68).

6. Агрегат реактивной тяги по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что внутренняя стенка (66) сопла, по меньшей мере, частично выполнена гидродинамически проницаемой для образования, по меньшей мере, части из нескольких первых топливных впускных отверстий (68).

7. Агрегат реактивной тяги по п. 6, отличающийся тем, что внутренняя стенка (66) сопла выполнена пористой для образования, по меньшей мере, части из нескольких первых топливных впускных отверстий (68).

8. Агрегат реактивной тяги по п. 7, отличающийся тем, что

а) пористость внутренней стенки (66) сопла составляет, по меньшей мере, примерно 10%, предпочтительно, по меньшей мере, примерно 15%, еще более предпочтительно, по меньшей мере, примерно 20%, и/или

б) пористость внутренней стенки (66) сопла изменяется в зависимости от расстояния (50) от первого конца (52) первой секции (32),

причем, прежде всего, пористость, начиная с первого конца (52) первой секции (32), уменьшается в направлении второй секции (34).

9. Агрегат реактивной тяги по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что

а) все первые топливные впускные отверстия (68) расположены или выполнены во внешней стенке (56) сопла и во внутренней стенке (66) сопла, и/или

б) внутренняя стенка (66) сопла и внешняя стенка (56) сопла имеют исключительно первые топливные впускные отверстия (68), и/или

в) внутренняя стенка (66) сопла и/или внешняя стенка (56) сопла выполнены из керамического и/или металлического материала.

10. Агрегат реактивной тяги по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что внутренняя стенка (66) сопла включает в себя несколько внутренних впускных отверстий (76) хладагента и/или что внешняя стенка (56) сопла включает в себя несколько внешних впускных отверстий (76) хладагента для хладагента для охлаждения внутренней стенки (66) сопла и/или внешней стенки (56) сопла,

причем, прежде всего, несколько первых топливных впускных отверстий (68) образуют несколько внутренних впускных отверстий (76) хладагента и/или несколько внешних впускных отверстий (76) хладагента.

11. Агрегат реактивной тяги по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что первая секция (32) полости (28) реактивной тяги на обращенной от второй секции (34) стороне ограничена инжекционной стенкой (126), которая соединяет друг с другом внутреннюю стенку (66) сопла и внешнюю стенку (56) сопла, и что в инжекционной стенке (126) расположена или выполнена, по меньшей мере, часть из нескольких вторых топливных впускных отверстий (128).

12. Агрегат реактивной тяги по п. 11, отличающийся тем, что

а) несколько вторых топливных впускных отверстий (128) расположены или выполнены исключительно в инжекционной стенке (126), и/или

б) инжекционная стенка (126) выполнена в форме кольца для закрытия выполненной в форме кольца кольцевой камеры (46) сгорания, и/или

в) инжекционная стенка (126) включает в себя исключительно вторые топливные впускные отверстия (128), и/или

г) несколько вторых топливных впускных отверстий (128) выполнены в форме каналов, которые имеют обращенные к кольцевой камере (46) сгорания окончания каналов.

13. Агрегат реактивной тяги по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что

а) внутренняя поверхность (60) полости реактивной тяги в направлении внешней поверхности (62) полости реактивной тяги выполнена выпукло-изогнутой или выполнена по существу выпукло-изогнутой, и/или

б) внешняя поверхность (62) полости реактивной тяги в направлении внутренней поверхности полости реактивной тяги (60) выполнена выпукло-изогнутой или выполнена по существу выпукло-изогнутой.

14. Агрегат реактивной тяги по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что камера (10) сгорания реактивной тяги задает продольную ось (14), и что камера (10) сгорания реактивной тяги, прежде всего первая секция (32) и/или вторая секция (34) и/или третья секция (36), выполнены вращательно-симметричными по отношению к продольной оси (14),

причем, прежде всего, внешняя поверхность (62) полости реактивной тяги и/или внутренняя поверхность (60) полости реактивной тяги выполнены вращательно-симметричными по отношению к продольной оси (14).

15. Агрегат реактивной тяги по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что

а) внутренняя поверхность (60) полости реактивной тяги и/или внешняя поверхность (62) полости реактивной тяги, по меньшей мере, частично имеют форму гиперболоида вращения, и/или

б) кольцевая камера (46) сгорания имеет постоянную или по существу постоянную площадь (48) поперечного сечения, и/или

в) площадь (48) поперечного сечения кольцевой камеры (46) сгорания изменяется в зависимости от расстояния (50) от первого конца (52) кольцевой камеры (46) сгорания для образования по меньшей мере одной области (82) смешивания топлива в кольцевой камере (46) сгорания.

16. Агрегат реактивной тяги по одному из предшествующих пунктов, отличающийся

а) первым инжекторным устройством для впрыскивания по меньшей мере одного первого топливного компонента в полость (28) реактивной тяги в направлении (70, 72) поперек, прежде всего перпендикулярно, внутренней поверхности (60) полости реактивной тяги и/или внешней поверхности (62) полости реактивной тяги.

причем, прежде всего, первое инжекторное устройство включает в себя первый насосный агрегат (98) для перекачки по меньшей мере одного первого топливного компонента из первого топливного накопителя (90) в полость (28) реактивной тяги через несколько первых топливных впускных отверстий (68),

и/или

б) вторым инжекторным устройством для впрыскивания по меньшей мере одного второго топливного компонента в первую секцию (32) в направлении (74) параллельно или по существу параллельно касательным к внутренней поверхности (60) полости реактивной тяги и/или внешней поверхности (62) полости реактивной тяги,

причем, прежде всего, второе инжекторное устройство включает в себя второй насосный агрегат (104) для перекачки по меньшей мере одного второго топливного компонента из второго топливного накопителя (92) в первую секцию (32) через несколько вторых топливных впускных отверстий (128).

17. Силовая установка (84), прежде всего для летающего тела (88) или летательного аппарата, включающая в себя агрегат (86) реактивной тяги по одному из предшествующих пунктов.

18. Летающее тело (88) или летательный аппарат, включающее (-ий) в себя первый топливный накопитель (90) по меньшей мере для одного первого топливного компонента, второй топливный накопитель (92) по меньшей мере для одного второго топливного компонента, и силовую установку (84) по п. 17.

19. Способ эксплуатации агрегата (86) реактивной тяги по одному из пп. 1-16, отличающийся тем, что, по меньшей мере, через часть из нескольких первых топливных впускных отверстий (68) в полость (28) реактивной тяги впрыскивают большее количество первого топливного компонента, чем это необходимо для охлаждения внутренней стенки (66) сопла и/или внешней стенки (56) сопла.

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что

а) через несколько первых топливных впускных отверстий (68) впрыскивают, по меньшей мере, более чем двойное количество первого топливного компонента, чем это необходимо для охлаждения внутренней стенки (66) сопла и/или внешней стенки (56) сопла, и/или

б) все количество первого топливного компонента впрыскивают в полость (28) реактивной тяги через несколько первых топливных впускных отверстий (68).