СПОСОБ РЕАЛИЗАЦИИ ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ В ПУЛЬСИРУЮЩЕМ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ
METHOD TO IMPLEMENT CYCLIC DETONATION BURNING IN INTERMITTENT AIR JET ENGINE

Предлагаемое изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано, например, в летательных аппаратах, использующих пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (далее ПуВРД).
Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель 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 представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания.
Клапанная решетка представляет собой конструкцию из несущих элементов - поперечных стержней, подвижных элементов - плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.
Набегающий на двигатель поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги двигателя.
После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру поступает очередная порция воздуха и цикл повторяется.
Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом для, создания тяги пульсирующего двигателя. Для осуществления функции создания тяги в таком двигателе необходимы и другие устройства.
Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостаток - плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяга, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги, но главное - низкий ресурс клапанов.
Так же известны конструкции ПуВРД использующие аэродинамические клапаны, "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж. Г. Маркштейна, М., МИР, 1968, с.401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические, которые описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; 2812635, 1957.
К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия).
Известен способ реализации циклического сгорания в ПуВРД, патент США №2812635, Н. кл. 60-35.6, 12.11.1957, заключающийся в продувке камеры сгорания из впускной трубы или аэродинамических клапанов и последующем воспламенении топливовоздушной смеси от высокотемпературных продуктов сгорания, вернувшихся из резонаторной трубы. Недостаток известного способа заключается в том, что при воспламенении от продуктов сгорания, вернувшихся из резонаторной трубы не достигается детонационное сгорание топливо-воздушной смеси.
В качестве прототипа принят способ инициирования детонационного горения в трубе, основанный на зажигании топливовоздушной смеси продуктами сгорания, выбрасываемыми через набор трубного пакета, книга "Импульсные детонационные двигатели", под ред. С.М. Фролова, изд. Торус-Пресс, М., 2006, с.502. Здесь детонационное горение достигается за счет воспламенения от множества высокотемпературных газовых струй. Недостаток данного способа - невозможность организации циклического повторения детонационного горения.
Технический результат, связанный с реализацией данного изобретения заключается в достижении более высокой амплитуды пульсаций давления и повышении термодинамического КПД (коэффициента полезного действия) и экономичности ПуВРД.
Сущность заявляемого способа циклического детонационного сгорания в ПуВРД заключается в том, что в отличие от известного способа, заключающегося в продувке камеры сгорания из трубчатых аэродинамических клапанов, подаче топлива и последующем его воспламенении от остаточных продуктов сгорания, и воспламенении топливо-воздушной смеси от продуктов сгорания, возвращающихся внутрь камеры сгорания из резонаторной трубы на цикле всасывания, воспламенение от остаточных продуктов сгорания, приводящее к детонационному сгоранию, осуществляют посредством их истечения из периферийных труб аэродинамических клапанов.
В этом случае, высокотемпературные продукты сгорания, истекающие из периферийных труб аэродинамических клапанов, попадают в последние при продувке вследствие того, что скорость входящего в камеру сгорания воздуха в центральной части превышает скорость воздуха, текущего по периферийной части.
Поскольку скорость течения воздуха внутри аэродинамического клапана неравномерна и максимальна в центральной части, угол раскрытия входного диффузора выполняют с условием обеспечения отрыва течения и перехода в струйное. При этом сформированное течение направленно через аэродинамический клапан в зону расположения топливной форсунки.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного способа ранее не была известна, следовательно, он соответствуют условию патентоспособности "новизна".
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенный способ имеют 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.
Предложенный способ промышленно применим, т.к. может быть реализован промышленным способом в несложных устройствах, изготовленных с использованием стандартного оборудования, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания примера конкретного устройства ПуВРД, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие практическую реализацию предлагаемого способа реализации циклического детонационного сгорания в ПуВРД.
На фиг.1 показан момент, предшествующий запуску ПуВРД;
На фиг.2 показан момент воспламенения от искры свечи зажигания;
На фиг.3 показан момент продувки;
На фиг.4 показан момент воспламенения;
На фиг.5 показан момент детонационного взрыва.
На фиг.1 показан момент, предшествующий запуску ПуВРД. Он характерен тем, что установленный на входной части аэродинамического клапана диффузор 1, имеющий больший угол раскрытия α>15° формирует от набегающего потока при отрыве от стенок струйное течение 2 и струя воздуха, ударяясь в переднюю часть трубчатого аэродинамического клапана, растекается по его поверхности. Это приводит к тому, что скорости течения внутри труб аэродинамического клапана оказываются различными. В зоне, где струя воздуха ударяет в трубы, а это центральная часть труб аэродинамического клапана, значение скорости течения воздуха является максимальным. В это же время, в периферийной части скорости течения воздуха имеют меньшее значение. Схематично это представлено в виде профиля скорости 3 на фиг.1.
Момент воспламенения от искры свечи 4 показан на фиг.2. При взрыве топливо-воздушной смеси внутри камеры сгорания 5 происходит выброс продуктов сгорания в резонаторную трубу 6 и аэродинамический клапан 7. Ввиду того, что в центральной зоне значение скорости течения воздуха более высокое, то в большей степени продукты сгорания заполняют периферийную зону труб аэродинамического клапана 7, как это показано эпюрой 8.
По мере падения давления в камере сгорания 5, см. фиг.3, начинается ее заполнение воздухом, через аэродинамический клапан 7. В первую очередь поступает воздух через центральную зону и, смешиваясь с топливом, идущим через форсунку 9, образует топливовоздушную смесь 10. Далее, из периферийных труб 11 аэродинамического клапана 7, фиг.4, выдуваются высокотемпературные продукты сгорания в виде струй 12, воспламеняющие топливовоздушную смесь. Далее, от множества высокотемпературных струй, см. фиг.5, происходит детонационный взрыв, после чего описанный выше цикл повторяется.
Таким образом, в заявляемом способе реализации циклического детонационного сгорания в ПуВРД, организация струйного течения во входном диффузоре позволяет получить неравномерное распределение подачи воздуха через трубы аэродинамического клапана и осуществить детонационное сгорание от воспламенения топливовоздушной смеси множеством струй высокотемпературных продуктов сгорания.
Разумеется, предлагаемый способ не ограничивается приведенным примером его осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.