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, и может быть использовано, вероятнее всего, в двигателях небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как, например, беспилотные разведчики, летающие мишени.
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).
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 боковьми 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 ПуВРД 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 - высокое гидравлическое сопротивление при продувке камеры сгорания, особенно на низких скоростях полета что ведет к не высокому цикловому объемному наполнению и, как следствие, к низкой удельной и лобовой тяге. Но главное -они дают падение тяги при больших скоростях полета из-за механического отгиба динамическим напором воздуха лепестков клапана, что приводит к переходу в режим прямоточного ПуВРД.
Так же известен ПуВРД 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 (ПРОТОТИП). 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) в следствии малого сопротивления аэродинамического клапана выбросу продуктов сгорания, особенно на низких скоростях полета до 100 м/с. При более высоких скоростях полета, в том случае если аэродинамический клапан повернут навстречу набегающему потоку, как это предлагается сделать в патенте РФ №2468236, гидравлическое сопротивление обратному выбросу с ростом скорости возрастает и работа существенным образом улучшается.
Этот процесс для наглядности показан на ниже приведенном графике отображающем характер зависимости гидравлического сопротивления обратному выбросу продуктов сгорания от скорости полета. Можно видеть, что в диапазоне скоростей до 100 метров в секунду. Механический клапан обладает значительно большим обратным сопротивлением (более чем в 30 раз). Но по мере роста скорости набегающего потока его превосходство снижается и при скоростях около 200 метров в секунду он по этому параметру вплотную приближается к аэродинамическому клапану повернутому навстречу потоку.
Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления, которое достигается за счет роста скорости горения и увеличения обратного гидравлического сопротивления клапанов. Увеличение амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно, к снижению удельного расхода топлива. Поэтому естественным техническим решением является увеличение «диодности» впускной системы и резонаторной трубы и дополнительной подачи топлива в аэродинамический клапан второго контура. Совместная подача топлива через два контура клапанов приводит к значительному улучшению дроссельной характеристики ПуВРД. Удельная тяга ДЭПуВРД достигает 1100-1500 с.
Пример влияния данных мероприятий на дроссельную характеристику двигателей приведен ниже на графике. Эти данные получены авторами экспериментально.
Технический результат, достигаемый в результате реализации группы предлагаемых изобретений, заключается в повышении термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления.
Техническая задача решается путем увеличения обратного сопротивления впускной системы и резонаторной трубы двигателя за счет установки во входную часть первого смесителя треугольного канала, а на вход второго смесителя кольцевой обечайки и выполнения выходной части резонаторной трубы с частичным диффузорным раскрытием, расположенным в аэродинамической тени камеры сгорания. Дополнительно производится подача топлива на вход аэродинамического клапана второго контура.
Указанный технический результат, при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе форсирования двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ДЭПуВРД, далее, до текста формулы и реферата - двигателя), включающем 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, смесители и аэродинамический клапан, подачу топлива во время работы двигателя осуществляют одновременно в два контура двигателя с последующей организацией интенсивного перемешивания в камере сгорания путем струйного обдува топливовоздушной смесью зоны горения с образованием кольцевых вихрей.
Реализация описанного выше способа форсирования осуществляется в конструкции двигателя содержащей, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первого и второго смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопла подачи топлива, при этом, на входе во второй смеситель 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 первого смесителя. Оба воздушных клапана при этом являются аэродинамическими.
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, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемый чертеж, иллюстрирующий предпочтительный вариант реализации, на котором показана схема предлагаемого двигателя.
На фиг. 1 показан заявляемый двигатель.
На фиг. 2 показан вид -А- на треугольный канал первой впускной трубы - смесителя.
На фиг. 3 показан вид -Б- на частичное диффузорное раскрытие резонаторной трубы.
Позициями на чертеже показаны:
Поз. 1 - сопло подачи газа,
Поз. 2 - первая впускная труба - смеситель,
Поз. 3 - треугольный канал,
Поз. 4 - вторая впускная труба,
Поз. 5 - кольцевая обечайка,
Поз. 6 - камера сгорания,
Поз. 7 - козырек,
Поз. 8 - задняя торцевая стенка камеры сгорания,
Поз. 9 - резонаторная труба,
Поз. 10 - запальная свеча,
Поз. 11 - частичное диффузорное раскрытие,
Поз. 12 - змеевик нагрева газа,
Поз. 13 - вихревой аэродинамический клапан
Поз. 14 - сопло подачи топлива
Поз. 15 - топливный коллектор.
Двигатель, изображенный на фиг. 1, содержит сопло 1 подачи газа с соосно закрепленными первой впускной трубой - смесителем 2 с установленным в его передней части треугольным каналом 3, второй впускной трубой 4 с закрепленной на его входной части кольцевой обечайкой 5, на заднем торце второй впускной трубы 4 закреплена камера сгорания 6 с козырьком 7 и задней торцевой стенкой 8. К задней торцевой стенке 8 камеры сгорания 6 закреплена резонаторная труба 9 с запальной свечой 10 и частичным диффузорным раскрытием 11. К резонаторной трубе 9 крепится змеевик нагрева газа 12. На передней стенке камеры сгорания 6 закреплен аэродинамический клапан 13 на входе в который установлено сопло подачи топлива 14 из топливного коллектора 15.
При частичной подаче газообразного топлива через змеевик 12 и подачи искры на запальную свечу 8 происходит воспламенение топлива и горение внутри камеры сгорания 6. Через некоторое время змеевик нагрева газа 12 и стенки камеры сгорания 6 разогреваются, и дальнейшее увеличение подачи топлива приводит к осуществлению рабочего цикла предлагаемого двигателя. 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 4, выполняющие в заявляемом двигателе еще и функцию аэродинамического клапана. Далее струйное течение воздушно-газовой смеси доходя до задней торцевой стенки 8 камеры сгорания 6 соударяется с ней и, разворачиваясь на козырьке 7 воспламеняется возвратным течением продуктов сгорания из резонаторной трубы 9. Далее происходит взрыв топливовоздушной смеси и выброс газа по трем направлениям.
Первое направление - резонаторная труба. Выброс в этом направлении продуктивный, он создает реактивную тягу и разряжение для процесса последующей продувки.
Второе направление - во впускные смесители. Выброс газа из них создает отрицательную тягу. Для гашения этого выброса на вход во второй смеситель установлена кольцевая обечайка 5, формирующая наддув набегающим потоком входа во второй смеситель. Выбрасываемый из щели между смесителей газ, несущий в себе так же и пары топлива, должен дополнительно преодолеть динамический напор встречного течения, разворачивая на 180° течение внутри обечайки. Далее, двигаясь внутри первого смесителя газ натекает на треугольный канал 3, замечательным свойством которого является так называемая «диодность». Под этим термином понимается разность гидравлических сопротивлений канала при прямом и обратном течении. Т.е. гидравлическое сопротивление такого канала при выбросе из камеры сгорания больше, чем при всасывании. Это установлено в опытах как на безмоторной установке, так и на реальном двигателе. Данная особенность каналов треугольного сечения так же описана в работе:
1. Плотников Л.В. Повышение качества газообмена в поршневых две путем совершенствования газодинамики и теплообмена потоков во впускных и выпускных каналах. Диссертация на соискание степени доктора технических наук. Специальность 01.04.14. Екатеринбург 2017 г.
Третье направления выброса - вихревой аэродинамический клапан 13. Клапан этого типа имеет достаточно высокое обратное гидравлическое сопротивление и поэтому выброс продуктов сгорания через него не критичен.
По завершению такта сгорания движущийся в резонаторной трубе газ начинает создавать разряжение в камере сгорания 6, что влечет поступление воздуха из впускной системы и вихревого аэродинамического клапана 13. Одновременно с этим идет возвратное течение в камеру сгорания 6 и из резонаторной трубы 9. Для сокращения объема газов поступающих из резонаторной трубы 9 хвостовая часть ее выполнена с частичным диффузорным раскрытием 11 выполненным в аэродинамической тени за камерой сгорания 6.
Диффузорность канала придаст большее гидравлическое сопротивление возвратному течению. Раскрытие сделано частичным с целью недопущения увеличения миделя двигателя. Влияние диффузорности каналов на гидравлическое сопротивление описано в ряде работ, в том числе:
А.М. Козин, М.М. Русаков Совершенствование системы впуска поршневых и пульсирующих две. Тольяттинский государственный университет. Вектор науки №2(16), 2011.
Дополнительный эффект оказывает подача топлива на вход аэродинамического клапана 13. Выходящая из него топливовоздушная смесь интенсивно перемешивается с продуктами сгорания, что вызывает резкое повышение давления за счет интенсификации горения. Дальнейшее горение идет на витках змеевика нагрева газа 12, дополнительно выполняющего функцию «Спирали Щелкина», турбулизирующей и ускоряющей горение.
Описанный процесс соответствует двум фазам рабочего цикла. Первой фазе-продувке с последующим воспламенением и горением. Второй фазе - выброса продуктов сгорания через резонаторную трубу и частично через клапаны.
Далее цикл повторяется. Цикличность же работы традиционно реализуется настройкой на резонанс, за счет изменения длины впускной трубы-смесителя 2, длины резонаторной трубы 9 и геометрии камеры сгорания 6 с второй впускной трубой 4.
При установке двигателя на летательный аппарат необходимо, что бы второй контур подачи воздуха - аэродинамический клапан 13 находился в аэродинамической тени за фюзеляжем самолета, что обеспечивает его работоспособность в широком диапазоне скоростей полета. Подача дополнительного топлива через второй контур, установка треугольного канала в первый смеситель с установкой кольцевой обечайки на входе во второй смеситель и выполнение частичной диффузорности резонаторной трубы обеспечивают до 30% прироста реактивной тяги в широком диапазоне скоростей полета.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фигуре. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.