ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СО СВОБОДНОПОРШНЕВЫМ МЕМБРАННЫМ КОМПРЕССОРОМ

Предлагаемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно к малоразмерным двигателям, и может быть использована в качестве двигательной установки малоразмерного беспилотного летательного аппарата.
Известен воздушно-реактивный двигатель, содержащий лопаточный компрессор, камеру сгорания, турбину, реактивное сопло [1].
Недостатком такого двигателя является большой вес компрессора и турбины, невозможность изготовления в малом размере эффективного турбокомпрессорного агрегата (по причине больших потерь при перетекании на лопатках турбокомпрессорного агрегата и низкой лобовой тяги в случае использовании центробежных компрессоров и центростремительных турбин), невозможность использования такого двигателя в качестве эффективной и экономичной двигательной установки малоразмерного летательного аппарата так как дополнительная ступень преобразования энергии (компрессор-турбина) увеличивают вес и снижают КПД установки.
Известен свободнопоршневой двигатель (генератор газа), содержащий уравновешенные поршневые группы, расположенные внутри неподвижного корпуса, соединенные механизмом синхронизации [2].
Недостатком такого двигателя являются сложность конструкции, обусловленная сложностью и массивностью деталей механизма синхронизации и общая неуравновешенность системы и больший вес по сравнению с предлагаемой конструкцией, неполнота сгорания топливной смеси, малая экономичность.
Задачей данной полезной модели является создание эффективного воздушно-реактивный двигателя для малоразмерных летательных аппаратов, уменьшение его веса, увеличение удельной мощности и повышение экономичности, а также повышение полноты сгорания компонентов топливной смеси.
Решение указанной задачи достигается тем, что в воздушно-реактивном свободнопоршневом двигателе, содержащем компрессор, свободнопоршневой привод, камеру сгорания, реактивное сопло, компрессор выполнен в виде двух подвижных мембран, установленных, на верхней и нижней сторонах корпуса свободнопоршневого привода, соединенных с помощью тяг механизма синхронизации с поршневыми группами свободнопоршневого привода, двигатель дополнительно снабжен двумя пульсирующими реактивными камерами сгорания, входные устройства которых соединены с выпускными окнами мембранного компрессора, на выходе каждой из камер сгорания воздушно-реактивного двигателя установлены эжекторные увеличители тяги.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется следующими чертежами фиг.1, фиг.2. На фиг.1 изображен общий вид воздушно-реактивного свободнопоршневого двигателя с мембранным компрессором, на фиг.2 показан вид сверху воздушно-реактивного свободнопоршневого двигателя с мембранным компрессором.
Воздушно-реактивный двигатель (фиг.1) содержит корпус свободнопоршневого привода 1, две тонкостенные мембраны 2, каждая мембрана снабжена механизмом синхронизации 3, соединенным с поршневыми группами 4, и впускными клапанами 5, расположенными на вершине каждой из мембран. Двигатель содержит буферные поршни 6, соединенные с рабочими поршнями 7, таким образом, образуя поршневые группы 4 и буферные цилиндры 8, а также пусковые клапана 9 размещенные в торцах корпуса, впускные окна 10, расположенные по окружности рабочего цилиндра, выпускные окна 11, подмембранное пространство 12, образованное подвижной мембраной 2 и ее основанием 13.
Двигатель так же содержит (см. фиг.2) два патрубка 14, по которым продукты сгорания с избыточным окислителем из камеры сгорания свободнопоршневого привода 15 подводятся к двум реактивным пульсирующим камерам сгорания воздушно-реактивного двигателя 16 на каждой из которых установлены эжекторные увеличители тяги (на фиг. не показаны).
Предлагаемый воздушно-реактивный свободнопоршневой двигатель с мембранным компрессором работает следующим образом.
Сжатый воздух от внешнего источника, например из баллона, подается через пусковые клапана 9 в буферные цилиндры 8 и перемещает поршневые группы 4 навстречу друг другу. При максимальном сближении рабочих поршней 7 происходит самовоспламенение топливной смеси в камере сгорания свободнопоршневого привода компрессора (коэффициент избытка окислителя принимается α=(1÷3) за счет повышения температуры при сжатии (принцип дизеля), коэффициент избытка окислителя принимается α=1÷3. Далее поршни 7 совершают рабочий ход, при котором с помощью механизма синхронизации 3 происходит уменьшение объема под мембранами 2 и повышение давления топливовоздушной смеси в подмембранном пространстве 12. Затем открываются впускные окна 10 через которые происходит заполнение камеры сгорания 15 свободнопоршневого привода компрессора сжатой топливной смесью. При максимальном расхождении поршней 7, давление в буферных цилиндрах 8 становится больше чем давление в камере сгорания 15 и происходит обратный ход поршней 7. При обратном ходе поршней 7 (навстречу друг другу) мембраны 2 возвращаются в исходное положение, и одновременно открываются впускные клапаны 5. Подмембранное пространства 12 заполняется новой порцией топливовоздушной смеси. При этом продукты сгорания с избыточным окислителем выходят из камеры сгорания 15 свободнопоршневого привода через выпускные окна 11 по патрубкам 14 в пульсирующую камеру сгорания 16 воздушно-реактивного двигателя, где дожигаются и, истекая через реактивное сопло, создают реактивную тягу. Затем цикл повторяется вновь.
Достоинства схемы согласно полезной модели, показанной на фиг.1, фиг.2 следующие:
1) Мембранный компрессор в комплексе со свободнопоршневым приводом является уравновешенной системой, поршни свободнопоршневого привода не испытывают боковых нагрузок связанных с перекосом штока как в обычном двигателе внутреннего сгорания.
2) Механизм синхронизации выполняет как функцию синхронизации, так и приводит в движение мембрану компрессора. Таким образом, отпадает необходимость в отдельном приводе компрессора, следовательно, масса двигательной установки не увеличивается.
3) Максимальное усилие в тяге механизма синхронизации имеет место при прямом ходе поршней, т.е. тяга работает на растяжение при сжатии воздуха. При обратном же ходе нагрузка на тягу намного меньше, следовательно, она может быть выполнена в виде тонкой спицы малого веса.
4) Мембранный компрессор намного легче компрессоров других типов при получении того же давления. Он может быть выполнен из ткани с пропиткой, что благоприятно влияет на общий вес системы.
5) Пуск свободнопоршневого привода компрессора может осуществляться с помощью баллона сжатого воздуха, отпадает необходимость в стартере и дополнительных устройствах пуска.
6) За счет дожигания продуктов сгорания, образующихся в результате работы свободнопоршневого привода мембранного компрессора, в пульсирующей реактивной камере, увеличивается эффективность и экономичность двигательной установки, улучшается экологичность выхлопа, а также уменьшаются демаскирующие признаки.
Источники информации:
1. Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Изд. 2-е. М. Машиностроение. 2003
2. Патент №299663