ГИПЕРЗВУКОВОЙ ПРЯМОТОЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
HYPERSONIC RAMJET ENGINE

Изобретение относится ко всем отраслям техники, где возможно использование гиперзвуковой воздушной струи, в частности к авиационному моторостроению, а именно к гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям, которые могут быть также использованы и для пожарной техники, а именно для устройств тушения горящих фонтанов (факелов) на газовых, нефтяных и газонефтяных скважинах и т.п.
Известно устройство тушения по патенту РФ N2039212. Устройство тушения пожаров фонтана выполнено так, что в зону горения подают выхлопные огнегасящие струи турбореактивных двигателей, которые размещают равномерно по кольцу относительно оси факела, а струи направляют попарно навстречу одна другой под одинаковыми углами относительно факела, обеспечивая соприкосновение струй. Данному устройству присущи недостатки - сложность и громоздкость средств тушения, невозможность полной автоматизации.
Общеизвестна конструкция прямоточно-воздушного реактивного двигателя (ПВРД), состоящего из воздухозаборника, камеры сгорания и разгонного сопла. Недостаток известного устройства - вспомогательный старт и невозможность использования на дозвуковых скоростях.
Общеизвестна также конструкция газотурбинного двигателя, состоящего из воздухозаборника, осевого компрессора, камеры сгорания, осевой турбины, иногда форсажной камеры и разгонного сопла. Недостаток общеизвестного устройства - низкий ресурс, высокий гироскопический момент, высокая стоимость и высокое лобовое сопротивление.
Известна конструкция гиперзвукового прямоточно-воздушного реактивного двигателя, состоящего из воздухозаборника, прямоточной камеры сгорания и системы подачи топлива, см., например, RU 2262000.
Недостаток известного устройства - вспомогательный старт и невозможность использования на дозвуковых скоростях.
Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационных характеристик при снижении стоимости и повышении ресурса работы.
Поставленная задача решается созданием гиперзвукового прямоточного двигателя, имеющего воздухозаборник, прямоточную камеру сгорания и систему подачи топлива, при этом соосно прямоточной камере сгорания дополнительно на входе установлен струйный нагнетатель, а воздухозаборник отделен от камеры сгорания разделительным соплом.
Соосно прямоточной камере сгорания на выходе установлено сопло, регулирующее давление в камере сгорания.
В камере сгорания осуществляется отбор мощности для питания струйного нагнетателя.
Дополнительно имеется газотрансформатор с обратным клапаном, ресивер, газопереключатель и система пускозарядки.
Изобретение поясняется чертежами, на которых изображено:
фиг.1 - гиперзвуковой прямоточно-воздушный реактивный двигатель со струйным нагнетателем (ГПВРДСН) в режиме работы на холостом ходу;
фиг.2 - ГПВРДСН, работающий в дозвуковом режиме;
фиг.3 - ГПВРДСН, работающий на сверхзвуковом режиме;
фиг.4 - газотрансформатор;
фиг.5 - топливный клапан топливного переключения с клапаном акселератора и эжектором.
Гиперзвуковой прямоточно-воздушный реактивный двигатель со струйным нагнетателем (ГПВРДСН) совершает работу, создавая реактивную струю.
ГПВРДСН может работать в трех основных режимах, не считая переходных режимов, это: холостой ход (фиг.1.); рабочий ход (фиг.2.); рабочий ход на скоростях выше звука (фиг.3.).
2
2
Рассмотрим конструкцию и функциональное назначение узлов ГПВРДСН (фиг.1, фиг.2, фиг.3). Через воздухозаборник 1 и струйный насос 2, в котором происходит эжекция горючего, в ГПВРДСН поступает атмосферный воздух на разделительное сопло 3. При холостом ходе и дозвуковой эксплуатации воздух на разделительное сопло подается за счет струи струйного нагнетателя 8, а на сверхзвуковых скоростях за счет набегающего потока. Через разделительное сопло 3 рабочая смесь попадает в камеру сгорания 4, где при сжигании увеличивается в объеме. Следует отметить, что это многотопливная конструкция, на холостом ходу, предпочтительно сжигать высокооктановый тяжелокипящий бензин, можно в пропорции с соляровым маслом или керосином. В режиме рабочего хода оптимальна работа на газу метан, пропан, бутан или их смеси. В сверхзвуковом режиме необходимо переходить на смесь метан-водород, а на гиперзвуке - на водород. Первичный запал горючей смеси возможно производить при помощи свечи накала, устанавливаемой в камере сгорания 4. В камере сгорания поддерживается постоянное давление 8-10 кгс/см за счет конструкции сопла 5, состоящего из огнеупорных пластин 10 и тарированных пружин 9. Из камеры сгорания 4 через отводящий канал 6 отбирается часть отработанных газов (а на холостом ходу, весь отработанный объем) и подается в газотрансформатор 7. В нем за счет разгонного сопла 14, 15 (фиг.4) и разворота газового потока большой массы на тормозящем конусе 16, 17 образуется импульс компрессии на небольшую часть газов патрубка высокого давления 18, 19, примерно 1/5, но с давлением примерно в 40 кгс/см. В патрубке 19 допустима установка обратного клапана при низких расходах струйного нагнетателя. Часть этих газов после старта отбирается через стартовый клапан 12, в ресивер 13 для последующего пневмостарта, а в целом этот газ идет на сопло Лаваля струйного нагнетателя 8 струйного насоса 2.
Все элементы ГПВРДСН соединены в единый корпус 11.
2
2
На фиг.5 показан клапан топливного переключения, который при достижении 4 кгс/см в воздухозаборнике и до 10 кгс/см включительно осуществляет пропорциональную смену топлива по линейной функции.
Зона горения на фиг.1-3 обозначена надписью «Подвод тепла».
Зона эжжекции горючего не показана, но расположена в зоне струйного насоса в виде отверстий, осуществляющих впрыск перпендикулярно оси струйного нагнетателя.
Для изготовления устройства используется окалиностойкая зеркальная фольга 0,1-0,3 мм, из стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72. Все соединения выполняются контактной точечной и роликовой сваркой. Внутренние высокотемпературные поверхности покрываются диоксидом циркония, стабилизированного иттрием. Трубная обвязка выполняется из стальных бесшовных коррозионно-стойких труб по ГОСТ 9941-81. Обечайка сопла 3 выполнена по многопластинной схеме, где пластины подпружиниваются за счет собственной упругости и работают по схеме консольной балки, приваренной к корпусу контактной точечной сваркой. В клапане топливного переключения по фиг.5, состоящего из корпуса 20, золотника с регулирующим поршнем 21, пружина 22 нуждается в тщательной тарировке. Вместо пружин 9 допустимо устанавливать цилиндры пневмоподпружинивания, в которых на сверхзвуковых скоростях допустимо сбрасывать давление с образованием обратного конуса.
Данное устройство позволяет более эффективно создавать гиперзвуковую воздушную струю, что также актуально для авиационного моторостроения и отраслей, где возможно использование реактивной струи.