ПРЯМОТОЧНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ НА ПОРОШКООБРАЗНОМ МЕТАЛЛИЧЕСКОМ ГОРЮЧЕМ
AIR RAMJET ENGINE OPERATING ON POWDER METAL FLUID

Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ПВРД) на порошкообразном металлическом горючем (ПМГ).
Применение металлов в качестве горючего обусловлено их высокой активностью, значительным тепловыделением и позволяет создать принципиально новые высокоэффективные прямоточные воздушно-реактивные двигатели для управляемых ракет. Преимущества прямоточных воздушно-реактивных двигателей на порошкообразном металлическом горючем, использующих в качестве окислителя атмосферный воздух, состоят в том, что они обеспечивают высокие тактико-технические характеристики, могут использоваться в широких диапазонах скоростей, при этом они надежны в обращении и хранении.
Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом топливе, содержащий камеру сгорания, питаемую горючим газом генератора и атмосферным воздухом (патент Франции, FR №2661454, МПК F02K 7/18, 1985 г.).
Недостатком такого двигателя является то, что на больших скоростях полета не обеспечивается полнота сгорания топлива.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа прямоточный воздушно-реактивный двигатель с механической системой подачи псевдоожиженного порошкообразного горючего ((МПК 6 F02K 9/70, патент на ПМ №10222 от 17.08.1998 г.), состоящий из системы подачи порошкообразного горючего, реактивной турбины и газопроницаемого поршня.
Недостатком данного устройства является громоздкость конструкции, включающей турбину со шнеком и одинарную камеру сгорания, которая не обеспечивает требуемой полноты сгорания топлива.
Целью предлагаемого изобретения является повышение объемной энергоотдачи двигательной установки путем обеспечения более полного сгорания топлива.
Задача решается за счет того, что предложен прямоточный воздушно-реактивный двигатель на металлическом порошкообразном горючем, содержащий систему запуска двигателя, систему подачи горючего, включающую топливный бак с металлическим порошкообразным горючим и перфорированным поршнем, камеру сгорания, отличающийся тем, что в корпусе двигателя установлен газогенератор, обеспечивающий запуск системы подачи порошкообразного металлического горючего, при этом камера сгорания состоит из форкамеры длиной не менее 300 мм, с размещенным на входе камеры дозатором, осуществляющим подачу горючего с заданным расходом, воспламенителем и камеры окончательного дожигания топлива, причем форкамера и камера окончательного дожигания имеют каналы для подачи воздуха.
В первом частном случае исполнения в форкамере воздушный поток обеспечивает полноту газификации взвеси с коэффициентом избытка воздуха α=0,15…0,3.
Во втором частном случае исполнения для возгорания взвеси использован воспламенитель многоразового действия.
В третьем частном случае исполнения в качестве порошкообразного горючего может быть использован гранулированный порошок алюминия.
Предлагаемое устройство позволяет повысить объемную энергоотдачу двигательной установки за счет полного сжигания металловоздушной смеси в воздушном потоке низкого давления.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.
На чертеже представлена схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя в разрезе.
На чертеже 1 обозначены следующие позиции:
1 - корпус;
2 - газогенератор;
3 - перфорированный поршень;
4 - бак с порошкообразным горючим;
5 - металлическое порошкообразное горючее;
6 - дозатор;
7, 8 - воздушные каналы;
9 - камера предварительного горения (форкамера);
10 - камера окончательного дожигания;
11 - воспламенитель.
ПВРД содержит корпус 1, в котором размещена система запуска (не обозначена), система подачи топлива, содержащая газогенератор 2, вытеснительное устройство в виде перфорированного поршня 3, бак 4 с металлическим порошком 5, дозатор 6, воздухозаборник с отводящими воздушными каналами 7, 8, камеру сгорания (не обозначена), состоящую из камеры предварительного сжигания (форкамеры) 9, камеры окончательного дожигания 10 и воспламенитель многоразового действия 11.
В корпусе 1 ПВРД размещены составные части двигателя, обеспечивающие его работу. Газогенератор 2 для обеспечения работоспособности системы подачи горючего. Система подачи горючего является вытеснительной и включает перфорированный поршень 3, проницаемый для газа и образования газопорошковой взвеси. Для заполнения бака 4 в качестве металлического порошкообразного горючего 5 может использоваться, например, алюминий. При этом дозатор 6 выполнен с возможностью порционной подачи горючего. Воздушные каналы 7, 8 являются частью воздухозаборного устройства и служат для разделения и направления потока атмосферного воздуха в форкамеру 9 и камеру окончательного дожигания топлива 10. При этом в форкамере установлен воспламенитель многоразового действия 11. Полнота сжигания топлива обеспечивается за счет того, что камера сгорания выполнена в виде форкамеры 9 и камеры окончательного дожигания 10.
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель 1 работает следующим образом. Запускается стартовый ускоритель и сообщает ракете необходимую начальную скорость, после чего происходит отделение стартового ускорителя с одновременным запуском газогенератора 2, предназначенного для обеспечения подачи порошкообразного горючего 5. Продукты горения из газогенератора 2 под напором газовых потоков поступают через охладитель в вытеснительное устройство, представляющее собой перфорированный поршень 3. Поток газов, фильтруясь через весь объем порошка 5, перемещает его к выпускному отверстию и приобретает состояние взвеси. Перемещение перфорированного поршня 3 препятствует образованию пустот, поддерживая постоянство динамики работы вытеснительной системы. Регулирование подачи порошкообразной взвеси осуществляют при постоянном давлении газа путем изменения проходного сечения дозатора 6, позволяющего изменять тягу двигателя в широких пределах. Конструкция дозатора 6 обеспечивает низкую скорость частиц металла и их равномерную концентрацию в поперечном сечении, что подтверждено экспериментально, специальными датчиками была измерена скорость частиц металла.
В форкамере 9 происходит смешение порошка 5 с первичным потоком воздуха, поступающим по воздушному каналу 7 из воздухозаборника, что позволяет обеспечить стабильное горение в воздушном потоке низкого давления. Смесь горючего с первичным воздушным потоком воспламеняется под действием высокой температуры от воспламенителя многоразового действия, происходит первичное горение металловоздушной смеси. В данном состоянии происходит насыщение порошкообразной взвеси кислородом, получаемым из атмосферного воздуха, часть смеси сгорает, а несгоревшая часть истекает из форкамеры 9 в камеру окончательного дожигания 10. Насыщение металлического порошка кислородом характеризуется коэффициентом избытка воздуха α. Проводимые эксперименты показали, что полнота газификации металловоздушной взвеси осуществляется при коэффициенте избытка воздуха в пределах α=0,15…0,3, при этом длина форкамеры 9 должна составлять не менее 300 мм. Через воздуховод 8 поступает дополнительная порция воздуха в камеру окончательного сжигания, происходит полное выгорание топлива. Наличие двух камер: предварительного горения и окончательного дожигания топлива позволяет достичь полноты сгорания топлива, что значительно повышает объемную энергоотдачу двигательной установки. На выходе из сопла могут быть установлены газовые рули, обеспечивающие управление вектором тяги.
Предлагаемое устройство позволяет повысить объемную энергоотдачу двигательной установки за счет полного сжигания алюминиево-воздушной смеси в воздушном потоке низкого давления.
Реализация перечисленных совокупных признаков позволяет значительно улучшить массогабаритные и энергетические характеристики прямоточного воздушно-реактивного двигателя по сравнению с прототипом.
Техническое решение, предлагаемое к защите патентом, может быть изготовлено на предприятиях, выпускающих подобную продукцию на базе технологии производства уже известных прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Процессы, происходящие в прямоточных воздушно-реактивных двигателях, были смоделированы и успешно прошли испытания на экспериментальных двигательных установках. Проводимые эксперименты подтвердили, что оптимальный размер форкамеры для полноты газификации взвеси составляет не менее 300 мм, при этом коэффициент избытка воздуха в камере предварительного горения находится в пределах α=0,15…0,3.