Прямоточный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель с газодинамическими диодами Российский патент 2023 года по МПК F02K7/67 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям (ПуВРД) и может быть использовано в качестве силовой установки авиационного летательного аппарата, также может быть использовано в качестве силовой установки, например беспилотных разведчиков, летающих мишеней, барражирующих боеприпасов.

Известен способ продувки пульсирующего воздушно-реактивного двигателя немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с. 19, 20). Он реализуется на основе применения клапанной решетки на входе в камеру сгорания. Главным достоинством способа продувки ПуВРД, основанного на применении механических клапанных решеток, являются высокое газодинамическое сопротивление продуктам сгорания, пытающимся прорваться навстречу набегающему потоку при взрыве в камере сгорания.

Недостаток - сопротивление свежему потоку при входе в камеру сгорания, что ведет к невысокому цикловому наполнению и, как следствие, к низкой удельной и лобовой тяге при больших скоростях полета. Но основной их недостаток - малый ресурс, не более 60 минут.

Известен ПуВРД (патент РФ №48368, МПК F02K 7/067, опубл. 10.10.2005), включающий в себя камеру сгорания длинной 1,5-2,0 ее диаметра, имеющей цилиндрическую форму круглого сечения с плоской или специальной формы передней стенкой и плоской задней стенкой, выхлопную трубу диаметром 0,5 диаметра камеры сгорания, состоящую из цилиндрической части и расширяющегося конуса, передним концом сопряженную с задней стенкой камеры сгорания, на расширяющемся конусе, с углом раскрытия 5-6° установлено цилиндрическое сопло диаметром не более диаметра камеры сгорания, аэродинамические клапаны, в виде цилиндрических трубок, для приготовления и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, с воздухозаборником на одном конце, встроенные в заднюю стенку другим концом, оси которых расположены параллельно оси камеры сгорания. Общая длина камеры сгорания и выхлопной трубы с соплом вместе взятых составляет 10-12 диаметров камеры сгорания.

Недостатком технического решения является низкая амплитуда пульсаций давления в камере сгорания и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия) вследствие малой скорости горения топливовоздушной смеси.

Наиболее близким аналогом по набору существенных признаков является форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (патент РФ 2765672, МПК F02K 7/067, опубл. 01.02.2022 г.), содержащий камеру сгорания, впускную систему из первого и второго смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопла подачи топлива, при этом, на выходе из второго смесителя установлен набор охлаждаемых пластин, а на задней торцевой стенке камеры сгорания, охлаждаемый канал.

Недостатком технического решения является необходимость организации и поддержания протекания химических реакций, что требует надежного охлаждения пластин. В ПуВРД это сделать очень сложно.

Задачей технического решения является оснащение ПуВРД газодинамическими диодами с целью повышения КПД данного двигателя.

Техническим результатом заявленного решения является увеличение эффективности работы ПуВРД за счет лучшего наполнения камеры сгорания топливовоздушной смесью.

Технический результат достигается за счет того, что в ПуВРД, содержащем входное устройство, трубу подвода топлива, соединенную со змеевиком-испарителем, камеру сгорания со свечой зажигания и резонансную трубу, входное устройство соединено с камерой сгорания и оснащено газодинамическим диодом, представляющим собой пакет сопел, при этом на выходе из камеры сгорания, перед резонансной трубой, установлено выходное устройство, которое также оснащено газодинамическим диодом, представляющим собой пакет сопел, причем сопла направлены сужающейся частью в сторону движения газа.

Из газовой динамики известно, что коэффициент расхода газа сильно зависит от профиля тракта. При прохождении сопла газом в прямом и обратном направлении этот коэффициент может отличаться во много раз. Пакет сопел создает эффект газодинамического диода. Кроме того, сопла стоят на некотором расстоянии друг от друга и стенки сопел образуют лабиринт с явно выраженным наклоном стенок сопел. В пространстве между стенками сопел образуются кольцевые тороидальные вихри, усиливающие эффект диодности (Журнал МАШИНОСТРОЕНИЕ №2 2012. «Численное моделирование течения в газодинамических диодах» УДК 621.436.052).

Таким образом, использование газодинамических диодов в виде пакетов сопел позволяет улучшить обеспечение камеры сгорания топливовоздушной смесью, за счет увеличения поступающих объемов воздуха, что, в свою очередь, увеличивает эффективность работы ПуВРД.

Заявленное техническое решение характеризуется следующими чертежами:

на фиг. 1 - изображен внешний вид ПуВРД с газодинамическими диодами;

на фиг. 2 - представлен разрез ПуВРД с газодинамическими диодами;

на фиг. 3 - представлен вид слева ПуВРД с газодинамическими диодами.

Конструкция двигателя включает в свой состав трубу подвода топлива (1), входное устройство (2), камеру сгорания (3) со свечой зажигания (4), выходное устройство (5) из камеры сгорания (3), змеевик-испаритель топлива (6), резонансную трубу (7), кронштейны (8) и планки крепления (9). Во входном устройстве (2) установлен набор сопел (10), образующих газодинамический входной диод. В выходном устройстве (5) установлен набор сопел (11), образующих выходной диод.

ПуВРД, использующий инерцию выхлопных газов в резонансной трубе (7), работает следующим образом.

По обе стороны камеры сгорания (3) установлены входное (2) и выходное (5) устройства, выполняющие роль клапанов-газодинамических диодов и формирующие направление течения газа. При воспламенении топливовоздушной смеси в камере сгорания (3), поступающей из трубы подвода топлива (1) и атмосферы, резко увеличивается давление, которое передается одинаково по всем направлениям. Сопротивление входного диода (10) в виде пакета сопел резко увеличивается - он «запирается». Газ движется по пути наименьшего сопротивления, разница в коэффициентах расхода газа входного и выходного устройства (2, 5) и разница их проходных сечений приводит к тому, что абсолютно большая масса газа утекает в резонансную трубу (7). Через входные сопла диода (10) входит атмосферный воздух, через выходные сопла диода (11) вытекают раскаленные продукты сгорания, поэтому проходные сечения входных сопел меньше, чем выходных сопел. Любая масса обладает инерцией. Масса газа, движущаяся по резонансной трубе (7), создает за собой разрежение, которое передается в камеру сгорания (3). Газ опять выбирает наиболее простой путь течения - легко проходит через сопла (10) входного устройства (2) и с трудом течет в обратном направлении через сопла (11) выходного устройства (5). Таким образом, камера сгорания (3) наполняется преимущественно свежим зарядом топливовоздушной смеси. В режиме полета скоростной напор увеличивает цикловую массу заряда камеры сгорания (3), увеличивая тягу двигателя. На определенном этапе двигатель может перейти в режим работы прямоточного двигателя.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям (ПуВРД) и может быть использована в качестве силовой установки авиационного летательного аппарата. Конструкция двигателя включает в свой состав трубу подвода топлива (1), входное устройство (2), камеру сгорания (3) со свечой зажигания (4), выходное устройство (5) из камеры сгорания (3), змеевик-испаритель (6), резонансную трубу (7), кронштейны (8) и планки крепления (9). Во входном устройстве (2) установлен набор сопел (10), образующий газодинамический входной диод. В выходном устройстве (5) установлен набор сопел (11), образующий газодинамический выходной диод. Причем проходные сечения сопел, установленных во входном устройстве, меньше, чем сопел, установленных в выходном устройстве. Техническим результатом заявленного технического решения является увеличение эффективности работы ПуВРД за счет лучшего наполнения камеры сгорания топливовоздушной смесью. 3 ил.

Прямоточный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, содержащий входное устройство, трубу подвода топлива, соединенную со змеевиком-испарителем, камеру сгорания со свечой зажигания и резонансную трубу, отличающийся тем, что входное устройство соединено с камерой сгорания и оснащено газодинамическим диодом, представляющим собой пакет сопел, при этом на выходе из камеры сгорания, перед резонансной трубой, установлено выходное устройство, которое также оснащено газодинамическим диодом, представляющим собой пакет сопел, причем сопла направлены сужающейся частью в сторону движения газа, причем проходные сечения сопел, установленных во входном устройстве, меньше, чем сопел, установленных в выходном устройстве.