Способ работы и устройство блока пульсирующих камер сгорания
PULSATING COMBUSTION CHAMBERS UNIT METHOD OF OPERATION AND DESIGN

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных авиационных двигателях - стартового типа, в двигателях беспилотных летающих аппаратов и в газотурбинных двигателях с форсажом.
Известен способ работы бесклапанных резонансных камер периодического сгорания, которые применялись в пульсирующих воздушно-реактивных двигателях (ПуВРД) «Эскопетт» и «Экревисс» (Рис. 80б, стр. 184, 236, 237 в книге Э.А. Манушин, В.Е. Михальцев, А.П. Чернобровкин. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М., «Машиностроение», 1977). В этих камерах сгорания увеличенное гидравлическое сопротивление при входе воздуха в камеры сгорания позволило отказаться от применения специальных впускных клапанов.
Недостатком способа работы бесклапанных резонансных камер периодического сгорания является небольшой располагаемый теплоперепад и трудности регулирования режимов их работы при изменении нагрузки и параметров воздуха, поступающего в камеры сгорания. Более высокую экономичность имеют ПуВРД с двухклапанными камерами периодического сгорания, работающие по циклу v=const.
Наиболее близким к настоящему изобретению является способ работы и устройство блока пульсирующих камер сгорания, содержащего три горизонтальные неподвижные двухклапанные камеры сгорания с вращающимися золотниками, последовательно перекрывающими впускные воздушные и выпускные газовые окна камер сгорания (стр. 239, 240 в книге Э.А. Манушин, В.Е. Михальцев, А.П. Чернобровкин. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. М., «Машиностроение», 1977). Способ работы этого блока заключается в том, что через впускное воздушное окно и отверстие, открывшееся во вращающемся цилиндрическом золотнике, в первую пульсирующую камеру сгорания блока поступает воздух. Вращаясь далее, золотник перекрывает впускное воздушное окно и выпускное газовое окно. В этот момент в оказавшуюся замкнутой камеру сгорания впрыскивают топливо и поджигают его, повышая в нем давление и температуру газов. Затем, продолжая вращаться, золотник открывает выпускное газовое окно камеры сгорания, газы с большой скоростью покидают камеру сгорания, создавая в ней разрежение, способствующее ее последующему заполнению следующей порцией воздуха. Описанные рабочие операции повторяются последовательно для каждой из пульсирующих камер сгорания блока. В итоге, через выходное сопло из каждой камеры сгорания блока осуществляется истечение высокотемпературных газов, которые используются для создания тяги в пульсирующих воздушно-реактивных или в пульсирующих газотурбинных двигателях. Данный способ работы и устройство блока пульсирующих камер сгорания принят в качестве прототипа изобретения.
Недостатки прототипа изобретения связаны с тем, что в блоке применяются неохлаждаемый вращающийся золотник и неохлаждаемые пульсирующие камеры сгорания, что вследствие высокой температуры газов вызывает снижение надежности пульсирующего двигателя, кроме того, в нем отсутствует возможность регулирования нагрузки пульсирующих камер сгорания и тяги двигателя.
Целью изобретения является устранение недостатков способа работы и устройства блока пульсирующих камер сгорания прототипа и повышение эффективности его рабочих процессов.
Техническим результатом, достигаемым при реализации предлагаемого способа, является повышение надежности и обеспечение регулируемости рабочего процесса блока пульсирующих камер сгорания.
Указанный технический результат достигается тем, что пульсирующие камеры сгорания непрерывно охлаждают при помощи подачи воздуха через входные воздушные окна левого диска, установленного с возможностью вращения на входе блока камер сгорания, и удаления продуктов сгорания через выходные газовые окна правого диска, установленного с возможностью вращения на выходе блока камер сгорания, причем диски приводят в движение с помощью с электродвигателя постоянного тока и системы регулирования, при этом обеспечивают изменение скорости и осуществляют синхронизацию процессов подачи и зажигания топлива в каждой камере сгорания с числом оборотов вращающихся дисков.
Блок пульсирующих камер сгорания для осуществления данного способа на входе содержит левый диск, а на выходе правый диск, установленные с возможностью вращения и снабженные соответственно входными воздушными окнами и выходными газовыми окнами, при этом сами камеры сгорания имеют открытые входные и выходные сечения, а оси левого и правого дисков жестко соединены общим валом, и левый диск связан с электродвигателем постоянного тока, на который воздействует дополнительная система управления, связанная импульсными линиями с органами искрового зажигания.
Кроме того, устройство содержит три цилиндрические камеры сгорания, расположенные по окружности с углами между радиальными осями, равными 120°.
Кроме того, левый диск содержит три входных воздушных окна, радиальные оси которых расположены под углами 0°, 120° и 240° относительно центральной вертикальной оси блока камер сгорания, а правый диск содержит три выходных газовых окна, радиальные оси которых расположены под углами 40°, 160° и 280° относительно центральной вертикальной оси блока камер сгорания.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить его соответствие критерию «новизна». Технические признаки, приведенные в изобретении, обеспечивают ему соответствие критерию «существенные отличия».
Способ работы блока пульсирующих камер сгорания заключается в том, что с помощью системы управления производится регулирование скорости вращения левого и правого вращающихся дисков с обеспечением синхронизации рабочего процесса в каждой из камер сгорания блока - ввода в них воздуха, подачи и зажигания топлива, повышения давления и температуры продуктов сгорания, их выхода из камер сгорания.
Предлагаемый способ работы блока пульсирующих камер сгорания позволяет за счет применения синхронно вращающихся входного и выходного дисков, снабженных входными воздушными и выходными газовыми окнами, осуществлять все стадии рабочего процесса каждой из пульсирующих камер сгорания. Применение вращения дисков от электродвигателя постоянного тока с возможностью изменения числа оборотов позволяет изменять режим работы блока камер сгорания и тягу двигателя. Применение системы регулирования позволяет обеспечить синхронизацию процессов подачи и зажигания топлива в каждой из трех камер сгорания. Применение непрерывной подачи воздуха в корпус блока камер сгорания позволяет производить охлаждение корпусов камер сгорания, повышает их надежность и моторесурс двигателя.
Техническая сущность предложенных технических решений поясняется чертежами, где:
- на Фиг. 1 приведено изометрическое изображение блока пульсирующих камер сгорания;
- на Фиг. 2 представлена принципиальная схема системы управления блоком камер сгорания;
- на Фиг. 3 изображен левый вращающийся диск с входными воздушными окнами;
- на Фиг. 4 изображен правый вращающийся диск с выходными газовыми окнами;
- на Фиг. 5 представлены этапы рабочего процесса в пульсирующих камерах сгорания в схематическом виде.
Устройство состоит из левого вращающегося диска 1 с входными окнами 2, электродвигателя постоянного тока 3, трех неподвижных цилиндрических камер сгорания, расположенных по окружности блока с углами между их радиальными осями, равными 120°: первой камеры сгорания 4, причем угол вертикальной радиальной оси камеры сгорания 4 равен углу вертикальной оси блока пульсирующих камер сгорания, второй камеры сгорания 5, третьей камеры сгорания 6, имеющих открытые входные воздушные и выходные газовые окна, соединительного вала 7, правого вращающегося диска 8 с выходными окнами 9.
Принципиальная схема системы управления блоком камер сгорания включает в себя устройство искрового зажигания 10 камеры сгорания 4, устройство искрового зажигания 11 камеры сгорания 5, устройство искрового зажигания 12 камеры сгорания 6, импульсную линию зажигания 13, раздающие топливопроводы 14, 15, 16, топливный кран 17, топливопровод 18, линию управления подачи топлива 19, систему управления 20, линию управления 21, электродвигатель постоянного тока 3.
Топливопровод 18 связан через топливный кран 17 и раздающими топливопроводами 14, 15, 16 с пульсирующими камерами сгорания 4, 5 и 6 соответственно. Система управления 20 связана импульсной линией зажигания 13 с устройством искрового зажигания 10 камеры сгорания 4, с устройством искрового зажигания 11 камеры сгорания 5, с устройством искрового зажигания 12 камеры сгорания 6. Кроме того, система управления 20 связана линией управления подачи топлива 19 с топливным краном 17, а также линией управления 21 с электродвигателем постоянного тока 3, связанным с левым диском 1.
Способ работы блока пульсирующих камер сгорания осуществляется следующим образом. Если углы вертикальной радиальной оси входного окна 2 левого диска 1 и первой камеры сгорания 4 одинаковы с углом вертикальной оси блока пульсирующих камер сгорания, то при этом через входные окна левого диска 2 и открытые воздушные окна камер сгорания 4, 5 и 6 воздух поступает в эти камеры сгорания. При этом газовые окна всех трех неподвижных камер сгорания 4, 5 и 6 закрыты телом правого вращающегося диска 8 (позиция 1 на Фиг. 5). Система управления 20 по линии управления 21 передает управляющий сигнал электродвигателю постоянного тока 3 и обеспечивает необходимую скорость вращения левого диска 1, причем левый диск 1 связан через понижающий редуктор с электродвигателем 3 и через соединительный вал 7 правого диска 8. При повороте этих дисков на 40°, внутренней поверхностью левого диска 1 и внешней поверхностью правого диска 8 закрываются входные воздушные и выходные газовые окна камер сгорания 4, 5 и 6 (позиция 2 на Фиг. 5). В этот момент по сигналу, передаваемому системой управления 20 по линии управления подачи топлива 19, производится открытие топливного крана 17, и топливо из топливопровода 18 по раздающим топливопроводам 14, 15, 16 подается в камеры сгорания 4, 5 и 6. После завершения подачи топлива системой управления 20 по импульсной линии зажигания 13 подается ток к устройствам искрового зажигания 10, 11 и 12 камер сгорания 4, 5 и 6 и в них зажигается топливо с повышением давления и температуры образовавшихся продуктов сгорания (позиция 2 на Фиг. 5). При повороте левого 1 и правого 8 дисков на 40°, входные воздушные окна камер сгорания 4, 5 и 6 закрыты внутренней поверхностью левого диска 1, а их выходные газовые окна совмещаются с открытыми выходными окнами 9 правого диска 8, и продукты сгорания с большой скоростью выходят из камер сгорания 4, 5 и 6 (позиция 3 на Фиг. 5). При дальнейших поворотах левого 1 и правого 8 дисков на углы в 40° происходит последовательное выполнение рабочих процессов в камерах сгорания, в соответствии с позициями 4, 5, 6 на Фиг. 5. Так, при следующем повороте вращающихся дисков 1 и 8 на 40° (позиция 4 на Фиг. 5) входные окна левого диска 1 совмещаются с входными воздушными окнами камер сгорания 4, 5 и 6, при закрытых выходных газовых окнах этих камер сгорания в них подается следующая порция воздуха. В блок пульсирующих камер сгорания постоянно поступает воздух через периодически открывающиеся входные окна 2 левого диска 1, и удаляется из него нагретый воздух через периодически открывающиеся выходные окна 9 правого диска 8, чем обеспечивается охлаждение камер сгорания 4, 5 и 6.