СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ БЕСКЛАПАННОГО ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF INCREASING VALVELESS PULSE DUCT THRUST

Изобретение относится к бесклапанным пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, в частности к двигателям беспилотных летательных аппаратов.
Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) 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 узла, создающего тягу пульсирующего двигателя и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком двигателе могут выполнять 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).
В качестве прототипа принят способ создания реактивной тяги бесклапанным ПуВРД, описанный в патенте США №3035413, НКИ 60-35.6 от 22.05.1962. Суть рассматриваемого способа заключается в периодическом взрываний топливо-воздушной смеси в камере сгорания и всасывании новой порции воздуха через впускной клапан при выбросе продуктов сгорания через резонаторную трубу. Причем характерно то, что процесс всасывания воздуха должен сопровождаться генерацией воздушного кольцевого вихря. Для этого впускной патрубок снабжается профилированной впускной частью, заканчивающейся уступом в начале впускного клапана, см. прототип, фиг.1, 2, 3 и 5. Достоинством данного способа создания реактивной тяги является техническая простота его реализации. Недостатком же такого способа создания реактивной тяги является низкая амплитуда пульсаций давления и, следовательно, низкая реактивная тяга.
Характерной особенностью рабочего цикла ПуВРД является невысокая степень наполнения камеры сгорания атмосферным воздухом.
Таким образом, воздействовать на рост амплитуды пульсации давления и, следовательно, увеличить реактивную тягу ПуВРД можно путем увеличения циклового наполнения камеры сгорания.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение реактивной тяги ПуВРД.
Достижение технического результата возможно за счет увеличения степени наполнения камеры сгорания за счет увеличения разряжения в камере сгорания, происходящего на цикле продувки в случае генерации в резонаторной трубе кольцевого вихря.
Для достижения технического результата, в известном способе повышения реактивной тяги бесклапанного ПуВРД, включающем, в частности, циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха, на входе в резонаторную трубу на цикле выброса продуктов сгорания осуществляют генерацию кольцевого вихря.
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 конкретного устройства ПуВРД, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие практическую реализацию предлагаемого способа повышения реактивной тяги бесклапанного ПуВРД. На фиг.1 показана известная схема газохода ПуВРД (прототип). На фиг.2 показана схема газохода ПуВРД, в котором реализуется заявляемый способ.
ПуВРД содержит камеру сгорания 1 с впускным клапаном 2, с профилированной впускной частью 3, заканчивающейся уступом и резонаторную трубу 4, которая в зоне стыковки с камерой сгорания 1 имеет профилированную вставку 5, заканчивающуюся уступом внутри резонаторной трубы 4.
Осуществляется заявляемый способ следующим образом. При взрыве топливо-воздушной смеси в камере сгорания 1 продукты сгорания начинают выбрасываться через резонаторную трубу 4 и впускной клапан 2. Далее наступает процесс всасывания, при котором продукты сгорания, движущиеся по резонаторной трубе 4, начинают всасывать атмосферный воздух через впускной клапан 2 в камеру сгорания 1. Увеличение объема всасываемого воздуха может быть достигнуто увеличением разряжения в камере сгорания 1. Для этого предлагается перевести характер течения в резонаторной трубе 4 из пульсирующего трубного течения в пульсирующее струйное течение. То есть сформировать из продуктов сгорания при каждом цикле выброса газа кольцевой вихрь внутри резонаторной трубы 4. Имея устойчивую гидродинамическую структуру кольцевой вихрь, при движении в резонаторной трубе 4, приведет к большему разряжению в камере сгорания 1 и, соответственно, к большему наполнению. Подобное явление исследовалось на примере работы газового эжектора (см. "О работе газового эжектора в пульсирующем режиме", С.Ю.Крашенинников, В.К.Ляхов, К.В.Мигалин. Известия ВУЗов "Авиационная техника", 1990, №1, с.40-43, Казань) и показало, что формирование кольцевого вихря в канале смесителя эжектора способно в несколько раз увеличить коэффициент эжекции, а следовательно, в данном случае, и разряжение внутри камеры сгорания 1.
Таким образом, генерация кольцевого вихря в начальной части резонаторной трубы 4 приводит к последующему росту разряжения внутри камеры сгорания 1 во время цикла продувки и, как следствие, к большему наполнению ее атмосферным воздухом, что позволяет увеличить реактивную тягу бесклапанного ПуВРД.
Разумеется, предлагаемый способ не ограничивается приведенным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фигуре 2. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.