Эжекционно-вихревой двигатель Российский патент 2024 года по МПК F02K7/67 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к воздушно-реактивным двигателям (ВРД), и может быть использовано в качестве силовой установки авиационного летательного аппарата, например беспилотного (БПЛА), а также как газогенератор.

Цель данной работы - создать аналог ГТД без подвижных узлов.

Прототипом приняты ПуВРД (Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели) как наиболее конструктивно простые и дешевые, описаны в аналоге. Их недостаток, как клапанных, так и бесклапанных - отсутствие предварительного сжатия воздуха, как это делается в газотурбинных (ГТД) или поршневых двигателях. Это является причиной низкого КПД.

Важнейшим техническим параметром ВРД любого типа является степень полного повышения давления - отношение давления в камере сгорания двигателя к статическому забортному давлению воздуха. От этого параметра зависит термический КПД воздушно-реактивного двигателя.

Решить данную проблему можно посредством передачи части энергии от выхлопных газов свежему воздуху и придать ему вращательное (вихревое) движение, разделить в вихревой трубе данную смесь на две составляющих, воздух - направить на наддув камеры сгорания, отработку - в сопло. Это обеспечит плотное наполнение камеры сгорания без турбины и компрессора с более высоким КПД.

Аналогом данного предложения является патент РФ №2793868, МПК F02K 7/067, опубл. 07.04.2023 «Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель с наддувом», содержащий камеру сгорания со свечой зажигания, воздушный коллектор, трубу подвода топлива, сопловой аппарат, формирующий газовый поток из камеры сгорания в вихревую камеру-трубу с интенсивной закруткой, где с периферийной зоны через входные каналы, образованные лопатками направляющего аппарата, эжектируется, смешивается с продуктами горения и сжимается атмосферный воздух и, проходя вдоль вихревой камеры, разделяется на холодный и горячий вихри, причем горячий вихрь через регулируемое сопло выходит в атмосферу, а холодный идет на вход в камеру сгорания через газовый тракт с газодинамическим диодом подвода воздуха из вихревой камеры в камеру сгорания. Недостатком данной конструкции является эжекция воздуха с периферийной зоны через входные каналы, образованные направляющими лопатками, это вынуждает входящий воздух преодолевать центробежные силы. Вторым недостатком является перегрев сопловых лопаток, это снижает надежность двигателя. Данным предложением уточняется и упрощается конструкция аналога. Газодинамический принцип остается неизменным.

Заявленное техническое решение характеризуется следующими чертежами:

на фиг.1 - схематично представлена конструкция двигателя;

на фиг.2 - представлена конструкция газодинамического аппарата;

на фиг.3 - представлена конструкция эжекционно-соплового аппарата;

на фиг.4 - представлена сопловая решетка и течение газов;

на фиг.5 - представлена конструкция газодинамического диода;

на фиг.6 - показана конструкция эжектора.

В состав конструкции двигателя (фиг.1) входят: 1 - свеча зажигания, 2 - камера сгорания, 3 - газодинамический аппарат, 4 - вихревая камера - труба Ранка, 5 - Эжектор с дросселем регулируемого сопла.

В основу газодинамической схемы двигателя положены широко известные свойства газа:

1. Эжекция - заключается в том, что поток с более высоким давлением, движущийся с большой скоростью, увлекает за собой среду низкого давления. Повышение давления эжектируемого потока без непосредственной механической энергии применяется в струйных аппаратах, которые используются в различных отраслях техники, например в аэродинамических трубах. Воздух можно засосать и сжать выхлопными газами, в ГТД их энергия срабатывается на турбине, которая вращает компрессор. Суммарный КПД турбины и компрессора значительно ниже КПД эжектора. Масса присоединенного воздуха должна быть больше массы выхлопных газов. При пульсирующих течениях эффективность эжекции возрастает (см. открытие №314).

2. Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect) - эффект температурного разделения газа при закручивании в цилиндрической или конической камере при условии, что поток газа в трубе проходит не только прямо, но и в обратном направлении. На периферии образуется закрученный поток с большой температурой, а из центра в противоположную сторону выходит охлажденный поток. Закрутка потока происходит в сопловом аппарате. Настройка вихревой трубы производится изменением проходного сечения сопла.

В отработавших газах два основных продукта сгорания - углекислый газ СО₂ (13,7% по объему - в полтора раза плотней воздуха) и водяной пар Н₂О (13,1%), остальное азот и т.д. Из сильно закрученного потока сепарируются твердые частицы кокса, сажи, пары воды, воздушная пыль и наиболее плотные газы, они центробежными силами прижимаются к стенке трубы и выходят в атмосферу вместе с горячим вихрем. Холодный вихрь вдоль оси вихревой камеры уходит в противоположную сторону на вход в камеру сгорания через газодинамический диод.

3. Из газовой динамики известно, что коэффициент расхода газа μ сильно зависит от профиля тракта. При прохождении сужающегося - конфузорного сопла газом в прямом и обратном направлении этот коэффициент может отличаться в несколько 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. Газодинамический диод работает подобно клапану, в меру сил препятствуя прохождению газа из камеры сгорания в вихревую камеру при вспышке смеси (Журнал МАШИНОСТРОЕНИЕ №2 2012. «Численное моделирование течения в газодинамических диодах» УДК 621.436.052).

4. Горение топливно-воздушной смеси в камере сгорания происходит циклически по мере ее заполнения свежим зарядом и достижением этим зарядом свечи зажигания или раскаленной зоны камеры. Время горения довольно коротко, огромная доля газа в силу своей инерционности не успевает утечь. Таким образом, горение или подвод тепла происходит при постоянном объеме, т.е. по изохорному циклу. Он позволяет поднять термический КПД мотора на 10…15% по сравнению с изобарным циклом.

В ГТД и ЖРД на установившемся режиме давление в камере сгорания постоянное с некоторыми пульсациями горения, т.е. подвод тепла происходит по изобарному циклу.

Основным узлом двигателя (см. фиг.2) является газодинамический аппарат (3). Он состоит из эжекционно-соплового аппарата (6) и газодинамического диода (7) с подведенными воздушной и топливной магистралями (8).

Эжекционно-сопловой аппарат (6) показан на фиг.3. Он состоит из кольца (9) с фланцами крепления к камере сгорания (2) и вихревой камере-трубе (4) и пустотелых (полых) охлаждаемых лопаток (10) с выходом полости (11) на внешнюю поверхность кольца и выходную кромку лопатки. На фиг.4 представлена сопловая решетка и течение газов: (12) - давление газа в камере сгорания, (13) - течение газа в межлопаточном тракте, (14) - эжектируемый из лопатки воздух, (15) - вихревое движение газа. Эжекционно-сопловой аппарат (6) имеет конфузорный межлопаточный тракт, преобразует потенциальную энергию давления газа в кинетическую энергию вихря, имеет осевой вход и тангенциальный выход для разворота потока газа на угол, близкий к 90°. Эжектируемый из лопатки (10) воздух, проходя через полость (11), охлаждает ее стенки. Внутренние торцы лопаток (10) связаны сваркой с внешним контуром газодинамического диода (7).

На фиг.5 представлена конструкция газодинамического диода (7). Он состоит из пакета конусов, образующих сопла и отстоящих друг от друга на некотором расстоянии. При вспышке топливно-воздушной смеси в камере сгорания (2) волна давления (17) заходит в секции лабиринта, отражаясь от дна, возвращается назад, (18) - прямые и отраженные волны давления. В ближайшую к камере сгорания (2) лабиринтную секцию диода (7) подведены через отверстия (16) воздушная и топливная магистрали (8). Поступившее топливо испаряется на горячей стенке, граничащей с камерой сгорания. Воздушная магистраль служит для пуска двигателя и отбора давления газа после запуска для наддува топливного бака. Наддув бака производится через трубопровод малого сечения, в котором сглаживаются и осредняются пульсации давления. В топливном баке поддерживается среднеинтегральное давление в двигателе.

Газодинамический диод (7) препятствует прохождению газа из камеры сгорания (2) в вихревую камеру (4) при вспышке, обеспечивая таким образом прохождение наибольшей доли газа через эжекционно-сопловой аппарат (6).

Во фланцах газодинамического аппарата (3) выполнены отверстия для крепления камеры сгорания (2) и вихревой камеры (4) с эжектором (5), подвижным в осевом направлении.

Камера сгорания (2) цилиндрической формы с кронштейнами крепления двигателя и стыковочным фланцем, сферическим донышком, в котором имеется резьбовая втулка для монтажа свечи зажигания (1). При понижении давления в камере сгорания в нее поступает топливно-воздушная смесь из газодинамического диода (7).

С другой стороны газодинамического аппарата крепится вихревая камера (4) - труба Ранка-Хилша. От фланца крепления идет переходный конфузорный участок, затем продолжительная цилиндрическая часть с продольными ребрами охлаждения на внешней поверхности, на которых центрируется эжектор (5). Объем вихревой камеры является ресивером.

На фиг.6 показана конструкция эжектора (5). Базовой деталью является обечайка эжектора (19), к ней приварены кронштейны крепления (20), лопатки спрямляющего развихрителя (22) с конусным дросселем горячего вихря (21). Выход из трубы эжектора (5) в сочетании с конусным дросселем горячего вихря (21) образуют регулируемое сопло. При осевом перемещении эжектора (5) изменяется площадь проходного сечения для выхода горячего вихря. Таким образом обеспечивается необходимое давление в вихревой камере - ресивере. Лопатки спрямляющего развихрителя (22) обеспечивают осевой выход газа из сопла и эжекцию воздуха вдоль ребер охлаждения на вихревой трубе (4), что приведет к снижению температуры холодного вихря.

Запуск двигателя осуществляется следующим образом: в воздушную магистраль подается воздух, а в топливную систему поступает горючее, топливно-воздушная смесь продувает камеру сгорания (2), на свече зажигания (1) происходит цикл разрядов. Свежий заряд вытесняет воздух и остаточные газы из камеры сгорания (2), при достижении стехиометрическим составом топливно-воздушной смеси свечи зажигания в камере сгорания происходит «хлопок», резко вырастает давление, газодинамический диод (7) запирается, и газ устремляется через эжекционно-сопловой аппарат (6) в вихревую камеру (4). Часть газа, прорвавшаяся через диод (7), затормозит начало продувки камеры сгорания для следующего цикла, это полезно для лучшей очистки камеры сгорания от остаточных газов. Газ начинает срабатывать энергию. Перепад давлений на эжекционно-сопловом аппарате (6) в этот момент выше критического, на мгновение - объем камеры сгорания мал, возникнут скачки уплотнений. Скорости в образовавшемся вихре близки к звуковым. Вихрь эжектирует воздух из полости (11) охлаждения сопловых лопаток (10) и отдает ему часть своей энергии. В вихревой камере (4) поднимается давление. Газ, прорвавшийся через газодинамический диод (7), подтормаживает начало продувки для следующего цикла - должен изменить направление движения. В силу своей инерционности массы газа в вихревом движении, проходя вдоль выходных кромок сопловых лопаток (10), эжектируют из камеры сгорания (2) остаточные газы. В камере сгорания (2) понижается давление, из вихревой камеры (4) начинает поступать «холодный» вихрь, а из наддутого бака - топливо. Образуется топливно-воздушная смесь, начинается следующий цикл. Таким образом обеспечивается цикличность работы. Энергетическая накачка вихря происходит при каждом цикле.

Опыт доводки ПуВРД «Аргус-Шмидт» HWK 109-014 для немецкого самолета-снаряда Фау-1 показывает, что давление в камере сгорания достигало 6 атмосфер, начальное давление было атмосферным. Таким образом, камеру сгорания можно рассматривать как усилитель с коэффициентом усиления 4…6. Давление газов в вихревой камере (4), а значит и давление наддува, определяет сечение регулируемого сопла, образованного выходом из трубы эжектора (5) в сочетании с конусным дросселем горячего вихря (21). В начальный момент нет оснований ожидать высоких значений параметров наддува. Можно предположить, что прибавка давления за цикл составит 0,01 атмосферы, тогда при частоте пульсаций 100 Гц через секунду это давление уже будет составлять одну атмосферу. В действительности процесс наддува представляет собой цепную реакцию с коэффициентом усиления в камере сгорания. Увеличение заряда камеры сгорания влечет за собой повышение в ней давления и расхода газа по всему тракту: сопловой аппарат, вихревую камеру и т д. Накачка давления в камеру сгорания может быть весьма значительной. Возможна детонация части топлива. Это еще повысит КПД двигателя.

Управление двигателем производится изменением расхода топлива и регулируемым соплом.

Таким образом, можно создать ВРД легче, надежней и технологичней аналога.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к воздушно-реактивным двигателям (ВРД), и может быть использовано в качестве силовой установки авиационного летательного аппарата, например беспилотного (БПЛА), а также как газогенератор. В состав конструкции двигателя входят: (1) - свеча зажигания, (2) - камера сгорания, (3) - газодинамический аппарат, (4) - вихревая камера - труба Ранка, (5) - эжектор с дросселем регулируемого сопла. Основным узлом двигателя является газодинамический аппарат (3). Он состоит из эжекционно-соплового аппарата (6) и газодинамического диода (7) с подведенными воздушной и топливной магистралями (8). Конструкция эжекционно-соплового аппарата включает в себя пустотелые охлаждаемые лопатки (10) с выходом полости на внешнюю поверхность и выходную кромку лопатки, через которую эжектируется и сжимается воздух продуктами сгорания, проходящими по газовому тракту эжекционно-соплового аппарата из камеры сгорания. Смесь газов с интенсивной закруткой, проходя вдоль вихревой камеры, разделяется на холодный и горячий вихри, причем горячий вихрь через регулируемое сопло выходит в атмосферу, а холодный идет на вход в камеру сгорания через газодинамический диод (7). Достигается увеличение эффективности работы ВРД за счет более плотного наполнения камеры сгорания топливовоздушной смесью. 6 ил.

Эжекционно-вихревой двигатель, содержащий камеру сгорания со свечой зажигания, воздушную магистраль, топливную магистраль, регулируемое сопло, вихревую камеру-трубу и эжекционно-сопловой аппарат с газодинамическим диодом, установленный с возможностью формирования газового потока из камеры сгорания в вихревую камеру-трубу с интенсивной закруткой, где с периферийной зоны через входные каналы, образованные лопатками эжекционно-соплового аппарата, газовый поток эжектирует воздух, смешивается с ним, сжимая атмосферный воздух и разделяется на холодный и горячий вихри, причем регулируемое сопло установлено с возможностью выхода горячего вихря в атмосферу, а газодинамический диод - с возможностью направления холодного вихря из вихревой камеры-трубы в камеру сгорания, отличающийся тем, что эжекционно-сопловой аппарат состоит из кольца с фланцами крепления к камере сгорания и вихревой камере-трубе, причем лопатки эжекционно-соплового аппарата выполнены пустотелыми с выходом полости на внешнюю поверхность кольца и выходную кромку лопатки, через которую эжектируется и сжимается воздух продуктами сгорания, проходящими по газовому тракту эжекционно-соплового аппарата из камеры сгорания, при этом вихревая камера-труба играет роль ресивера и состоит из переходного конфузорного участка, к которому крепится фланец эжекционно-соплового аппарата, и цилиндрической части, на которой установлен эжектор с возможностью осевого перемещения, состоящий из обечайки с кронштейнами крепления, лопаток спрямляющего развихрителя с конусным дросселем горячего вихря, образуя таким образом регулируемое сопло.