РЕЗОНАНСНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Полезная модель относится к авиационной и ракетной технике, а именно к воздушно-реактивным двигателям (ВРД), и может быть использована на скоростных беспилотных и пилотируемых летательных аппаратах.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель по патенту РФ №163847, включающий камеру сгорания, форсунку для топлива и запальную свечу, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена двух-контурной, 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.
Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель по патенту РФ №163848, содержащий камеру сгорания, форсунку для топлива и запальную свечу, характеризуется тем, что камера сгорания выполнена двух-контурной, 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.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа.
К недостаткам этого технического решения относятся высокий уровень шума, неэкономичность и загрязнение окружающей среды вредными продуктами сгорания топлива.
Задачей полезной модели является создание дешевого, экономичного, конструктивно простого, надежного двигателя, с пониженным уровнем шума и вредных выбросов.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения, указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Согласно полезной модели резонансный воздушно-реактивный двигатель, включающий, размещенные внутри звукопоглощающей оболочки двигателя, камеру сгорания, систему подачи топлива и систему зажигания, отличающийся тем, что он снабжен последовательно размещенными электрическим мотор-генератором и компрессором, установленными перед камерой сгорания, которая выполнена двухзонной из проницаемого для окислителя воздуха материала с последовательным расположением зон горения, причем первая зона камеры сгорания выполнена в виде резонатора Гельмгольца с дозвуковым соплом, а вторая зона выполнена в виде сопла Лаваля, при этом сопло резонатора Гельмгольца и критическое сечение сопла Лаваля размещены друг относительно друга с образованием эжектора для интенсивного охлаждения камеры сгорания.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:
- в качестве проницаемого для окислителя воздуха материала камеры сгорания использована намотка из жаропрочной проволоки;
- в качестве проницаемого для окислителя воздуха материала камеры сгорания использован пористый термоструктурируемый композиционный материал.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что заявленный двигатель устраняет недостатки как прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), заключающиеся в отсутствии достаточной тяги при взлете, так и турбореактивных двигателей, заключающихся в сложности и большой стоимости турбины в горячей зоне с очень сложными и дорогостоящими лопатками, за счет подачи окислителя воздуха в камеру сгорания на взлете компрессором с электрическим приводом, интенсивного перемешивания окислителя воздуха с топливом и вихреобразного сжигания смеси в двух зонной камере сгорания, первая зона которой выполнена в виде резонатора Гельмгольца, а вторая в виде сопла Лаваля для дожигания топливной смеси.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлен продольный разрез по заявленному двигателю.
На чертеже позициями обозначены: 1 - мотор-генератор, 2 - компрессор с приводом от мотор-генератора 1, 3 - система подачи топлива, 4 - система зажигания, 5 - первая зона двухзонной камеры сгорания в виде резонатора Гельмгольца с дозвуковым соплом 6, 7 - вторая зона двухзонной камеры сгорания в виде расширяющейся части сопла Лаваля, 8 - эжектор, образованный соплом резонатора Гельмгольца и критическим сечением сопла Лаваля, 9 - звукопоглощающая оболочка двигателя.
Заявленное устройство работает следующим образом.
На старте и разгоне летательного аппарата до 0,5 М окислитель воздуха подают в камеру сгорания компрессором 2 с электрическим приводом 1, через зазоры между витками намотки из жаропрочной проволоки или сквозь поры в термоструктурированном материале. Топливо (жидкое или газообразное, например, водород) подают через форсунку системы подачи топлива 3 и поджигают свечой системы зажигания 4. В камере сгорания 5 происходит вихреобразное сгорание топливной смеси и ее выброс через дозвуковое сопло резонатора Гельмгольца 6 с резонансной частотой и малым шумом в расширяющую часть сопла Лаваля 7, где происходит дожигание топливной смеси, сопровождающееся снижением вредных выбросов в атмосферу, увеличением скорости и кинетической энергии.
Камера сгорания КС выполнена двухзонной, с последовательным расположением зон горения. Первая, в виде резонатора Гельмгольца - зона с богатой ТВС (коэффициент избытка топлива ϕ или FAR (обратный а или AFR) равен 1,8). Здесь имеет место устойчивое горение смеси при относительно невысокой температуре и малом количестве кислорода.
Поэтому количество образующихся окислов азота мало. Но при этом образуется достаточно много горючих веществ типа СО, простейших углеводородов СН, водорода Н2, а также углерода (сажи). Эти вещества нельзя выпускать в атмосферу, поэтому организована вторая зона горения в расширяющейся части сопла Лаваля.
На скорости летательного аппарата более 0,5 М заявленный двигатель переходит в режим ПВРД с переводом компрессора в режим ветрогенератора для питания бортовых электрических систем и подзарядки аккумуляторов.
На скорости полета более 0,5 М лопатки компрессора 2 устанавливают в положение близкое к флюгерному, но с возможностью работы компрессора 2 в режиме ветрогенератора для зарядки бортовых аккумуляторов, а двигатель переходит в режим прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Заявленное техническое решение представляет собой дешевый, высокоскоростной, малошумный воздушно-реактивный двигатель небольшой массы, с улучшенной экологией, который содержит небольшое количество деталей и является простым в изготовлении и эксплуатации.