Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель Российский патент 2023 года по МПК F02K7/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям (ПуВРД) и может быть использовано в качестве силовой установки летательного аппарата.

Из патента RU 2443893, МПК F02K 7/04, публ. 27.02.2012, БИ №6, известен ПуВРД, включающий аэродинамический клапан (аэродинамический диод), запальную свечу, камеру сгорания, выхлопную трубу-резонатор, топливную трубку, через которую в камеру сгорания в момент отрицательной полуволны давления подсасывается топливо.

Недостатком известного ПуВРД является относительно невысокий уровень пульсаций давления в камере сгорания, а также возникновение отрицательной тяги из-за встречной струи, истекающей через аэродинамический клапан в момент положительной пульсации давления в камере сгорания.

Выше названный недостаток отсутствует в ПуВРД известном из патента на полезную модель RU 48368U1, МПК F02K 7/067, публ. 10.10.2005, БИ №28. Однако этот ПуВРД не позволяет достичь большой скорости полета из-за ухудшения процесса всасывания воздуха через аэродинамический клапан из-за донного разрежения при обтекании клапана спутным потоком. Этот ПуВРД так же характеризуется относительно низким уровнем пульсаций давления в камере сгорания и, как следствие, невысоким тяговым импульсом.

Значительно большей интенсивностью пульсаций давления в камере сгорания и более высоким коэффициентом полезного действия характеризируется ПуВРД с механическим клапаном, который является ближайшим аналогом (прототипом), известным из патента DE 523655 (С), публ. 25.04.1931, МПК F02K 7/06. Этот ПуВРД известен как "Труба Шмидта". ПуВРД данной компоновки производился компанией "ARGUS MOTOREN" под маркой Argus as-014 и устанавливался на крылатых ракетах V-1 во время Великой отечественной войны. Клапанное устройство данного ПуВРД выполнено в виде решетки механических клапанов.

Недостатком рассматриваемого ПуВРД является то, что решетка механических клапанов находится вблизи зоны пламени камеры сгорания и срок ее службы весьма ограничен. Это не позволяет использовать данный ПуВРД для летательных аппаратов с длительным временем полета, а также применять его многократно. Недостатком прототипа является также и то, что запальная свеча располагается в камере сгорания и омывается горячими продуктами сгорания.

Технический задачей изобретения является увеличение долговечности работы ПуВРД, при одновременном повышении удельно-импульсных характеристик.

Технической результат заключается в уменьшении влияния высоких значений температуры горения топливных компонентов на решетку механических клапанов расположенных в передней части ПуВРД, а также запальную свечу зажигания, что увеличивает срок их службы.

Технический результат достигается тем, что в известном ПуВРД, содержащем смонтированную в воздухозаборнике решетку механических клапанов, камеру сгорания цилиндрической формы, выхлопную трубу-резонатор, свечу зажигания, топливную трубку трубопровода подачи топлива, между клапанной решеткой и камерой сгорания выполнен конфузорный канал, при этом топливная трубка установлена в конфузорном канале, а запальная свеча расположена в его конце. Предпочтительно площадь проходного сечения конфузорного канала составляем 1/4-1/6 площади поперечного сечения камеры сгорания, а его длина находится в диапазоне 2,5-3 его диаметра. Конфузорный канал может иметь круглое или кольцевое поперечное сечение. Решетка механических клапанов может быть смонтирована поперечно на входе в воздухозаборник, или вдоль воздухозаборника, на внешней стороне открытого с обоих концов цилиндрического патрубка, соосно установленного внутри воздухозаборника. На входе в камеру сгорания, соосно конфузорному каналу, перед запальной свечой, может быть установлен стабилизатор режима пульсаций горения, который может быть выполнен в виде выходного конца цилиндрического патрубка.

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 прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительные варианты реализации, на которых показаны схемы предлагаемого ПуВРД.

На фиг. 1 показана конструкция заявляемого ПуВРД.

На фиг. 2 показан возможный вариант конструктивного исполнения ПуВРД.

На фиг. 3 показан еще один возможный вариант конструктивного исполнения ПуВРД.

На фиг. 1-3 позициями на чертежах показано:

1 - смонтированная в воздухозаборнике решетка механических клапанов,

2 - свеча зажигания,

3 - камера сгорания,

4 - выхлопная труба-резонатор,

5 - топливная трубка,

6 - конфузорный канал,

7 - стабилизатор режима пульсаций горения,

8 - центральное тело,

9 - цилиндрический патрубок.

ПуВРД, содержит смонтированную в воздухозаборнике решетку механических клапанов 1, камеру сгорания 3 цилиндрической формы, выхлопную трубу-резонатор 4, свечу зажигания 2, топливную трубку 5 трубопровода подачи топлива. Между решеткой механических клапанов 1 и камерой сгорания 3 выполнен конфузорный канал 6, при этом топливная трубка 5 установлена в конфузорном канале 6, а свеча зажигания 2 расположена в его конце. Предпочтительно площадь проходного сечения конфузорного канала 6 составляем 1/4-1/6 площади поперечного сечения камеры сгорания 3, а его длина находится в диапазоне 2,5-3 его диаметра. Конфузорный канал 6 может иметь круглое, фиг. 1, или кольцевое, фиг. 2 и 3, поперечное сечение, где оно образовано, соответственно, внешней поверхностью центрального тела 8 и цилиндрического патрубка 9. Решетка механических клапанов 1 может быть смонтирована поперечно на входе в воздухозаборник, или вдоль воздухозаборника, на внешней стороне открытого с обоих концов цилиндрического патрубка 9, соосно установленного внутри воздухозаборника. На входе в камеру сгорания 3, соосно конфузорному каналу 6, перед свечой зажигания 2, может быть установлен стабилизатор 7 режима пульсаций горения, который может быть выполнен в виде выходного конца цилиндрического патрубка 9.

Наличие конфузорного канала 6 обеспечивает увеличение скорости воздуха, поступающего в камеру сгорания 3 и "отодвигает" зону горения от решетки механических клапанов 1. В результате этого механические клапаны не подвергаются воздействию горячих продуктов горения и их срок службы становится практически неограниченным. Они могут быть выполнены из стеклопластика и других эластичных материалов. Заметим, что в прототипе, клапаны выполнены из жаропрочной стали. ПуВРД, приведенный на Фиг. 1, работает следующим образом. От внешнего источника со стороны воздухозаборника перед решеткой механических клапанов 1 кратковременно подается пусковой воздух. Одновременно через топливную трубку 5 впрыскивают топливо, которое смешиваясь с воздухом образует топливо-воздушную смесь, которая попадает в камеру сгорания 3. Топливно-воздушная смесь в первоначальный момент воспламеняется от свечи зажигания 2. Для обеспечения надежного режима пульсирующего горения перед камерой может быть установлен стабилизатор 7. После выхода ПуВРД на рабочий режим отключается свеча зажигания 2 и топливо-воздушная смесь самовоспламеняется от горячих газов в камере сгорания 3.

При самовоспламенении топливно-воздушной смеси, происходит резкое повышение давления в камере сгорания 3, механические клапаны 1 закрываются и продукты сгорания устремляются через выхлопную трубу-резонатор 4 в окружающую среду в виде реактивной струи. Внутри трубы-резонатора 4 столб газа в дальнейшем создает разрежение в камере сгорания 3, механические клапаны 1 открываются и в камеру сгорания 3 поступает воздух, который при смешении с топливом вновь самовоспламеняется. Горение и создание реактивной силы происходит периодически в колебательном режиме. Частота автоколебаний соответствует четвертьволновому резонатору и определяется как отношение скорости звука в камере сгорания 3 к четырем длинам проточной части двигательной установки. Для ПуВРД длиной ~1,4 м эта частота соответствует ~100 гц.

Предлагаемый ПуВРД работает как на жидком (керосин, бензин), так и на газовом топливе (метан, пропан-бутан и др).

Опытный образец предлагаемого ПуВРД был испытан в отделе специальных двигателей КНИТУ-КАИ. Испытания показали, что решетка механических клапанов 1 имеет температуру окружающего воздуха. ПуВРД показал также довольно высокие удельно-импульсные характеристики, которые позволяют разогнать летательный аппарат до скоростей 700…800 км/ч. Опыты показали, что с увеличением скоростей полета расход воздуха через проточную часть ПуВРД возрастает, что в свою очередь приводит к увеличению тяги.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям (ПуВРД), и может быть использовано в качестве силовой установки летательного аппарата. ПуВРД содержит смонтированную в воздухозаборнике решетку механических клапанов, камеру сгорания цилиндрической формы, выхлопную трубу-резонатор, свечу зажигания, топливную трубку трубопровода подачи топлива. Отличительной особенностью является то, что между клапанной решеткой и камерой сгорания выполнен конфузорный канал, при этом топливная трубка установлена в конфузорном канале, а запальная свеча расположена в его конце. Конфузорный канал может иметь круглое или кольцевое поперечное сечение. Решетка механических клапанов может быть смонтирована поперечно или продольно на входе в воздухозаборник. На входе в камеру сгорания, соосно конфузорному каналу, перед запальной свечой, может быть установлен стабилизатор режима пульсаций горения. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД), содержащий смонтированную в воздухозаборнике решетку механических клапанов, камеру сгорания цилиндрической формы, выхлопную трубу-резонатор, свечу зажигания, топливную трубку трубопровода подачи топлива, отличающийся тем, что между клапанной решеткой и камерой сгорания выполнен конфузорный канал, при этом топливная трубка установлена в конфузорном канале, а запальная свеча расположена в его конце.

2. ПуВРД по п. 1, отличающийся тем, что конфузорный канал имеет круглое поперечное сечение.

3. ПуВРД по п. 1, отличающийся тем, что конфузорный канал имеет кольцевое поперечное сечение.

4. ПуВРД по п. 1, отличающийся тем, что решетка механических клапанов смонтирована поперечно на входе в воздухозаборник.

5. ПуВРД по п. 1, отличающийся тем, что решетка механических клапанов смонтирована вдоль воздухозаборника, на внешней стороне открытого с обоих концов цилиндрического патрубка, соосно установленного внутри воздухозаборника.

6. ПуВРД по п. 1, отличающийся тем, что на входе в камеру сгорания, соосно конфузорному каналу, перед запальной свечой, установлен стабилизатор режима пульсаций горения.

7. ПуВРД по п. 6, отличающийся тем, что стабилизатор режима пульсаций давления выполнен в виде выходного конца цилиндрического патрубка.