Способ двухконтурной продувки пульсирующего воздушно-реактивного двигателя и двухконтурный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель
METHOD OF PULSE JET ENGINE DOUBLE-FLOW BLOWING AND DOUBLE-FLOW PULSE 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 способ продувки пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (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). Он реализуется на основе применения одного устройства - клапанной решетки. Она представляет собой конструкцию 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 способа продувки ПуВРД, основанного на применении механических клапанных решеток, являются 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 невысокому 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.
Также известен способ продувки 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) вследствие 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, гидравлическое сопротивление обратному выбросу с ростом скорости возрастает, и работа существенным образом улучшается.
Этот процесс для наглядности показан на нижеприведенном 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 путем увеличения объема цикловой продувки камеры сгорания ПуВРД, которая прямым образом зависит от обратного гидравлического сопротивления клапана. Увеличение же амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно к снижению удельного расхода топлива. Поэтому естественным техническим решением является комбинация двух способов продувки ПуВРД, когда его продувка производится одновременно через два контура впускных клапанов - аэродинамический и механический. Совместная продувка через два контура клапанов приводит к значительному улучшению скоростной характеристики ПуВРД. ПуВРД приобретает новое качество - прогрессивную скоростную характеристику в широком диапазоне скоростей полета, а при скорости выше 150 м/с по тяге и удельному расходу топлива он в двое превосходит аналогичный ПуВРД с механическими клапанами. Пример такой характеристики приведен ниже на графике. Эти данные получены авторами теоретически и экспериментально.
Технический результат, достигаемый в результате реализации группы предлагаемых изобретений, заключается в повышении термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления, происходящем при увеличении объема цикловой продувки камеры сгорания.
Техническая задача решается путем организации двухконтурной продувки на цикле всасывания через лепестковый механический клапан и аэродинамический и последующей организации интенсивного перемешивания в камере сгорания путем струйного обдува зоны горения через профилированные отверстия дефлектора механического клапана, приводящего к образованию кольцевых вихрей. Это увеличивает скорость горения и тепловыделения в камере сгорания. Дополнительно на увеличение скорости горения оказывает влияние вдув навстречу основному потоку струи газа из форкамеры, расположенной на торцевой стенке камеры сгорания.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе двухконтурной продувки пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД), заключающемся в подаче воздуха через клапан, последующем его перемешивании с топливом и поджиге, продувку ПуВРД на цикле всасывания осуществляют одновременно через два контура разнотипных впускных клапанов - аэродинамического и механического, с последующей организацией интенсивного перемешивания в камере сгорания путем струйного обдува зоны горения с образованием кольцевых вихрей. Кроме того, дополнительно осуществляют вдув навстречу основному потоку струи газа из эжекторной форкамеры, расположенной на торцевой стенке камеры сгорания.
В известном двухконтурном пульсирующем воздушно-реактивном двигателе (ПуВРД), содержащем, в частности, камеру сгорания, резонаторную трубу, впускные трубы, сопло подачи газа, змеевик нагрева газа и запальную свечу, передняя торцевая стенка камеры сгорания выполнена с механическим лепестковым клапаном, а задняя торцевая стенка камеры сгорания выполнена с эжекторной форкамерой. Механический лепестковый клапан выполнен с дефлектором, содержащим профилированные отверстия.
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 ПуВРД, реализующего способ двухконтурной продувки.
На фиг. 1 показан заявляемый двухконтурный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД),
На фиг. 2 показана смонтированная на задней торцевой стенке камеры сгорания эжекторная форкамера,
На фиг. 3 показан смонтированный на передней торцевой стенке камеры сгорания механический лепестковый клапан,
На фиг. 4 показаны группы кольцевых вихрей, сформированных элементами механического лепесткового клапана.
Позициями на чертеже показаны:
1 - сопло подачи газа,
2 - первая впускная труба-смеситель,
3 - вторая впускная труба,
4 - камера сгорания,
5 - козырек,
6 - задняя торцевая стенка камеры сгорания,
7 - резонаторная труба,
8 - запальная свеча,
9 - змеевик нагрева газа,
10 - дроссель,
11 - топливный бак (с жидким пропаном),
12 - газовая магистраль,
13 - механический лепестковый клапан,
14 - упругий лепесток,
15 - отбойник,
16 - дефлектор,
17 - профилированные отверстия,
18 - эжекторная форкамера,
19 - внутренний смеситель,
20 - отверстия,
21 - газопроводная трубка,
22 - зона соударения струйных течений,
23 - группа кольцевых вихрей, сформированных элементами механического лепесткового клапана,
24 - контур фюзеляжа самолета.
Двухконтурный пульсирующий ПуВРД, представленный на чертежах, содержит сопло 1 подачи газа с соосно закрепленными первой впускной трубой - смесителем 2, второй впускной трубой 3, на торце которой закреплена камера сгорания 4 с козырьком 5 и задней торцевой стенкой 6. К задней торцевой стенке 6 камеры сгорания 4 закреплена резонаторная труба 7 с запальной свечой 8. Змеевик нагрева газа 9 через дроссель 10 соединяется с топливным баком 11, в котором находится жидкий пропан, и через газовую магистраль 12 - с соплом подачи газа 1. На передней стенке камеры сгорания 4 закреплен механический лепестковый клапан 13 с упругими лепестками 14 и отбойниками 15. За механическим лепестковым клапаном 13 закреплен дефлектор 16 с профилированными отверстиями 17. Задняя торцевая стенка камеры сгорания 6 содержит жестко закрепленную эжекторную форкамеру 18 с трубкой внутреннего смесителя 19, перфорированной в передней части отверстиями 20 и соединенной через газопроводную трубку 21 с газовой магистралью 12.
При частичном открытии дросселя 10 и подачи искры на запальную свечу 8 происходят воспламенение газа и горение внутри камеры сгорания 4. Через некоторое время змеевик нагрева газа 9 и стенки камеры сгорания 4 разогреваются и дальнейшее открытие дросселя 10 приводит к осуществлению рабочего цикла двухконтурного пульсирующего ПуВРД. Он осуществляется следующим образом.
Подаваемый газ через сопло подачи газа 1 эжектирует воздух в первый контур воздухозабора - в первую впускную трубу-смеситель 2 и вторую впускную трубу 3, выполняющие в заявляемом двухконтурном пульсирующем ПуВРД еще и функцию аэродинамического клапана. Далее струйное течение воздушно-газовой смеси, не доходя до задней торцевой стенки 6 камеры сгорания 4, соударяется с встречным струйным течением 22 высокотемпературного газа, выбрасываемого эжекторной форкамерой 18. В зоне соударения группы кольцевых вихрей 23, сформированных элементами механического лепесткового клапана 13, происходит инициализация горения, и горящая смесь далее движется по камере сгорания 4 в резонаторную трубу 7. Ниже по течению она встречается с группой кольцевых вихрей 23, сформированных профилированными отверстиями 17 дефлектора 16 механического лепесткового клапана 13, являющимся вторым контуром подачи воздуха. Эти кольцевые вихри 23 образуются на цикле всасывания при продувке камеры сгорания 4 через открытые упругие лепестки 14 механического лепесткового клапана 13. Встреча группы воздушных кольцевых вихрей 23 с высокотемпературными продуктами сгорания происходит в условиях интенсивного массопереноса, что вызывает резкое повышение давления за счет интенсификации горения. Дальнейшее горение идет на витках змеевика нагрева газа 9, дополнительно выполняющего функцию «Спирали Щелкина», турбулизирующей и ускоряющей горение.
Описанный процесс соответствует одной фазе рабочего цикла, а именно фазе продувки с последующим воспламенением и горением. Далее происходит фаза выброса продуктов сгорания через резонаторную трубу и частично через клапаны, и цикл повторяется. Цикличность же работы традиционно реализуется настройкой на резонанс за счет изменения длины впускной трубы-смесителя 2, длины резонаторной трубы 7 и геометрии камеры сгорания 4 со второй впускной трубой 3.
При установке двухконтурного пульсирующего ПуВРД на летательный аппарат необходимо, чтобы второй контур подачи воздуха - механический лепестковый клапан 13 находился в аэродинамический тени за фюзеляжем самолета 24, что обеспечивает его работоспособность в широком диапазоне скоростей полета. Подача дополнительного воздуха через второй контур в значительной степени компенсирует недостаток аэродинамического клапана первого контура - его низкое гидравлическое сопротивление выбросу продуктов сгорания навстречу потоку при совершении рабочего цикла. Прирост реактивной тяги на скоростях полета до 100 м/сек может достигать 100%.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемом чертеже. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентами, не выходящими за пределы объема настоящего изобретения.