ДЕТОНАЦИОННЫЙ ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ВОЗДУШНОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КРИШТОПА (ДПВРДК) И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДПВРДК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2023 года по МПК F02K7/06 

Изобретение относится к областям: авиационных двигателей для летательных аппаратов, энергетики, машиностроения и двигателестроения и конкретно к устройствам и установкам, в которых рабочее тело используется для создания сверхзвуковой реактивной высокотемпературной плазменной струи в процессе детонационного горения смеси топлива с воздухом для универсального и высокоэффективного использования в различных конструкциях устройств реактивного детонационного горения, например: авиационных двигателей с использованием ДПВРДК, роторных детонационных двигателей, крутящий момент на валу которых формируется реактивной тягой, расположенных по краям ротора ДПВРДК, гибридных детонационных воздушно-реактивных установок, а также в конструкциях устройств детонационного высокоэффективного сжигания топлива в энергетических ПГУ высокой эффективности и экологии, а также других устройствах различного назначения и в разных областях применения.

Из уровня техники известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) в виде прямолинейного канала с входным клапаном, и его разновидности: бесклапанный и детонационный. В детонационных ПуВРД горение топливной смеси происходит в режиме детонации (в отличие от дефлаграции, которая имеет место при горении топливно-воздушных смесей в клапанном и бесклапанном ПуВРД). Детонационная волна распространяется в топливной смеси гораздо быстрее, чем звуковая, поэтому за время химической реакции детонационного горения объем топливной смеси не успевает существенно увеличиться, а давление возрастает скачкообразно (до значений свыше 100 ат), таким образом, имеет место изохорический (при постоянном объеме) нагрев рабочего тела. После этого начинается фаза расширения рабочего тела в сопле с образованием реактивной струи. Потенциальным преимуществом детонационного ПуВРД считается термический КПД более высокий, чем в ВРД любого другого типа. Известны схемы детонационного горения - условно называемые «клапанная» и «бесклапанная» для пульсирующих двигателей и так называемая «спиновая» схема для ротационных детонационных двигателей отличающуюся от пульсирующих тем, что детонационное горение топливной смеси в них происходит непрерывно - фронт горения перемещается в кольцевой камере сгорания, в которой топливная смесь постоянно обновляется в «двигателях непрерывной детонации». Потенциальным преимуществом детонационного ПуВРД считается термический КПД более высокий, чем в ВРД любого другого типа. Однако в настоящее время серийно не выпускается и практическая реализация конструкции детонационного ПуВРД, предположительно находится в стадии эксперимента, НИР и ОКР.

Из уровня техники известно, что детонационное горение также возникает при объемном взрыве, представляющем собой неконтролируемое выделение большого запаса энергии газовой или аэрозольной смеси горючих веществ и окислителя, заполняющих ограниченное пространство, при определенном соотношении горючего и окислителя и наличия инициирующего импульса и, например, для смеси природного газа с воздухом в пределах доли природного газа 3,80 - 17,0% создаются условия для образования объемного взрыва. Однако в настоящее время неизвестна конструкция детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, использующего детонационное горение, имеющее место при объемном взрыве в соответствии с Л[1-5].

Таким образом, присутствует актуальная задача создания детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя использующего детонационное горение, имеющее место при объемном взрыве.

Задачей достижения технического результата, на который направлено заявленное изобретение, является создание детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, использующего в рабочем цикле детонационное горение, имеющее место при объемном взрыве.

Указанная задача (достижение технического результата) решается тем, что предложен Детонационный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, по пункту 1 формулы изобретения.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложен Детонационный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, по пункту 2 формулы изобретения.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложен Детонационный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, по пункту 3 формулы изобретения.

Технический результат достигается также в способе функционирования Детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, по пункту 4 формулы изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 и Фиг. 4.

На чертеже Фиг. 1 представлена функциональная схема варианта исполнения дозвукового Детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя в режиме впуска топливовоздушной смеси, где: 1 - направление набегающего потока воздуха, 2 - трубопровод, 3 - переключающий двухлепестковый шибер в положении открытого впускного окна 19 нерегулируемого дозвукового воздухозаборника 18 и закрытого выпускного окна 20, 4 - торсион с регулируемым начальным моментом закручивания, 5 - свеча зажигания и/или детонационная трубка системы зажигания, 6 - датчик массового расхода входящего воздуха, 7 - топливная форсунка системы подачи топлива, 8 - направление перемешивания топливовоздушной смеси, 9 - детонационная камера объемного взрыва, 10 - основное выходное реактивное сопло, 11 - торсион с регулируемым начальным моментом закручивания, 12 - верхний однолепестковый шибер в положении закрытого выхода основного выходного реактивного сопла 10, 13 - нижний однолепестковый шибер в положении закрытого выхода основного выходного реактивного сопла 10, 14 - торсион с регулируемым начальным моментом закручивания, 22 - принудительный привод закрытия впускного окна 19 переключающим двухлепестковым шибером 3, блок управления на эскизе не показан.

На чертеже Фиг. 2 представлена функциональная схема варианта исполнения дозвукового Детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя в момент инициирующего импульса объемного взрыва 17 и в режиме выпуска выхода основного потока выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва в направлении 16, где: под действием ударной детонационной волной в открытом положении верхний однолепестковый шибер 12 и нижний однолепестковый шибер 13, и переключающий двухлепестковый шибер 3 в положении закрытого впускного окна 19 нерегулируемого дозвукового воздухозаборника 18 и открытого выпускного окна 20, в функции отвода дополнительной части выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва в направлении 15, параллельном направлению 16, блок управления на эскизе не показан.

На чертеже Фиг. 3 представлена функциональная схема варианта исполнения сверхзвукового Детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя в режиме впуска топливовоздушной смеси, где: 1 - направление набегающего потока воздуха, 2 - трубопровод, 3 - переключающий двухлепестковый шибер в положении закрытого выпускного окна 20 и открытого впускного окна 19 регулируемого сверхзвукового воздухозаборника 23, центральное тело 21 которого изменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы, 4 - торсион с регулируемым моментом закручивания, 5 - свеча зажигания и/или детонационная трубка системы зажигания, 6 - датчик массового расхода входящего воздуха, 7 - топливная форсунка системы подачи топлива, 8 - направление перемешивания топливовоздушной смеси, 9 - детонационная камера объемного взрыва, 10 - основное выходное реактивное сопло, 11 - торсион с регулируемым моментом закручивания, 12 - верхний однолепестковый шибер в положении закрытого выхода основного выходного реактивного сопла 10, 13 - нижний однолепестковый шибер в положении закрытого выхода основного выходного реактивного сопла 10, 14 - торсион с регулируемым моментом закручивания, 22 - принудительный привод закрытия впускного окна 19 переключающим двухлепестковым шибером 3, блок управления на эскизе не показан.

На чертеже Фиг. 4 представлена функциональная схема варианта исполнения сверхзвукового Детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя в момент инициирующего импульса объемного взрыва 17 и в режиме выпуска выхода основного потока выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва в направлении 16, где: под действием ударной детонационной волной в открытом положении верхний однолепестковый шибер 12 и нижний однолепестковый шибер 13, и переключающий двухлепестковый шибер 3 в положении закрытого впускного окна 19 регулируемого сверхзвукового воздухозаборника 23, центральное тело 21 которого изменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы, и открытого выпускного окна 20, в функции отвода дополнительной части выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва в направлении 15, параллельном направлению 16, блок управления на эскизе не показан.

Для всех вариантов исполнения Детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (далее - ДПуВРД) предпочтительная форма детонационной камеры объемного взрыва 9 в виде сферы, а трубопровод 2 и основное выходное реактивное сопло 10 выполнены в виде предпочтительной коробчатой формы прямоугольного сечения. Принудительный привод 22 закрытия впускного окна 19 переключающим двухлепестковым шибером 3, выполнен, например, в виде электромагнита с подвижным сердечником с регулируемой длиной хода штока, достаточной для принудительного поворота переключающего двухлепесткового шибера 3 в положение закрытия впускного окна 19 и отрытого выпускного окна 20 на Фиг. 2. Регулируемый начальный момент закручивания торсиона 4 и торсионов 11, 14 настроен на величину, обеспечивающую положение всех шиберов 3, 12 и 13 согласно Фиг. 1 без действия детонационной волны, но достаточную для изменения положения всех шиберов 3, 12 и 13 согласно Фиг. 2 под действием детонационной волны выхлопных газов объемного взрыва топливовоздушной смеси в детонационной камере объемного взрыва 9. Для обеспечения оптимального температурного режима работы ДПуВРД могут использоваться любые известные системы охлаждения двигателей, например естественное воздушное охлаждение.

Работа варианта исполнения дозвукового ДПуВРД по схемам на чертежах Фиг. 1 и Фиг. 2 осуществляется следующим образом. В исходном положении ДПуВРД в составе летательного аппарата (ЛА) неподвижен и установлен, например, на катапульте, с полностью заправленными топливными баками системы подачи топлива (на эскизе не показаны). Принудительный привод 22 закрытия впускного окна 19, системы подачи топлива и система зажигания отключены и переключающий двухлепестковый шибер 3 находится в положении открытого впускного окна 19 нерегулируемого дозвукового воздухозаборника 18 и закрытого выпускного окна 20 под действием торсиона 4 с регулируемым начальным моментом закручивания, а также верхний однолепестковый шибер 12 и нижний однолепестковый шибер 13 в положении закрытого выхода основного выходного реактивного сопла 10 Фиг. 1. Затем блок управления включает принудительный привод 22 закрытия впускного окна 19 и открытия выпускного окна 20 переключающим двухлепестковым шибером 3 в положение Фиг. 2. Далее включают катапульту и ДПуВРД в составе ЛА разгоняют до начальной скорости, достаточной для включения в работу ДПуВРД в составе ЛА. За счет эжекции через открытое выпускное окно 20 при начальной скорости ДПуВРД в составе ЛА, в детонационной камере объемного взрыва 9 возникает определенное разрежение, формирующее соответствующий сигнал датчика массового расхода входящего воздуха 6 и блок управления выключает принудительный привод 22. Соответственно открывается впускное окно 19 с закрытием выпускного окна 20 при изменении положения переключающего двухлепесткового шибера 3 в положение Фиг. 1 и скоростной напор набегающего воздуха поступает по трубопроводу 2 в детонационную камеру объемного взрыва 9. По соответствующему сигналу датчика массового расхода входящего воздуха 6 блок управления включает подачу топлива через топливную форсунку 7 системы подачи топлива в детонационную камеру объемного взрыва 9 при закрытом положении верхнего однолепесткового шибера 12 и нижнего однолепесткового шибера 13. Таким образом, блок управления формирует качественный состав топливовоздушной смеси в детонационной камере объемного взрыва 9, соответствующий условиям образования объемного взрыва - например, для топлива природный газ это соотношение смеси природного газа с воздухом в пределах доли природного газа 3,80 - 17,0%. Далее блок управления подает инициирующий импульс 17 от свечи зажигания и/или детонационной трубки 5 системы зажигания Фиг. 2, формируя таким образом, объемный взрыв топливовоздушной смеси в детонационной камере объемного взрыва 9. Под действием детонационной волны открываются одновременно верхний однолепестковый шибер 12 и нижний однолепестковый шибер 13, а также изменяет свое положение переключающий двухлепестковый шибер 3 в положение закрытого впускного окна 19 нерегулируемого дозвукового воздухозаборника 18 и открытого выпускного окна 20, обеспечивая таким образом, комплексную реактивную тягу за счет выхода выхлопных газов детонационного горения объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва в направлении 15 и в направлении 16 Фиг. 2. После выхода выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва и создания разрежения под действием эжекции набегающего потока воздуха и под действием торсиона 4 с регулируемым начальным моментом закручивания изменяет свое положение переключающий двухлепестковый шибер 3 в положение открытого впускного окна 19 нерегулируемого дозвукового воздухозаборника 18 и закрытого выпускного окна 20 Фиг. 1 и возвращаются в закрытое положение верхний однолепестковый шибер 12 и нижний однолепестковый шибер 13 под действием торсиона 11 и торсиона 14 с регулируемым начальным моментом закручивания Фиг. 1. И далее вышеописанный пульсирующий цикл работы ДПуВРД повторяется, а частота пульсаций зависит от размеров ДПуВРД.

Работа варианта исполнения сверхзвукового ДПуВРД по схемам на чертежах Фиг. 3 и Фиг. 4, отличается от дозвукового ДПуВРД, описанного по схемам на чертежах Фиг. 1 и Фиг. 2 только наличием регулируемого сверхзвукового воздухозаборника 23, например, в виде осесимметричного, центральное тело 21 которого изменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях, и осуществляется следующим образом. Перед запуском в работу ДПуВРД осесимметричный регулируемый сверхзвуковой воздухозаборник 23 с центральным телом 21 переводятся в режим работы на дозвуковых скоростях и алгоритм запуска и работы ДПуВРД аналогичен вышеописанному по схемам на чертежах Фиг. 1 и Фиг. 2. При достижении околозвуковых и сверхзвуковых скоростей полета снижение давления набегающего потока воздуха в трубопроводе 2 до дозвукового обеспечивается регулированием положения и изменяемой формой центрального тела 21 осесимметричного регулируемого сверхзвукового воздухозаборника 23 Фиг. 3 и общий алгоритм работы ДПуВРД аналогичен вышеописанному по схемам на чертежах Фиг. 1 и Фиг. 2.

Таким образом, вышеописанное изобретение можно отнести к новой схеме условно называемой «шиберной» - дополнительно к известным схемам детонационного горения -условно называемым «спиновая», «клапанная» и «бесклапанная» для пульсирующих реактивных двигателей.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является создание детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, использующего в рабочем цикле детонационное горение, имеющее место при объемном взрыве.

Литература:

1. Елистратов Нечаев Ю.Н. Новый тип двигателя с периодическим сгоранием топлива - пульсирующий детонационный двигатель / Ю.Н. Нечаев // Вестн. академии наук авиации и космонавтики. - №2. - 2002. - С. 28-32.

2. Курант Г. Сверхзвуковое течение и ударные волны/ Г. Курант, К. Фридрихс - М.; ИИЛ, 1950. - С. 426.

3. А.А. Васильев. Особенности применения детонации в двигательных установках, с. 129, 141-145.

4. Ф.А. Быковский и др. Инициирование детонации в потоках водородно-воздушных смесей, с. 521-539 / Импульсные Детонационные Двигатели. Под редакцией д.ф.м.н. С.М. Фролова. ТОРУС-ПРЕСС, М., 2006).

5. Инициирование газовой детонации электрическими разрядами / Импульсные Детонационные Двигатели. Под редакцией д.ф.м.н. С.М. Фролова. ТОРУС-ПРЕСС, 2006, М., с. 235-254.

Изобретение относится к областям: авиационных двигателей для летательных аппаратов, энергетики, машиностроения и двигателестроения и конкретно к устройствам и установкам, в которых рабочее тело используется для создания сверхзвуковой реактивной высокотемпературной плазменной струи в процессе детонационного горения смеси топлива с воздухом для универсального и высокоэффективного использования в различных конструкциях устройств реактивного детонационного горения, например: авиационных двигателей с использованием ДПВРДК, роторных детонационных двигателей, крутящий момент на валу которых формируется реактивной тягой, расположенных по краям ротора ДПВРДК, гибридных детонационных воздушно-реактивных установок, а также в конструкциях устройств детонационного высокоэффективного сжигания топлива в энергетических ПГУ высокой эффективности и экологии, а также других устройствах различного назначения и в разных областях применения. Изобретение можно отнести к совершенно новой схеме условно называемой «шиберной» - дополнительно к известным схемам детонационного горения - условно называемым «спиновая», «клапанная» и «бесклапанная» для пульсирующих реактивных двигателей. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Детонационный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, использующий детонационное горение, имеющее место при объемном взрыве, характеризующийся тем, что включает в себя блок управления, детонационную камеру объемного взрыва с основным выходным реактивным соплом, на выходе которого установлено шиберное устройство, как минимум, с двумя однолепестковыми шиберами, которые закреплены на торсионах с регулируемым моментом закручивания, имеющие возможность закрываться для предотвращения доступа внешнего воздуха при заполнении топливовоздушной смесью детонационной камеры объемного взрыва и открываться в момент выхода основного потока выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва, как минимум, одну систему шиберного устройства впуска-выпуска, конструктивно объединенную с нерегулируемым дозвуковым воздухозаборником, содержащую трубопровод, с закрепленным на торсионе, с регулируемым моментом закручивания, переключающим двухлепестковым шибером на два положения для функции подачи набегающего потока воздуха в детонационную камеру объемного взрыва через открываемое переключающим двухлепестковым шибером окно впуска со стороны дозвукового воздухозаборника и для функции отвода дополнительной части выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва через открываемое переключающим двухлепестковым шибером окно выпуска в направлении вектора тяги основного выходного реактивного сопла, и в трубопроводе которой установлены датчик массового расхода входящего воздуха и, как минимум одна, топливная форсунка системы подачи топлива, и при этом во внутреннем объеме детонационной камеры объемного взрыва установлена свеча зажигания и/или детонационная трубка системы зажигания для создания инициирующего импульса объемного взрыва.

2. Детонационный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, использующий детонационное горение, имеющее место при объемном взрыве, характеризующийся тем, что включает в себя блок управления, детонационную камеру объемного взрыва с основным выходным реактивным соплом, на выходе которого установлено шиберное устройство, как минимум, с двумя однолепестковыми шиберами, которые закреплены на торсионах с регулируемым моментом закручивания, имеющие возможность закрываться для предотвращения доступа внешнего воздуха при заполнении топливовоздушной смесью детонационной камеры объемного взрыва и открываться в момент выхода основного потока выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва, как минимум, одну систему шиберного устройства впуска-выпуска, конструктивно объединенную с регулируемым сверхзвуковым воздухозаборником, имеющим возможность эффективно работать на дозвуковых и сверхзвуковых скоростях, содержащую трубопровод, с закрепленным на торсионе, с регулируемым моментом закручивания, переключающим двухлепестковым шибером на два положения для функции подачи набегающего потока воздуха в детонационную камеру объемного взрыва через открываемое переключающим двухлепестковым шибером окно впуска со стороны сверхзвукового воздухозаборника и для функции отвода дополнительной части выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва через открываемое переключающим двухлепестковым шибером окно выпуска в направлении вектора тяги основного выходного реактивного сопла, и в трубопроводе, которой установлены датчик массового расхода входящего воздуха и, как минимум одна, топливная форсунка системы подачи топлива, и при этом во внутреннем объеме детонационной камеры объемного взрыва установлена свеча зажигания и/или детонационная трубка системы зажигания для создания инициирующего импульса объемного взрыва.

3. Детонационный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что содержит систему охлаждения и/или, как минимум две, системы подачи разного топлива, топливовоздушная смесь которого способна к образованию объемного взрыва.

4. Способ функционирования Детонационного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя по п. 1 или 2 (далее - ДПуВРД), заключающийся в принудительном создании начального разрежения в детонационной камере объемного взрыва перед запуском в работу для последующей периодической подачи строго дозированной топливовоздушной смеси в детонационную камеру объемного взрыва, состав которой строго соответствует условиям возникновения объемного взрыва, в замкнутом объеме при наличии инициирующего импульса, продукты детонационного горения топливовоздушной смеси которого обеспечивают периодическую реактивную тягу ДПуВРД.