Устройство для создания тяги

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована для создания реактивной тяги как на летательных аппаратах, так и на стационарных энергоустановках.
Известна детонационная камера пульсирующего двигателя, содержащая корпус, в корпусе выполнена полузамкнутая полость, в которой образован струйный ускоритель, а также содержащая установленный на корпусе насадок для подвода в полость корпуса рабочего тела и выполненное в насадке сопло.
(см. патент РФ №2078969, кл. F02C 5/10, 1997 г.).
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что самоподдерживающиеся колебания в резонаторе устанавливаются только при строго определенном сочетании скорости и расхода потока через центральное отверстие в сопле, диаметре резонатора и длине эжекторного насадка.
Известно устройство для создания реактивной тяги, выполненное в виде пульсирующего гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя, содержащее корпус, в котором соосно смонтированы детонационная камера и сопло, причем камера и сопло установлены в корпусе с образованием между их торцами кольцевой щели, к которой подведен канал поступления продуктов газогенерации, на выходе детонационной камеры образована сообщенная с соплом полузамкнутая полость, предназначенная для реализации процесса импульсно-детонационного горения, к полости подведен выполненный в детонационной камере осевой канал подачи воздуха, выполняющий при работе устройства функцию резонатора.
(см. патент РФ №2059852, кл. F02C 5/10, 1996 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа наиболее близкого аналога необходимо отметить, что конструкция данного устройства не предусматривает возможности его регулирования для создания максимальной тяги при работе. Самоподдерживающиеся колебания в резонаторе устанавливаются, как и в приведенном выше устройстве, только при строго определенном сочетании скорости и расхода потока через сопло, диаметра канала резонатора и его длины.
Техническим результатом настоящей полезной модели является увеличение создаваемой устройством тяги за счет введения в его конструкцию регулируемого эжектора и обеспечения взаимодействия потока в эжекторе с генерируемыми резонатором нелинейными акустическими волнами, частота и амплитуда которых могут регулироваться в широких пределах в зависимости от скорости полета летательного аппарата путем изменения глубины резонатора, а также за счет взаимодействия потока в эжекторе со сферическим акустическими волнами, распространяющимися через отверстия в сопле.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для создания тяги, содержащем камеру сгорания, сопло, а также резонатор, новым является то, что камера сгорания пристыкована к одному из торцов фланца, имеющего осевой канал, причем устройство оснащено размещенными в полости камеры сгорания обоймой, вкладышем и гильзой, обойма закреплена в корпусе, вкладыш выполнен с осевым отверстием и размещен в обойме, а гильза смонтирована во вкладыше, один из ее торцов, обращенный к фланцу, выполнен сферической формы, а на противоположном конце гильзы размещен резонатор, причем вкладыш и резонатор имеют возможность возвратно-поступательного настроечного перемещения, а обращенные друг к другу торцы фланца и вкладыша образуют щелевое сопло, сообщенное с отверстием гильзы, с резонатором и с осевым каналом фланца, к другому торцу которого пристыковано сопло, полость сопла сообщена с осевым каналом фланца, на сопле выполнены радиальные отверстия, при этом устройство дополнительно оснащено эжекторной насадкой, охватывающей сопло и закрепленной на торце фланца, эжекторная насадка может быть выполнена в виде сопла, а сопло устройства смонтировано на фланце через сменную проставку, размещаемую на торце фланца, а в качестве резонатора может быть использован резонатор Гартмана.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображено устройство для создания тяги.
На графических материалах нижеследующими позициями обозначены конструктивные элементы устройства:
1 - сопло;
2 - проставка;
3 - фланец;
4 - камера сгорания;
5 - вкладыш;
6 - гильза;
7 - обойма;
8 - резонатор;
9 - щелевое сопло;
10 - фокус сферической поверхности гильзы;
11 - эжекторная насадка;
12 - рабочий объем камеры сгорания
13 - радиальные отверстия в сопле
14 - отверстия в эжекторной насадке.
Устройство для создания тяги содержит камеру сгорания 4, выполненную, предпочтительно, в виде полого цилиндра с открытыми торцами. Одним из торцов камера сгорания 4 пристыкована к торцу фланца 3.
В камере сгорания 4 предпочтительно соосно с ней, смонтирована обойма 7, в полости которой размещены вкладыш 5, гильза 6 и резонатор 8.
Обойма 7 выполнена в виде полого тела цилиндрической формы, в полости которого с возможностью осевого возвратно-поступательного настроечного перемещения установлен вкладыш 5, выполненный в форме втулки. Для обеспечения возможности перемещения вкладыша 5, он может быть установлен в обойме 7 посредством резьбового (винтового) соединения, образованного резьбой на наружной поверхности вкладыша и резьбой на внутренней поверхности обоймы 7.
Во вкладыше 5 выполнено сквозное осевое отверстие, в котором расположена гильза 6, полость которой образована сквозным осевым цилиндрическим отверстием (позицией не обозначено).
Один из торцов гильзы 6 имеет форму полусферы, которая является фокальной поверхностью, с фокусом в точке 10, а в ее отверстии с другого конца выполнена резьба, в которую ввинчен резонатор 8. Для комплектации устройства наиболее целесообразно использовать резонатор, работающий по принципу Гартмана.
Перемещением резонатора 8 относительно гильзы 6, регулируют длину цилиндрического отверстия и, тем самым, настраивают собственную частоту резонатора.
Кольцевое пространство 12, образованное внутренней поверхностью камеры сгорания 4 и внешней поверхностью обоймы 7 является рабочим объемом камеры сгорания.
Фланец 3 имеет осевой канал и выполненную вокруг канала кольцевую расточку (осевой канал и расточка позициями не обозначены). На наружном торце фланца 3 имеется кольцевая отбортовка (позицией не обозначена), с резьбой на ее внутренней поверхности.
Устройство оснащено эжекторным усилителем тяги, выполненным в виде эжекторной насадки 11, смонтированной на отбортовке фланца 3, в полости которой размещено сопло 1, имеющее на наружной поверхности резьбу, которой оно ввинчено в резьбу отбортовки фланца 3 с возможностью осевого перемещения и установки в заданном положении. На сопле 1 выполнены радиальные отверстия 13, а на эжекторной насадке 11 - отверстия 14. Сопло 1 может иметь коническую форму или форму сопла Лаваля. На графических материалах оно для простоты показано цилиндрическим. Эжекторная насадка может быть выполнена в виде сопла, охватывающего сопло 1.
Заданное положение сопла 1 относительно фокуса 10 обеспечивается использованием сменной кольцевой проставки 2, вставляемой в кольцевую расточку фланца 1. За счет использования проставок 2 различной толщины, обеспечивается регулирование расстояния от радиальных отверстий 13 на боковой поверхности сопла 1, соединяющих при работе устройства поток внутри сопла с потоком в эжекторной насадке 11, до фокуса 10 фокальной поверхности гильзы 6. Расстояние определяется экспериментально, из условия достижения наибольшего эффекта от влияния акустических волн, проходящих в полость эжекторной насадки 11.
Торцевая поверхность вкладыша 5 образует с внутренней торцевой поверхностью фланца 3 щелевое сопло 9 шириной (h). Заданный размер щелевого сопла устанавливается за счет настроечного перемещения вкладыша 5 в обойме 7.
Устройство для создания тяги работает следующим образом.
Работа устройства, например, может быть основана на принципе действия ротационного детонационного двигателя Николса, в котором сжигание топлива в камере сгорания происходит при постоянном объеме во фронте детонационной волны в соответствии с термодинамическим циклом Джакобса-Фикетта.
Сжигание топлива также может быть организовано в соответствии с термодинамическим циклом Брайтона при постоянном давлении, как это используется в обычном реактивном или воздушно-реактивном двигателе. Для заявленного устройства это не принципиально.
При работе устройства недоокисленные продукты сгорания топливной смеси истекают из рабочего объема 12 камеры сгорания 4 в щелевое сопло 9, предварительно настроенное на заданный размер «h». Поскольку в результате повышения давления в камере сгорания при горении топливной смеси перепад давления в щелевом сопле сверхкритический, из него истекает сверхзвуковая плоская струя, направленная к оси симметрии сопла. При этом происходит дополнительное сжатие продуктов сгорания в приосевой области. Нелинейные волны сжатия, отражаясь от сферической торцевой поверхности гильзы 6, создают на ее поверхности избыточное давление, создавая тягу, и фокусируются в фокусе 10, вызывая в этой точке усиление волны сжатия в несколько раз.
Через отверстие в гильзе 6 нелинейные акустические волны сжатия попадают в резонатор 8, в котором происходит «накачка» акустической энергии. Резонатор 8 излучает мощную нелинейную акустическую волну, заданной частоты, которая определяется глубиной цилиндрической полости в резонаторе. Акустическая волна интенсифицирует догорание топлива за счет сокращения характерного времени сгорания, тем самым еще больше увеличивает давление в полости сферической поверхности, а также на внутренней поверхности сопла 1.
На выходе из сопла 1 нелинейные акустические волны, взаимодействуя с внешним сверхзвуковым потоком в эжекторе, образуют тороидальные вихри, за счет разности скоростей во внешнем потоке и в потоке выходящим из сопла и сил вязкости, которые интенсифицируют массообмен с внешним потоком в эжекторе, образующемся в эжекторе за счет затекания воздуха окружающей среды через отверстия 14 эжекторной насадки 11, обращенной по направлению движения летательного аппарата, увеличивают коэффициент эжекции и, соответственно, тягу эжектора. Акустические волны из сопла через каналы 13 распространяются в кольцевой зазор между наружной поверхностью сопла 1 и внутренней поверхностью эжекторной насадки 11 в виде сферических акустических волн, которые генерируют в кольцевом потоке продольные вихри, образующиеся вследствие взаимодействия потока и областей сжатия, образующихся в отверстиях 13, в процессе прохождения в них акустических волн. Эти вихри также увеличивают коэффициент эжекции, за счет интенсификации массообмена в полости эжекторной насадки 11.
Наличие в устройстве эжектора способствует увеличению тяги при движении летательного аппарата в атмосфере, а возможность регулировать вынос эжектора относительно фокуса фокальной поверхности и среза сопла позволяет получать максимальный эффект увеличения тяги при любой скорости полета, а возможность регулировать глубину резонатора Гартмана совместно с регулировкой выноса эжектора, позволяет получать оптимальную частоту акустических волн, что позволяет добиваться максимального увеличения тяги на эжекторе и сопле в зависимости от скорости полета.
Наличие радиальных отверстий в стенках сопла позволяет генерировать в зазоре между внешней поверхностью сопла и внутренней поверхностью эжекторной насадки эжектора дополнительные акустические волны, что также увеличивает тягу эжектора.
Приведенные вышек конструктивные особенности заявленного устройства позволяют в максимальной степени обеспечить достижение указанного технического результата.