Воздухозаборник воздушно-реактивного двигателя Российский патент 2024 года по МПК F02C7/42 B64D33/02 F02K7/10 

Изобретение относится пневмогидравлическим системам общего назначения, в частности к способам и средствам воздействия на пограничный слой потока текучей среды в каналах, в частности к заборникам первичного воздуха прямоточных воздушно-реактивных двигателей, характеризуемые сжатием за счет скоростного напора.

Известен диффузор с отверстиями, в котором применен отсос пограничного слоя для устранения отрыва потока от стенок, выполненный двухстенным с кольцевым каналом, используемым для осуществления рециркуляции пограничного слоя из зоны большего давления в зону меньшего давления [1] SU 141488.

Известен диффузор, содержащий осесимметричный корпус с входным и выходным участками, установленную во входном участке вставку, образующую с корпусом зону внезапного расширения, и по меньшей мере один перепускной канал, сообщающий проточные части входного и выходного участков, причем выходной конец канала с осью, наклоненной к радиальной плоскости, расположен во вставке [2] SU 1453090.

Организация потока газа по способу известных устройств в научных публикациях называют: управление пограничным слоем в диффузоре “синтетическими” струями. Привлекательной особенностью аналогичных систем является отсутствие потерь массы рабочего тела - суммарный по времени массовый расход газа на отсос пограничного слоя равен нулю из-за возврата отобранного газа обратно в проточную часть диффузора. Недостатком известных диффузоров является недостаточная эффективность отсоса пограничного слоя из-за использования только естественной разницы статического давления по длине диффузора, соответственно, низкая располагаемая потенциальная энергия на организацию газодинамического управления потоком, что ограничивает возможность увеличения угла раскрытия и, как следствие, уменьшения общей длины.

Известны плоские входные устройства смешанного сжатия, содержащие сверхзвуковой диффузор с клином для образования системы косых и прямого скачков и дозвуковой диффузор [3]. Известные диффузоры представлены для одного режима работы. Для расширения диапазона режимов работы, как правило, применяют регулирование элементов входного устройства [4] (Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей, под ред. С.М. Шляхтенко, М., “Машиностроение”, 1987 г., с. 99-100, рис. 3.19 б-г., Там же, с. 96-98, рис. 3.16, 3.17).

Известен плоский регулируемый подфюзеляжный воздухозаборник для летательного аппарата, содержащий сверхзвуковую часть с основным и дополнительным клиньями торможения изменяемой геометрии, состоящим из отдельных подвижных участков, обечайку и дозвуковую часть, при этом первый участок основного клина торможения, соединенный с фюзеляжем, установлен с возможностью прилегания к фюзеляжу, в зоне между основным клином торможения и фюзеляжем размещены дополнительная сверхзвуковая часть с дополнительным клином торможения изменяемой геометрии, состоящим из отдельных подвижных участков, дополнительная обечайка, дозвуковая часть и отводной канал, образованный профилированной стенкой фюзеляжа и дополнительной обечайкой [5] RU 2018468.

Известен воздухозаборник с изменяемой геометрией для сверхзвукового летательного аппарата, содержащий пространственный клин, выполненный с шириной, равной ширине воздухозаборника, для отклонения пограничного слоя и предварительного торможения набегающего потока, и установленный на стенке корпуса летательного аппарата и имеющий передние стреловидные кромки для образования поперечного градиента давления обечайку, боковые стенки, систему слива пограничного слоя, горло воздухозаборника и дозвуковой диффузор, при этом угол χ1 стреловидности передней кромки в горизонтальной плоскости составляет 40-60°, а угол β пространственного клина в вертикальной плоскости составляет 5-15°, передняя кромка обечайки выполнена стреловидной с углом χ1 стреловидности, а внутренняя поверхность обечайки выполнена из примыкающих друг к другу плоскостей, образующих конфузорную поверхность торможения; боковые стенки, образующие окно для перепуска воздуха на режимах запуска и являющиеся поверхностями торможения вследствие пространственности течения, выполнены со стреловидными кромками, начинающимися от обечайки, где ее ширина достигает значения, равного ширине канала воздухозаборника, и продолжающимися до пространственного клина, причем угол χ2 стреловидности передних кромок боковых стенок находится в пределах 40-60°, а сами боковые стенки параллельны вертикальной плоскости симметрии воздухозаборника; система слива пограничного слоя расположена за пространственным клином перед сечением горла на поверхности, являющейся продолжением пространственного клина, и включает отверстие, коллектор и магистраль для удаления пограничного слоя наружу, причем отверстие для слива пограничного слоя выполнено в виде перфорации или щелей, канал за горлом воздухозаборника выполнен прямоугольного сечения на входе и переходит в дозвуковой криволинейный диффузор с круговым сечением на выходе, которое смещено по длине диффузора в сторону, противоположную обечайке, на величину диаметра выходного сечения криволинейного диффузора; на обечайке воздухозаборника, состоящей из конфузорной поверхности торможения и вращающихся панелей, являющихся продолжением обечайки, установлены шарниры, обеспечивающие вращение панелей в вертикальной плоскости и герметичность канала воздухозаборника [6] RU 2353550. Последний воздухозаборник выбран в качестве прототипа.

В известных воздухозаборниках для уменьшения гидравлических потерь из-за отрыва потока от стенки, участки с дозвуковыми диффузорами приходится делать значительной длины, что является недостатком.

Предлагаемым изобретением решается задача уменьшения длины дозвукового диффузора и, как следствие, общей длины воздухозаборника.

Для достижения такого технического результата воздухозаборник воздушно-реактивного двигателя, содержащий клин, выполненный с шириной, равной ширине воздухозаборника, и установленный на стенке корпуса летательного аппарата и имеющий передние стреловидные кромки для образования поперечного градиента давления, обечайку с изменяемой геометрией, параллельные боковые стенки, систему слива пограничного слоя, горло воздухозаборника и участок с дозвуковым диффузором с двумя расходящимися поверхностями, содержащий щели для отсоса пограничного слоя, выполнен плоским, снабжен по меньшей мере одной камерой разрежения с расположенной во внутренней полости цилиндром, установленным с возможностью вращения, размещенной в полости, выполненной в одной из расходящихся поверхностей, и образованной параллельными стенками, частью поверхности цилиндра, передней стенкой и задней перфорированной перегородкой, сообщенной через отверстия перфорации со щелями для отсоса пограничного слоя, причем каждый ряд щелей снабжен своим каналом и своей индивидуальной суммарной площадью перфорации, при этом передняя стенка примыкает под углом 3…5° к касательной цилиндра с зазором с образованием плоского сопла,

задняя перфорированная перегородка дополнительно содержит лабиринтное уплотнение со стороны проточной части диффузора, угол раскрытия диффузора, начиная от горла воздухозаборника до касательной с образующей цилиндра составляет 5…8°, торцы цилиндра размещены в кольцевых выемках параллельных боковых стенок с образованием лабиринтного уплотнения, с обеих сторон цилиндр заглушен диском с центральной ступицей для размещения опор вращения и на периферийной части дисков выполнены отверстия.

По признакам, предлагаемый воздухозаборник воздушно-реактивного двигателя отличается от прототипа тем, что участок с дозвуковым диффузором выполнен плоским, снабжен по меньшей мере одной камерой разрежения с расположенной во внутренней полости цилиндром, установленным с возможностью вращения, размещенной в полости, выполненной в одной из расходящихся поверхностей, и образованной параллельными стенками, частью поверхности цилиндра, передней стенкой и задней перфорированной перегородкой, сообщенной через отверстия перфорации со щелями для отсоса пограничного слоя, причем каждый ряд щелей снабжен своим каналом и своей индивидуальной суммарной площадью перфорации, при этом передняя стенка примыкает под углом 3…5° к касательной цилиндра с зазором с образованием плоского сопла,

задняя перфорированная перегородка дополнительно содержит лабиринтное уплотнение со стороны проточной части диффузора, угол раскрытия диффузора, начиная от горла воздухозаборника до касательной с образующей цилиндра составляет 5…8°, торцы цилиндра размещены в кольцевых выемках параллельных боковых стенок с образованием лабиринтного уплотнения, с обеих сторон цилиндр заглушен дисками с центральной ступицей для размещения опор вращения и на периферийной части дисков выполнены отверстия.

Благодаря наличию этих признаков обеспечивается безотрывное расширение потока в дозвуковом диффузоре на коротком расстоянии и уменьшается, тем самым, общая длина воздухозаборника.

На фиг. 1 представлен воздухозаборник воздушно-реактивного двигателя, продольный разрез; на фиг. 2 - разрез по сечению А-А фиг. 1.

Воздухозаборник воздушно-реактивного двигателя, содержит клин 1, выполненный с шириной, равной ширине воздухозаборника, и установленный на стенке корпуса летательного аппарата и имеющий передние стреловидные кромки для образования поперечного градиента давления, обечайку 2 изменяемой геометрии, параллельные боковые стенки 3 и 4, систему слива 5 пограничного слоя, горло воздухозаборника 6 и дозвуковой участок в виде плоского диффузора 7 с двумя расходящимися поверхностями 8 и 9, содержащий щели 10 и 11 для отсоса пограничного слоя, снабженный по меньшей мере одной камерой разрежения 12 с расположенной во внутренней полости цилиндром 13, установленным с возможностью вращения, размещенный в полости 14, выполненной в одной из расходящихся поверхностей 9, и образованной параллельными стенками 15 и 16, частью поверхности цилиндра, передней стенкой 17 и задней перфорированной перегородкой 18, сообщенной через отверстия 19 и 20 перфорации со щелями для отсоса пограничного слоя, причем каждый ряд щелей снабжен своим каналом 21 и 22 и своей индивидуальной суммарной площадью перфорации, при этом передняя стенка примыкает под углом 3…5° к касательной цилиндра с зазором с образованием плоского сопла 23, задняя перфорированная перегородка дополнительно содержит лабиринтное уплотнение 24 со стороны проточной части диффузора, угол раскрытия диффузора, начиная от горла 6 воздухозаборника до касательной с образующей цилиндра 13 составляет 5…8°, торцы цилиндра размещены в кольцевых выемках 25 параллельных боковых стенок 15 и 16 с образованием лабиринтного уплотнения, с обеих сторон цилиндр заглушен диском 26 с центральной ступицей 27 для размещения опоры вращения и на периферийной части дисков выполнены отверстия 28.

Воздухозаборник воздушно-реактивного двигателя работает следующим образом.

При полете, воздух из окружающей среды проходя через систему косых и прямого скачков, инициированных клином 1, сжимается и поступает в участок с дозвуковым диффузором 7, где происходит дополнительное преобразование кинетической энергии потока в потенциальную энергию давления. Оптимальный забор первичного воздуха во всем диапазоне скоростей полета обеспечивается регулируемой обечайкой 2 изменяемой геометрии и перепуском избыточного количества рабочего тела через систему слива 5 пограничного слоя.

В дозвуковом диффузоре, активный поток, натекая на цилиндр 13, приводит последнее во вращение. При этом уменьшается разница между скоростями в ядре потока и в пограничном слое и, как следствие, предотвращается отрыв пограничного слоя от наружной поверхности цилиндра 13. Размещение цилиндра 13 с зазором и примыканием под углом 3…5° к касательной цилиндра по отношению к передней стенке 17 с образованием плоского сопла 23 создает разрежение в камере 12 не только в результате перепада статических давлений, а также дополнительно из-за перемещения массы (количества) газа в проточную часть пограничным слоем вращающегося цилиндра 13 и использования кинетической энергии активного потока для эжектирования воздуха из камеры 12 разрежения. При этом, сопло 23 является пассивным по отношению к потоку в проточной части диффузора 7. Угол раскрытия диффузора на начальном участке диффузора 7, начиная от горла 6 воздухозаборника до касательной с образующей цилиндра 13 диапазоне 5…8° исключает появление вторичных течений и обеспечивает высокий коэффициент полезного действия.

При дальнейшем расширении потока, часть воздуха из пограничного слоя перетекает через лабиринтное уплотнение 24 в камеру разрежения 12, что также препятствует отрыву потока от расходящейся поверхности 9. В процессе последующего движения воздуха в диффузоре 7 происходит отсасывание воздуха из пограничного слоя через чередующийся ряд узких щелей 10, 11, каждая из которых снабжена своим каналом 21 и 22 и сообщена с камерой разрежения 12 через перфорированную перегородку 18 каждая своей индивидуальной суммарной площадью перфорации 19 и 20, соответственно. Индивидуальная суммарная площадь перфорации 19 или 20 определяется перепадами статических давлений в каналах 21 или 22 и в камере разрежения 12.

Размещение торцев цилиндра 13 в кольцевых выемках 25 параллельных боковых стенок 15 и 16 с образованием лабиринтного уплотнения предотвращает образование вторичных вихрей и, как следствие, уменьшает торцевые потери полного давления при расширении потока в плоском диффузоре 7.

Центрирование цилиндра 13 относительно поверхности 9 с обеих сторон осуществляется заглушками в виде дисков 26 с центральной ступицей 27 для размещения опор вращения на осях. При этом отверстия 28 на периферийной части дисков 26 обеспечивают выравнивание давления в проточной части диффузора 7 и во внутренней полости цилиндра 13, а при изготовлении устройства позволяют выполнить статическую и динамическую балансировку цилиндра методом съема материала.

Реализация совокупности признаков, описанных в предлагаемом устройстве, позволяет уменьшить длину участка с дозвуковым диффузором при низких потерях полного давления. При использовании изобретения, например, в составе прямоточного воздушно-реактивного двигателя улучшаются условия для организации эффективного сжигания топлива в турбулентном потоке за счет возможности увеличения времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания.

Источники:

1. SU 141488, Класс: 14с, 12₀₁, опубл. бюлл. № 19, 1961 г.

2. SU 1453090, МПК: F04D 29/54, 25/30, опубл. бюлл. № 3, 1989 г.

3. Теория и расчет воздушно-реактивных двигателей, под ред. С.М. Шляхтенко, М., “Машиностроение”, 1987 г., с. 99-100, рис. 3.19 б-г.

4. Там же, с. 96-98, рис. 3.16, 3.17.

5. RU 2018468, МПК: B64D 33/02, опубл. 1994 г.

6. RU 2353550, МПК: B64D 33/02, опубл. бюлл. № 12, 2009 г.

Изобретение относится средствам воздействия на пограничный слой потока текучей среды в каналах. Воздухозаборник воздушно-реактивного двигателя содержит клин 1, обечайку 2 изменяемой геометрии, систему слива 5 пограничного слоя, горло воздухозаборника 6 и дозвуковой участок в виде плоского диффузора 7 с двумя расходящимися поверхностями 8 и 9, содержащий щели 10 и 11 для отсоса пограничного слоя, снабженный по меньшей мере одной камерой 12 разрежения с расположенным во внутренней полости цилиндром 13, установленным с возможностью вращения, образованной параллельными стенками 15 и 16, частью поверхности цилиндра, передней стенкой 17 и задней перфорированной перегородкой 18, сообщенной через отверстия 19 и 20 перфорации со щелями для отсоса пограничного слоя, причем каждый ряд щелей снабжен своим каналом 21 и 22 и своей индивидуальной суммарной площадью перфорации, при этом передняя стенка примыкает под углом 3…5° к касательной цилиндра с зазором с образованием плоского сопла 23, задняя перфорированная перегородка дополнительно содержит лабиринтное уплотнение 24 со стороны проточной части диффузора, угол раскрытия диффузора, начиная от горла 6 воздухозаборника до касательной с образующей цилиндра 13, составляет 5…8°. Изобретение позволяет уменьшить длину участка с дозвуковым диффузором при низких потерях полного давления. 2 ил.

Воздухозаборник воздушно-реактивного двигателя, содержащий клин, выполненный с шириной, равной ширине воздухозаборника, и установленный на стенке корпуса летательного аппарата, и имеющий передние стреловидные кромки для образования поперечного градиента давления, обечайку с изменяемой геометрией, параллельные боковые стенки, систему слива пограничного слоя, горло воздухозаборника и дозвуковой диффузор с двумя расходящимися поверхностями, содержащий щели для отсоса пограничного слоя, отличающийся тем, что участок с дозвуковым диффузором выполнен плоским, снабжен по меньшей мере одной камерой разрежения с расположенным во внутренней полости цилиндром, установленным с возможностью вращения, размещённой в полости, выполненной в одной из расходящихся поверхностей и образованной параллельными стенками, частью поверхности цилиндра, передней стенкой и задней перфорированной перегородкой, сообщенной через отверстия перфорации со щелями для отсоса пограничного слоя, причем каждый ряд щелей снабжен своим каналом и своей индивидуальной суммарной площадью перфорации, при этом передняя стенка примыкает под углом 3...5° к касательной цилиндра с зазором с образованием плоского сопла, задняя перфорированная перегородка дополнительно содержит лабиринтное уплотнение со стороны проточной части диффузора, угол раскрытия диффузора, начиная от горла воздухозаборника до касательной с образующей цилиндра, составляет 5...8°, торцы цилиндра размещены в кольцевых выемках параллельных боковых стенок с образованием лабиринтного уплотнения, с обеих сторон цилиндр заглушен дисками с центральной ступицей для размещения опоры вращения и на периферийной части дисков выполнены отверстия.