Способ форсирования двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя и форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель
METHOD FOR BOOSTING DOUBLE-FLOW EJECTOR PULSATING AIR-JET ENGINE AND FORCED DOUBLE-FLOW EJECTOR PULSATING AIR-JET ENGINE

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, в которых реализуется процесс предварительного нагрева и испарения топлива с одновременным продуцированием ацетилена и может быть использовано, вероятнее всего, в двигателях небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как, например, беспилотные разведчики, летающие мишени.
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).
Двигатель представляет собой трубу с клапанной решеткой которая состоит 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.
Главным достоинством двигателя этого типа основанного на применении механических клапанных решеток является высокое гидравлическое сопротивление продуктам сгорания, пытающимся прорваться навстречу набегающему потоку при взрыве в камере сгорания.
Их недостаток - низкое значение удельной и лобовой тяги обусловленное высоким гидравлическим сопротивлением при продувке камеры сгорания, особенно на низких скоростях полета.
Также известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) осуществляющий рабочий процесс с помощью аэродинамических клапанов в качестве которых часто используют простые трубки, "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 описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; 2812635, 1957; 3093962, 1963.
К недостаткам такого способа продувки ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления в камере сгорания и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия) вследствие малой скорости горения топливовоздушной смеси.
Известно устройство форсированного двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя защищенного патентом на изобретение RU 2717479, СПК F02K 7/067 (2020.01), опубликованным 23.03.2020, БИ №9. Форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ДЭПуВРД) содержит, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первой и второй труб-смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива, змеевик нагрева топлива и резонаторную трубу с частичным диффузорным раскрытием. Отличительной особенностью этого ДЭПуВРД является то, что задняя стенка камеры сгорания выполнена с первым козырьком эшелона с прямоугольными прорезями для образования за ними плоских струйных течений, внутри камеры сгорания за первым козырьком выполнена перфорированная ниша с выступающим внутрь течения вторым козырьком, а змеевик нагрева топлива имеет неравномерную по диаметру и косую по оси навивку.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство форсированного двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ДЭПуВРД), защищенного патентом на изобретение RU 2714463 СПК F02K 7/067 (2019.08), опубликованным 17.02.2020, БИ №5, который содержит, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первой и второй труб-смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива. На входе во второй смеситель рассматриваемого ДЭПуВРД установлена кольцевая обечайка длиной 0,3-0,5 калибра второго смесителя, а резонаторная труба выполнена с перфорацией профилированными отверстиями в зоне примыкания к камере сгорания и частичным диффузорным раскрытием, расположенным в аэродинамической тени за камерой сгорания, при этом внутри входного участка первого смесителя установлен треугольный канал длиной от 0,1 до 0,5 длины первой трубы-смесителя. Оба воздушных клапана аэродинамические. Здесь же представлен и способ форсирования двухконтурного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающий продувку камеры топливовоздушной смесью сгорания из смесителей и воздухом из аэродинамического клапана второго контура, формирующим воздушный струйный обдув зоны горения, последующее воспламенение и взрыв с выбросом продуктов сгорания через резонаторную трубу, трубы-смесители и аэродинамический клапан, при этом подачу топлива во время работы известного ДЭПуВРД осуществляют одновременно в два контура ДЭПуВРД с последующей организацией интенсивного перемешивания в камере сгорания путем струйного обдува топливовоздушной смесью зоны горения с образованием кольцевых вихрей.
В рассмотренном ближайшем аналоге имеются возможности дополнительного повышения реактивной тяги ДЭПуВРД.
Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления, которое достигается за счет роста скорости горения. Увеличение амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно, к снижению удельного расхода топлива. Поэтому естественным техническим решением является увеличение концентрации в горючей смеси газа, имеющего высокую скорость горения и способного в смеси с другими горючими компонентами ускорять процесс горения. Таким газом, в частности, может быть ацетилен. Этот газ имеет высокую скорость горения и отличается своей исключительной склонностью к детонационному горению. Даже в небольших количествах он способен ускорять горение вплоть до детонационного. Так известно, что добавка 0,2% ацетилена в не детонирующую окись углерода делает ее способной к детонационному горению [1, 2, 3].
Технический результат, достигаемый в результате реализации предлагаемого изобретения, заключается в повышении удельной и лобовой тяги за счет увеличения амплитуды пульсаций давления происходящего из-за роста скорости горения.
Техническая задача решается путем реализации в ДЭПуВРД вне камеры сгорания процесса синтеза ацетилена при термическом разложении бензина. В химической промышленности нагрев бензина производится в трубчатых печах до температуры 1000°С и более. Характерная черта процесса - высокая скорость нагрева и последующего охлаждении до 200-300°С. Весь процесс нагрева и охлаждения должен занимать от 0,005 до 0,2 секунд. Технически этот процесс описан в приведенных источниках [2,3] Химические формулы получения ацетилена из метана, пропана, бутана и этилена получающихся в процессе пиролиза бензина представлены ниже.
4
2
2
2
2СН=СН+3Н
2
4
2
2
2
СН=СН+Н
2
8
2
2
4
3СН=СН+4СН
3
8
2
2
4
СН=СН+СН
4
10
2
2
2
6
2CH=CH+3CH
Описанный способ получения ацетилена может быть реализован на ДЭПуВРД вне камеры сгорания при резком охлаждении вышедшего из змеевика горячего бензинового пара. В результате быстрого нагрева и резкого охлаждения происходит остановка распада молекул метана и других легких газов с выделением ацетилена. Описанный процесс может быть реализован двумя путями - за счет установки на ДЭПуВРД паровоздушного теплообменника, где происходит резкое охлаждение топливного пара набегающим воздушным потоком, либо - за счет впрыска части жидкого топлива в топливный пар, выходящий из теплообменника.
Указанный технический результат при осуществлении группы изобретений достигается тем, что в известном способе форсирования двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя ДЭПуВРД, включающем предварительный нагрев и испарение топлива в топливном змеевике, подачу топлива в первую и вторую трубы-смесители, продувку камеры сгорания топливовоздушной смесью из труб-смесителей, последующее воспламенение и взрыв топливовоздушной смеси с выбросом продуктов сгорания через резонаторную трубу и трубы-смесители, при этом топливо, прошедшее испарение и нагрев в топливном змеевике до подачи в первую и вторую трубы-смесители, подвергают резкому охлаждению. При этом подачу топлива из змеевика в ДЭПуВРД осуществляют либо через охлаждаемый паровоздушный теплообменник, либо за счет частичного впрыска жидкого топлива в паровой коллектор, где от резкого охлаждения топливного пара останавливается процесс пиролиза метана и других легких фракций топлива, а образовавшиеся при этом газы, в том числе и ацетилен, на такте всасывания попадают обратно в камеру сгорания где и вызывают рост скорости горения.
Предлагаемый выше способ реализуется в ДЭПуВРД, содержащем, в частности, сопло подачи газа с соосно закрепленными первой впускной трубой-смесителем и второй впускной трубой-смесителем смонтированной на камере сгорания прикрепленной к резонаторной трубе с установленным в ней топливным змеевиком, топливную форсунку и запальную свечу, отличительной особенностью является то, что он дополнительно содержит средство охлаждения топлива, прошедшего процесс испарения и нагрева в топливном змеевике. При этом средство охлаждения топлива, прошедшего процесс испарения и нагрева в топливном змеевике, может быть выполнено в виде паровоздушного теплообменника, подключенного к соплу подачи газа и установленного на выходе топливного змеевика. Либо средство охлаждения топлива, прошедшего процесс испарения и нагрева в топливном змеевике, может быть выполнено в виде топливного коллектора с топливной форсункой, смонтированного на выходе топливного змеевика и подключенного к соплу подачи газа.
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 заявляемой группы изобретений станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительные варианты реализации заявляемой группы изобретений.
На фиг. 1 показан заявляемый ДЭПуВРД с паровоздушным теплообменником.
На фиг. 2 показан заявляемый ДЭПуВРД с впрыском топлива в топливный коллектор.
Позициями на чертеже показаны:
Поз. 1 - сопло подачи газа,
Поз. 2 - первая впускная труба-смеситель,
Поз. 3 - вторая впускная труба-смеситель,
Поз. 4. - камера сгорания,
Поз. 5. - резонаторная труба,
Поз. 6. - топливный змеевик,
Поз. 7. - паровоздушный теплообменник,
Поз. 8. - топливный коллектор,
Поз. 9. - топливная форсунка,
Поз. 10. - запальная свеча.
ДЭПуВРД, изображенный на фиг. 1, содержит сопло 1 подачи газа с соосно закрепленными первой впускной трубой-смесителем 2, второй впускной трубой-смесителем 3 с закрепленной на камере сгорания 4 прикрепленной к резонаторной трубе 5 с установленным в ней топливный змеевиком 6. К выходу из топливного змеевика 6 прикреплен паровоздушный теплообменник 7, соединяющийся с соплом подачи газа 1. На резонаторной трубе 5 установлена запальная свеча 10.
Во втором частном случае конструктивного исполнения ДЭПуВРД, представленного на фиг. 2, вместо паровоздушного теплообменника 7 установлен топливный коллектор 8 с топливной форсункой 9.
При частичной подаче газообразного топлива через топливный змеевик 6 и подачи искры на запальную свечу 10 происходит воспламенение топлива и горение внутри камеры сгорания 4. Через некоторое время топливный змеевик нагрева газа 6 и стенки камеры сгорания 4 разогреваются, и дальнейшее увеличение подачи топлива приводит к осуществлению рабочего цикла предлагаемого ДЭПуВРД. Он осуществляется следующим образом.
Подаваемый газ через сопло подачи газа 1 эжектирует воздух в первый контур - в первую впускную трубу-смеситель 2 и вторую впускную трубу-смеситель 3, выполняющие в заявляемом ДЭПуВРД еще и функцию аэродинамического клапана. Далее струйное течение топливовоздушной смеси, заходя в камеру сгорания 4 и разворачиваясь, воспламеняется возвратным течением продуктов сгорания из резонаторной трубы 5. Далее происходит взрыв топливовоздушной смеси и выброс газа по двум направлениям.
Первое направление - резонаторная труба 5. Выброс в этом направлении продуктивный, он создает реактивную тягу и разряжение для процесса последующей продувки.
Второе направление - во впускные трубы-смесители 2 и 3.
По мере прогрева ДЭПуВРД происходит увеличение температуры топливного пара на выходе из топливного змеевика 6, при достижении ее уровня 600-700°С в топливном змеевике 6 начинает происходить пиролиз бензина. Это значит, что углеводороды с длинными молекулярными цепочками начинают рваться на более мелкие. Продукты пиролиза поступают в паровоздушный теплообменник 7, где происходит их резкое охлаждение до 200 град. С. Охлаждение может производиться как в паровоздушном теплообменнике 7, за счет теплообмена через стенки с набегающим воздушным потоком, как это представлено на фиг. 1, так и за счет впрыска в продукты пиролиза некоторой части рабочего топлива, как это показано на фиг. 2. В результате резкого охлаждения прерывается процесс разрыва межмолекулярных связей и образуются новые газы. Такие как ацетилен и водород, причем в большей степени ацетилен. В составе газовой смеси они попадают в камеру сгорания 4 ДЭПуВРД и вызывают значительное ускорение процесса горения.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанными двумя примерами его осуществления, показанными на фигурах 1 и 2. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящей группы изобретений.
Литература:
1. Соколик А.С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. - М.: Издательство академии наук СССР, 1960. - 427 с.
2. Мехтиев С.Д., Камбаров Ю.Г. Олефиновые углеводороды и их применение в нефтехимической промышленности - Баку: Азербайджанское гос. изд-во, 1962.
3. Антонов В.Н., Лапидус А.С. Производство ацетилена. М. Химия 1970. - 415 с.