Форкамерный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель Российский патент 2021 года по МПК F02K7/67 

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.

Известны конструкции пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (далее ПуВРД), в составе которых применены аэродинамические клапаны, см. "Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели", под ред. К.В. Мигалина, - Тольятти: Изд-во ТГУ,2014 г, с 81. Кроме того, ПуВРД, в которых использованы аэродинамические клапаны подробно 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 значительными потерями топлива, выбрасываемого из впускной системы.

Известно 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 первого и второго смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива. На входе во второй смеситель рассматриваемого ДЭПуВРД установлена кольцевая обечайка длиной 0,3-0,5 калибра второго смесителя, а резонаторная труба выполнена с перфорацией профилированными отверстиями в зоне примыкания к камере сгорания и частичным диффузорным раскрытием, расположенным в аэродинамической тени за камерой сгорания, при этом внутри входного участка первого смесителя установлен треугольный канал длиной от 0,1 до 0,5 длины первого смесителя. Оба воздушных клапана аэродинамические.

В рассмотренном форсированном двухконтурном эжекторном ПуВРД, путем его конструктивной доработки, имеются возможности повышения термодинамического КПД (коэффициента полезного действия) и, соответственно, снижения удельного расхода топлива.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано известное устройство форсированного двухконтурного эжекторного ПуВРД защищенного патентом на изобретение RU 2717479, СПК F02K 7/067 (2020.01), опубликованным 23.03.2020, БИ №9. Рассматриваемый ПуВРД содержит, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первого и второго смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива, змеевик нагрева топлива и резонаторную трубу с частичным диффузорным раскрытием. Одной из отличительных особенностей рассмотренного ближайшего аналога (прототипа) является то, что на задней стенке камеры сгорания закреплен козырек, выполненный в виде гребенки, в котором имеются сквозные прорези, удаленные от задней стенки камеры сгорания и способствующие образованию плоских струй потока. Эти горящие струи пролетают в нижнюю часть резонаторной или выпускной трубы, минуя при этом рециркуляционную зону и слабо влияя на поджиг находящейся там топливо-воздушной смеси.

В ближайшем аналоге, путем конструктивной доработки закрепленного на задней стенке камеры сгорания козырька имеется возможность создания за ним круглого струйного течения и организации форкамерного процесса сгорания в рециркуляционной зоне, с доведением его до сферической детонации.

Технический результат, достигаемый в результате реализации предполагаемого изобретения, заключается в повышении термодинамического КПД за счет форкамерного зажигания рециркуляционной зоны.

Техническая задача решается путем интенсификации процесса горения в камере сгорания и входной части резонаторной трубы, путем формирования факела горящего топлива с подачей его в рециркуляционную зону с целью сферического воспламенения топлива и получения сферической детонации.

Указанный технический результат, при осуществлении предполагаемого изобретения, достигается тем, что, в известном из ближайшего аналога ПуВРД, содержащего, в частности, камеру сгорания, на задней стенке которой смонтирован козырек, снабженный средством формирования газового потока, впускную систему из первой и второй труб смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива, змеевик нагрева топлива, резонаторную трубу, средство формирования газового потока выполнено в виде, по крайней мере, одного сквозного отверстия, размещенного вблизи задней стенки камеры сгорания, на которой смонтирована дополнительная топливная форсунка, сопло которой направлено в сторону названного отверстия по течению газового потока. При этом, ширина отверстия не превышает величины половины ширины козырька. А образующая сквозного отверстия может быть частично образована задней стенкой камеры сгорания.

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 форкамерный ПуВРД.

На фиг. 2 показан вид -А- в плане на возможный вариант конструктивного исполнения козырька, с двумя круглыми отверстиями, закрепленного на задней стенке камеры сгорания (повернуто, увеличено).

На фиг. 3 показан вид -А- в плане на возможный вариант конструктивного исполнения козырька, с одним овальным отверстием, образующая которого частично образована задней стенкой камеры сгорания, (повернуто, увеличено).

На фиг. 4 показан вид -А- в плане на возможный вариант конструктивного исполнения козырька, с двумя овальными отверстиями, закрепленного на задней стенке камеры сгорания (повернуто, 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 - отвестия в козырьке

Поз 17 - форсунка

Поз 18 - рециркуляционная зона

Форкамерный ПуВРД, 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. Козырек 7 закреплен на задней торцевой стенке 8 камеры сгорания 6. В козырьке 7 выполнено отверстие 16. Не исключается вариант, когда отверстий 16 может быть несколько. Над козырьком 7 установлена форсунка 17. За козырьком 7 организована рециркуляционная зона 18.

Форкамерный ПуВРД работает следующим образом: нагретое топливо из змеевика 15 распыляется соплом подачи газа 1 и набегающим воздухом через впускные трубы-смесители 2 и 4 поступает в камеру сгорания 6 в которой происходит зажигание топлива.

Под действием набегающего воздуха горящие газы устремляются в резонаторную трубу 9. При этом, движение горячих газов наблюдается только в нижней части резонаторной трубы 9. В верхней части резонаторной трубы 9 возникает рециркуляционную зону 18, то есть остановка потока. При сгорании топливо-воздушной смеси в нижней части резонаторной трубы 9 происходит увеличение температуры и давления. Для увеличения скорости сгорания в форкамерном ПуВРД и, как следствие, повышения его тяги, необходимо с помощью форкамерного зажигания поджечь ТВС, находящуюся в рециркуляционной зоне 18. Это позволяет появится еще одному очагу горения (сферическое распространение пламени). Здесь также повышается температура и давление. Это, в свою очередь, приводит к появлению ударной волны. Т.е. в резонаторной трубе 9 организуется два очага воспламенения, с образованием двух зон горения, при соударении которых появляется разрыв и, как следствие, детонационное сгорание топлива.

В рециркуляционной зоне 18 организуется очаговый взрыв (неоднородное тепловое воспламенение) в волне сжатия перед фронтом горения после окончания периода индукции («взрыв внутри взрыва»). Горение способно ускорятся, когда происходит зажигание газа в точке, расположенного в середине объема покоящегося газа. Ускорение горения происходит за счет турбулизации. Источником турбулентности пламени служит неустойчивость нормального фронта пламени к бесконечно малым возмущениям. Критерием ускорения служит потеря устойчивости нормального пламени, появляется ударная волна

Таким образом, в сравнении с ближайшим аналогом (прототипом), в предлагаемом форкамерном ПуВРД, замена сквозных прорезей в козырьке, удаленных от задней стенки камеры сгорания 8, способствующих образованию плоских струй потока, на круглые отверстия 16, обеспечивает возникновение круглой струи горящей топливо-воздушной смеси и подачу ее в рециркуляционную зону 18 за козырьком 7 в резонаторную трубу 9. Увеличение мощности горящей струи обеспечивается форсункой 17, размещенной над козырьком 7. Таким образом, в заявляемом ПуВРД организуется форкамерное зажигание.

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 воздушно-реактивным двигателям летательных аппаратов и может быть использовано в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов. Форкамерный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель содержащий, в частности, камеру сгорания 6, на задней стенке которой смонтирован козырек 7, снабженный средством формирования газового потока, впускную систему из первой 2 и второй 4 труб смесителей, аэродинамические клапаны 13, топливный коллектор и сопло подачи топлива 1, змеевик нагрева топлива 12, резонаторную трубу 9. Отличительной особенностью является то, что средство формирования газового потока выполнено в виде, по крайней мере, одного сквозного отверстия 16 размещенного вблизи задней стенки камеры сгорания 6, на которой смонтирована дополнительная топливная форсунка 17, сопло которой направлено в сторону названного отверстия 16 по течению газового потока. Ширина отверстия не превышает величины половины ширины козырька. Образующая сквозного отверстия может быть частично образована задней стенкой камеры сгорания. Техническое решение позволяет повысить термодинамический КПД за счет форкамерного зажигания рециркуляционной зоны. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Форкамерный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ФПуВРД), содержащий, в частности, камеру сгорания, на задней стенке которой смонтирован козырек, снабженный средством формирования газового потока, впускную систему из первой и второй труб смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива, змеевик нагрева топлива, резонаторную трубу, отличающийся тем, что средство формирования газового потока выполнено в виде, по крайней мере, одного сквозного отверстия, размещенного вблизи задней стенки камеры сгорания, на которой смонтирована дополнительная топливная форсунка, сопло которой направлено в сторону названного отверстия по течению газового потока.

2. Форкамерный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ФПуВРД) по п. 1, отличающийся тем, что ширина отверстия не превышает величины половины ширины козырька.

3. Форкамерный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ФПуВРД) по п. 1, отличающийся тем, что образующая сквозного отверстия частично образована задней стенкой камеры сгорания.