СОПЛО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно к конструкциям сопла малоразмерных воздушно-реактивных двигателей.
Известно выходное устройство (сопло) с эжекторным усилителем тяги, которое не нашло применения из-за низкого КПД и больших габаритов эжекторного канала. Низкий уровень КПД был обусловлен вязкостным механизмом передачи энергии эжектируемому воздуху (присоединенной массе) по пульсирующему эжекторному усилителю тяги (с волновым способом передачи энергии). Научное открытие №314 обеспечило качественное повышение КПД, но оставался эжекторный канал, что не может быть использовано при создании пульсирующего воздушно-реактивного двигателя с определенными параметрами рабочих пульсаций (Кудрин О.И., Квасников А.В., Челомей В.Н. Открытие №314. Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей // Вестник АН СССР. - 1986. - №10).
Наиболее близким к предлагаемому является сопло реактивного двигателя, содержащее обечайку и центральное тело, в торцевой стенке которого выполнена полусферическая резонаторная полость, между обечайкой и центральным телом образован канал, сообщенный с резонаторной полостью, критическое сечение которого расположено под углом к плоскости среза сопла (В.И. Богданов, Д.С. Ханталин. Особенности расчета сферического газодинамического резонатора-усилителя реактивной тяги. Вестник РГАТУ им. П.А. Соловьева. Рыбинск. 2014. №3. С. 42-47).
Известное сопло способно существенно увеличивать реактивную тягу за счет процессов присоединения масс. В нем организована стационарная (не пульсирующая) подача газа в кольцевое сопло с выходом радиальных струй из критического сечения под углом 90° относительно оси со сверхзвуковой скоростью. Радиальные струи истекают в пространство, ограниченное полусферической стенкой. Образующаяся при этом полусферическая полость работает как резонатор (по типу Гартмана-Шпренгера), возбуждая неустановившееся пульсирующее течение, образующееся за выходным коническим участком.
Представленный резонатор как усилитель тяги может использоваться в качестве выходного устройства (сопла) в реактивных двигателях. Однако реализация такого резонатора в качестве выходного устройства воздушно-реактивного двигателя проблематична из-за увеличенного поперечного габарита. Известно, что газовый поток в воздушно-реактивном двигателе даже при прямолинейном течении на входе в форсажную камеру, определяющую мидель двигателя, имеет минимальную приведенную скорость, соответствующую λ=0,2. Это значение λ еще обеспечивает приемлемый уровень гидравлических потерь при повороте потока на 90°, но при этом будет явно увеличенный мидель и соответствующее падение лобовой тяги, которая является критическим параметром воздушно-реактивного двигателя особенно для сверхзвуковых скоростей полета.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей сопла воздушно-реактивного двигателя при сохранении миделя двигателя и тяговых характеристик за счет уменьшения угла выхода потока газа.
Технический результат достигается тем, что в конструкции сопла воздушно-реактивного двигателя, содержащего обечайку и центральное тело, в торцевой стенке которого выполнена полусферическая резонаторная полость, между обечайкой и центральным телом образован канал, сообщенный с резонаторной полостью, критическое сечение сопла расположено под углом к плоскости среза сопла, в отличие от известного, обечайка выполнена сужающейся в направлении резонаторной полости с образованием угла наклона критического сечения к плоскости среза сопла 35-45°.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, на котором изображена схема предлагаемого сопла воздушно-реактивного двигателя.
Сопло содержит обечайку 1, внутри которой установлено центральное тело 2. В торцевой (передней) стенке центрального тела 2 выполнена полусферическая резонаторная полость 3. Стенка обечайки 1 сужается в направлении резонаторной полости (выхода сопла). Между обечайкой 1 и центральным телом 2 образован канал 4, сообщенный с резонаторной полостью 3. Критическое сечение 5 сопла расположено под углом β к плоскости среза сопла, угол наклона составляет от 35° до 45°. Угол β определяется расчетно-конструкторской проработкой. При угле наклона критического сечения сопла менее 35° эффект вырождается (прироста тяги почти нет). При угле наклона критического сечения сопла более 45° поперечный габарит сопла выходит за пределы миделя двигателя.
Устройство работает следующим образом.
При работе двигателя смесь газов из канала 4 истекает через критическое сечение 5 канала под углом β, пройдя через которое, образует смыкающуюся за срезом сопла струю. В области смыкания струи повышается статическое давление, что приводит к возникновению волновых возмущений, распространяющихся в резонаторную полость 3, которая является источником возбуждения пульсаций параметров течения, что приводит к возникновению пульсирующего потока, в котором проявляются эффекты присоединения массы, увеличивающие тягу выходного устройства. Суть процесса присоединения массы была исследована в ОАО «НПО «Сатурн» (Богданов В.И. Взаимодействие масс в рабочем процессе пульсирующих реактивных двигателей как средство повышения их тяговой эффективности // ИФЖ. 2006. Т. 79. №3. С. 85-90).
Результаты исследования сопла с геометрическими и газодинамическими данными, соответствующими проекту малоразмерного воздушно-реактивного двигателя, показали его работоспособность: улучшение тяговых характеристик на 6% (на скорости полета, соответствующей числу М=0,8) при сохранении миделя двигателя.