ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как зенитные, авиационные и тактические ракеты, беспилотные разведчики, летающие мишени и т.п.
Известен двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий вентилятор, компрессор высокого давления, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления, смеситель и общие для обоих контуров форсажную камеру и сопло, отличающийся тем, что за первой ступенью компрессора высокого давления, выполнен постоянно открытый кольцевой канал со спрямляющей решеткой, через который на всех режимах работы двигателя осуществляется перепуск части воздуха из-за ступени в спутный поток воздуха наружного контура за вентилятором, см. патент РФ №2353790
Известен двухконтурный турбореактивный двигатель, содержащий компрессор низкого давления, последовательно установленные во внутреннем контуре газогенератор, включающий компрессор высокого давления, камеру сгорания и турбину низкого давления, кинематически соединенную с компрессором низкого давления, а в наружном контуре - камеру сгорания наружного контура и турбину наружного контура, соединенную валом с турбиной низкого давления, за которой размещен переходник, сообщающий полость за турбиной низкого давления с кольцевым каналом, расположенным по периферии турбины наружного контура, а воздушный канал наружного контура - с полостью перед камерой сгорания наружного контура, реактивное сопло и регулируемый клапан перепуска воздуха из полости перед турбиной наружного контура в кольцевой канал, отличающийся тем, что в двигателе, работающем на топливе с высоким хладоресурсом, в воздушном канале перед газогенератором последовательно по ходу воздуха установлен топливовоздушный теплообменник системы топливоподачи в камеры сгорания с регулируемыми топливными клапанами, имеющий две секции, первая из которых подключена по выходу к камере сгорания газогенератора, а вторая - к камере сгорания наружного контура, см. патент РФ №2237176.
2
1
1
2
Одним из важнейших параметров турбореактивных двигателей является степень двухконтурности, то есть отношение расхода воздуха через внешний контур к расходу воздуха через внутренний контур. m-G/G, где G и G расходы воздуха через внутренний и внешний контуры соответственно.
В турбореактивных двигателях заложен принцип повышения полетного к.п.д. двигателя за счет уменьшения разницы между скоростью истечения рабочего тела из сопла и скоростью полета. Уменьшение тяги, которое вызывает уменьшение этой разницы между скоростями, компенсируется за счет увеличения расхода воздуха через двигатель. Следствием увеличения расхода воздуха через двигатель является увеличение площади фронтального сечения входного устройства двигателя, следствием чего является увеличение диаметра входа в двигатель, что ведет к увеличению его лобового сопротивления и массы. Иными словами, чем выше степень двухконтурности - тем большего диаметра будет двигатель при прочих равных условиях.
Известен пульсирующий воздушно-реактивный детонационный двигатель, содержащий, в частности, цилиндрическую камеру сгорания, резонаторную трубу, впускную трубу и форсунки, отличающийся тем, что камера сгорания в головной части разделена на два объема трубчатым или пластинчатым пакетом, при этом первый по ходу течения объем в головной части имеет топливную форсунку и соединен с впускной трубой и форкамерой, установленной напротив форсунки, а второй объем камеры сгорания по ходу течения за трубчатым или пластинчатым элементом снабжен свечами зажигания, установленными за топливными форсунками, и имеет стенки, выполненные с кольцевыми гофрами и далее соединен с резонаторной трубой, см патент РФ №2443893. Данное изобретение направлено на повышение термодинамического кпд путем увеличения амплитуды пульсаций давления.
Общий принцип работы ПуВРД заключается в следующем.
Воздух, проходя через конфузорную часть двигателя, увеличивает свою скорость, вследствие чего давление на этом участке падает, что приводит к подсасыванию топлива, которое в перемешанном виде поступает в камеру сгорания. Первоначально топливно-воздушная смесь, заполнившая объем камеры сгорания, воспламеняется с помощью электрической свечи. Когда двигатель выйдет на рабочий режим, вновь поступающая в камеру сгорания топливно-воздушная смесь воспламеняется не от постороннего источника, а от горячих газов. Образовавшиеся в процессе сгорания топливовоздушной смеси газы резко повышают давление в камере сгорания, и пластинчатые клапаны клапанной решетки закрываются, а газы устремляются в открытую часть камеры сгорания в сторону выхлопной трубы. В некоторый момент давление и температура газов достигают своего максимального значения. В этот период скорость истечения газов из реактивного сопла и тяга, развиваемая двигателем, также максимальны. Под действием повышенного давления в камере сгорания горячие газы движутся в виде газового «поршня», который, проходя через реактивное сопло, приобретает максимальную кинетическую энергию. По мере выхода основной массы газов из камеры сгорания давление в ней начинает падать. Таким образом, в рабочей трубе двигателя в процессе его работы происходит колебание газового столба: в период повышенного давления в камере сгорания газы движутся в сторону выхода, в период пониженного давления - в сторону камеры сгорания. И чем интенсивнее колебания газового столба в рабочей трубе, тем глубже величина разрежения в камере сгорания, тем больше в нее поступит топливно-воздушной смеси, что, в свою очередь, приведет к повышению давления, а следовательно, и к увеличению тяги, развиваемой двигателем за рабочий цикл.
Бесклапанные ПуВРД, иначе - U-образные ПуВРД. В этих двигателях отсутствуют механические воздушные клапаны, а чтобы обратное движение рабочего тела не приводило к уменьшению тяги, тракт двигателя выполняется в форме латинской буквы «U», концы которой обращены назад по ходу движения аппарата, при этом истечение реактивной струи происходит сразу из обоих концов тракта. Поступление свежего воздуха в камеру сгорания осуществляется за счет волны разрежения, возникающей после импульса и «вентилирующей» камеру, а изощренная форма тракта служит для наилучшего выполнения этой функции. Отсутствие клапанов позволяет избавиться от характерного недостатка клапанного ПуВРД - их низкой долговечности (на самолете-снаряде Фау-1 клапаны прогорали приблизительно после получаса полета, чего вполне хватало для выполнения его боевых задач, но абсолютно неприемлемо для аппарата многоразового использования), см. https://ru.wikipedia.org/wiki.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Для пульсирующих воздушно-реактивных двигателей также актуальна задача повышения степени их контурности с целью повышения к.п.д. двигателя.
Недостатком прототипа является низкий к.п.д. двигателя, обусловленный большим лобовым сопротивлением двигателя, а также вибрация, создаваемая интенсивными колебаниями газового столба в трубах двигателя.
Задачей полезной модели является повышение к.п.д. пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, уменьшение лобового сопротивления и повышение мощности двигателя, а также снижение его вибрации.
Сущность заявляемой полезной модели как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Согласно полезной модели пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, содержащий, камеру сгорания, форсунку для топлива и запальную свечу, характеризуется тем, что камера сгорания выполнена двухконтурной, первый ее контур выполнен в виде полого тела со стенками в форме эллиптического параболоида, а второй контур выполнен в виде сверхзвукового сопла Лаваля, ориентированного по главной оси параболоида, при этом докритический участок сверхзвукового сопла размещен внутри параболоида в первом контуре камеры сгорания с зазором относительно внутренней поверхности его стенок, а его закритический участок размещен вне параболоида, при этом запальная свеча зажигания и форсунки для топлива размещены в полости первого контура камеры сгорания, кроме того камера сгорания снабжена третьим контуром, выполненным в виде конусообразного кожуха-обечайки, входной срез которого размещен с зазором относительно наружной поверхности стенок параболоида первого контура камеры сгорания, а выходной его срез размещен с зазором относительно наружной поверхности стенок закритического участка сверхзвукового сопла второго контура, причем геометрия конусообразного кожуха-обечайки, выбрана из условия образования в полости между его стенками и стенками сверхзвукового сопла второго контура дополнительного реактивного сопла третьего контура.
В этом заключается совокупность существенных признаков полезной модели, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Обеспечиваемый полезной моделью технический результат заключается в том, что размещение на одной оси первого контура камеры сгорания в форме параболоида и второго контура, в виде сверхзвукового сопла, устраняет вибрацию от момента сил при разновременных колебаниях газового столба, существенно уменьшает лобовое сопротивление за счет того, что наружная поверхность первого контура камеры сгорания представляет собой поверхность с низким коэффициентом аэродинамического сопротивления, а отсутствие каких-либо клапанов повышает долговечность пульсирующего воздушно-реактивного двигателя.
Третий контур в виде конусообразного кожуха-обечайки обеспечивает повышение полетного к.п.д. двигателя за счет уменьшения разницы между скоростью истечения рабочего тела из сопла и скоростью полета.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез по заявленному устройству.
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель содержит камеру сгорания 1. Первый ее контур выполнен в виде полого тела со стенками в форме эллиптического параболоида 2, а второй контур выполнен в виде сверхзвукового сопла Лаваля 3, ориентированного по главной оси параболоида 2. Докритический участок 4 сверхзвукового сопла 3 размещен внутри параболоида 2 с зазором относительно внутренней поверхности его стенок. Закритический участок 5 сверхзвукового сопла 3 размещен вне параболоида 2. Камера сгорания 1 снабжена размещенными внутри параболоида 2 запальной свечей зажигания 6 и форсунками 7 для топлива. Камера сгорания снабжена третьим контуром, выполненным в виде конусообразного кожуха-обечайки 8, входной срез 9 которого размещен с зазором относительно наружной поверхности стенок параболоида 2 первого контура камеры сгорания, а выходной его срез 10 размещен с зазором относительно наружной поверхности стенок закритического участка сверхзвукового сопла второго контура. Полость между стенками кожуха-обечайки 8 и стенками закритического участка 5 сверхзвукового сопла 3 второго контура образует реактивное сопло 11 третьего контура.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Смесь воздуха и топлива поджигается в камере сгорания 1. Свеча зажигания 6 нужна только для запуска, дальнейшее горение поддерживается горячими газами, которые присутствуют в камере сгорания 1 постоянно, а также раскаленными конструкциями двигателя. Смесь топлива и воздуха сгорает и, образовавшиеся в процессе сгорания топливовоздушной смеси газы, расширяясь выходят как из открытой части первого контура параболической камеры сгорания 1, так и из сверхзвукового сопла 3 второго контура, создавая необходимую тягу и разрежение в камере сгорания.
Как только «поршень» из газов минует воздухозаборник третьего контура, свежая порция воздуха начнет перемешиваться с остатками горячих газов в районе критического сечения наружной поверхности сопла Лаваля и засасываться в камеру сгорания 1, в то время как газы во втором контуре продолжают движение в сверхзвуковом сопле 3, создавая тем самым разрежение в камере сгорания 1. Свежая порция воздуха засасывается в камеру сгорания 1, через зазор между внутренней стенкой параболоида 2 и сверхзвуковым соплом 3, куда также через форсунки 7 впрыскивается топливо. В то же самое время из третьего контура часть газов возвращается назад за счет колебательного процесса, в результате чего новая порция топливовоздушной смеси сжимается, воспламеняется и цикл работы двигателя повторяется.
Заявленное техническое решение устраняет вибрацию от момента сил при разновременных колебаниях газового столба, существенно уменьшает лобовое сопротивление за счет того, что наружная поверхность первого контура камеры сгорания представляет собой поверхность с низким коэффициентом аэродинамического сопротивления, а отсутствие каких-либо клапанов повышает долговечность пульсирующего воздушно-реактивного двигателя.
Заявленное техническое решение обеспечивает повышение к.п.д. двигателя за счет уменьшения лобового сопротивления клапанного устройства и системы из U-образных труб, а также за счет улучшения воздухозабора и за счет уменьшения разницы между скоростью истечения рабочего тела из сопла и скоростью полета.
Заявленное техническое решение может быть реализовано с использованием известных технических средств и технологий.