ПУЛЬСИРУЮЩИЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ В РЕЖИМЕ ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ ТОПЛИВА С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ УСКОРЕНИЕМ ГАЗОВЫХ ОБЪЕМНЫХ ЗАРЯДОВ СИЛОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
INTERMITTENT-CYCLE JET ENGINE IN MODE OF DETONATION FUEL COMBUSTION WITH ADDITIONAL ACCELERATION OF GAS VOLUME CHARGES WITH ELECTROMAGNETIC INDUCTION FORCE

Изобретение относится к пульсирующим реактивным двигателям на основе энергии детонационного сгорания топлива, но отличается высокими показателями КПД более 50%, частоты пульсаций выше 400 Гц, дополнительным ускорением переменным электромагнитным полем каждой порции продуктов химической реакции, выбрасываемой из детонационной камеры сгорания, движущейся в виде области высокого давления газов, несущей объемный заряд положительной полярности.
Известно устройство пульсирующего реактивного двигателя по патенту RU 2300005 С2 (класс F02K 7/04, 2006 г.).
Указанное устройство содержит цилиндрическую камеру сгорания, резонаторную трубу, впускные патрубки, размещенные оппозитно, форсунку и запальную свечу, вихревую предкамеру во фронтовой части камеры сгорания. Устройство работает за счет интенсификации процесса массопереноса в камере сгорания, приводящего к росту скорости квазидетонационного горения. К недостаткам устройства следует отнести низкую частоту пульсаций и недостаточно большие скачки давления в связи с неполным сгоранием порции топливной смеси в режиме детонации.
Задачей заявляемого изобретения является преобразование энергии детонационного сгорания топлива в кинетическую энергию продуктов реакции, а также в электрическую энергию, которую используют для дополнительного ускорения формируемых объемных зарядов. При этом частота следования импульсов сгорания топливной смеси превышает 400 Гц и может достигать частоты несколько килогерц с уменьшением линейных размеров устройства. При таких частотах работы устройства, вибрации, передаваемые на корпус летательного аппарата, легко устранимы.
Решение этой задачи достигается тем, что компоненты топлива, например водород и воздух, подают под давлением в смесительные камеры и через быстродействующие механические клапаны в две внутренние детонационные камеры сгорания, которые через внутренние сверхзвуковые сопла и рабочий канал соединяют в единое устройство. Одну из внутренних камер детонационного сгорания соединяют с выходной камерой сгорания и далее с внешним сверхзвуковым соплом. Внутренние камеры детонационного сгорания поддерживают скорость ударной волны в рабочем канале на уровне, необходимом для сжатия вновь поступившей в них порции топливной смеси. Энергия детонационного сгорания топлива в выходной камере сгорания преобразуется в кинетическую энергию расширяющихся газов во внешнем сверхзвуковом сопле. Таким образом в рабочем канале между двумя внутренними камерами детонационного сгорания формируют движущуюся возвратно-поступательно ударную волну, скорость которой поддерживают на уровне, необходимом для сжатия порции топливной смеси в этих камерах, путем изменения входного давления компонентов топлива. Например, необходимая для сжатия скорость ударной волны для смеси водорода с воздухом составит 2.5 М местной скорости звука, где М - число Маха, при сужающейся камере сгорания и отсутствии в ней катализатора химической реакции. Если в камеры сгорания ввести каталитический электрод, то скорость ударной волны в рабочем канале, при которой устройство продолжает работать, несколько уменьшится.
Для преобразования энергии возвратно-поступательного движения ударной волны в электрическую энергию область высокого давления в ней насыщают ионами за счет выведения электронов из камеры сгорания через каталитический электрод, высоковольтную обмотку и термоэмиссионный электрод в момент детонационного сгорания топливной смеси. Рабочий канал охвачен магнитопроводом с выходной обмоткой, в которой наводится напряжение переменного тока за счет возвратно-поступательного движения в этом канале области высокого давления, несущей положительный объемный заряд. Изменяя величину используемой электрической энергии, регулируют скорость движения ударной волны в рабочем канале при максимальном расходе топливной смеси, предусмотренном для данного устройства, а значит, управляют частотой работы пульсирующего реактивного двигателя в нужном диапазоне.
Выходное сверхзвуковое сопло соединяют с электромагнитным ускорителем заряженных частиц, представляющим собой отрезок трубы из немагнитного диэлектрического материала, охваченный несколькими магнитопроводами с обмотками, к каждой из которых подводят напряжение переменного тока с таким сдвигом по фазе, чтобы ускорить движение областей высокого давления газов, несущих в себе положительный объемный заряд, в нужном направление.
За счет высокой скорости сгорания топливной смеси в режиме пересжатой детонации достигаются высокие значения скачков давления и температуры в камерах сгорания, что способствует ионизации продуктов реакции, высокой частоте работы устройства выше 400 Гц, высокой эффективности использования топлива и высокой удельной мощности более 10 МВт на литр объема. Увеличение линейных размеров устройства, рабочий канал более двух метров, позволяет ему работать на частоте ниже 400 Гц, но при этом растут вес и размеры корпуса, магнитопроводов, увеличиваются вибрационные нагрузки и потери тепла.
Заявляемая совокупность операций, элементов и связей позволяет решить поставленные задачи изобретения за счет оптимизации процесса преобразования энергии движущегося потока вещества в кинетическую и электрическую энергию.
При изучении известных технических решений в данной области совокупность признаков, отличающих заявляемое изобретение, не была выявлена. Данное решение существенно отличается от известных, явным образом не следует из уровня техники и, соответственно, имеет изобретательский уровень.
Так как заявляемое решение может быть реализовано современными средствами и материалами, то оно является промышленно применимым.
Прилагаемые чертежи поясняют суть предлагаемого устройства.
На чертеже показаны основные компоненты пульсирующего реактивного двигателя. Для примера в качестве топлива используют водород.
На чертеже обозначено:
1 - система регулировки давления компонентов топлива,
2 - жиклер сжатого воздуха,
3 - жиклер сжатого водорода,
4 - смесительная камера,
5 - быстродействующий механический клапан,
6 - внутренняя камера детонационного сгорания,
7 - каталитический электрод,
8 - высоковольтная обмотка,
9 - высоковольтный коммутатор,
10 - устройство управления и преобразования электроэнергии,
11 - входная обмотка магнитопровода камеры сгорания,
12 - магнитопровод камеры сгорания,
13 - внутреннее сверхзвуковое сопло,
14 - рабочий канал,
15 - выходной канал,
16 - термоэмиссионный электрод,
17 - выходная камера детонационного сгорания,
18 - магнитопровод,
19 - выходная обмотка,
20 - устройство сжатия атмосферного воздуха,
21 - выходное сверхзвуковое сопло,
22 - магнитопровод ускорителя заряженных частиц.
Пульсирующий реактивный двигатель, показанный на чертеже, содержит систему регулировки давления 1, через которую компоненты топлива, например водород и воздух, подают в соответствующие жиклеры 2 и 3. Далее компоненты топлива смешиваются в смесительной камере 4 такого объема и геометрической формы, которые необходимы для их качественного перемешивания. Через быстродействующий механический клапан 5 топливная смесь поступает в камеру импульсного детонационного сгорания 6, где с помощью каталитического электрода 7 и электрического разряда необходимой мощности смесь сжигают в режиме детонации. Величина энергии электрического разряда, необходимая для инициирования детонации, зависит от начального давления газовой смеси, геометрической формы и размеров камеры сгорания, эффективности катализатора, длины разрядного промежутка и ограничена тепловой стойкостью каталитического электрода и изолятора. Для формирования электрических разрядов используют высоковольтную обмотку 8, один из выходов которой на время запуска подключают к корпусу механического клапана через высоковольтный коммутатор 9. Импульсы напряжения подают с устройства управления и преобразования электроэнергии 10 на входную обмотку 11 магнитопровода камеры сгорания 12. В начальный момент времени запуска электрические разряды в двух камерах детонационного сгорания следуют с частотой, зависящей от расстояния между этими камерами, которое определяет начальную резонансную частоту запуска устройства.
Две внутренние камеры детонационного сгорания направлены навстречу друг другу и соединены через сверхзвуковые сопла 13 и рабочий канал 14 в единое устройство. Камера сгорания, сопло и рабочий канал имеют диэлектрическое покрытие или сделаны из немагнитного диэлектрического материала, например из ударопрочной керамики.
В процессе запуска устройства в рабочем канале происходит накопление энергии в виде движущейся возвратно-поступательно ударной волны, скорость которой увеличивают путем одновременного подъема давления компонентов топлива и частоты следования электрических разрядов. Скорость ударной волны менее чем за несколько секунд поднимают до такой минимально необходимой скорости, при которой энергии движения этой волны достаточно для сжатия вновь поступившей топливной смеси. В этот момент высоковольтный коммутатор размыкают, а устройство переходит в режим инициирования детонационного горения с помощью ударной волны - режим пересжатой детонации. Для смеси водорода с воздухом в отсутствие катализатора минимальная скорость ударной волны в рабочем канале составит 2.5 М местной скорости звука, где М - число Маха. Давление компонентов топлива регулируют таким образом, чтобы скорость ударной волны в рабочем канале во всех режимах работы устройства, кроме запуска, была выше минимальной.
Когда в какой-либо из камер происходит детонационное сгорание топлива, система управления подает мощный импульс напряжения длительностью несколько десятков микросекунд на входную обмотку магнитопровода данной камеры сгорания, при этом внутри камеры возникает сила электромагнитной индукции, которая ускоряет ионы в сторону рабочего или выходного канала 15, а электроны в сторону каталитического электрода, на котором в этот момент времени присутствует высокое положительное напряжение. Каталитические свойства электрода в сочетании с электромагнитными силами позволяют выводить электроны в выходной канал через термоэмиссионный электрод 16, где происходит деионизация отработанных газов. Так в выходной камере сгорания 17 и в двух внутренних камерах детонационного сгорания получают положительный объемный заряд продуктов реакции. Ударная волна в рабочем канале, имеющая область высокого давления, несущую объемный заряд, движется возвратно-поступательно и взаимодействует с магнитопроводом 18 за счет силы электромагнитной индукции, наводящей в выходной обмотке 19 напряжение переменного тока.
Получаемую электрическую энергию используют для сжатия атмосферного воздуха в соответствующем устройстве 20, а также для формирования и дополнительного ускорения положительных зарядов областей высокого давления в выходном сверхзвуковом сопле 21 и выходном канале путем подачи импульсов напряжения на обмотки магнитопроводов ускорителя заряженных частиц 22 в соответствующей фазе.
По заявленному изобретению выполнено конструирование и моделирование отдельных узлов пульсирующего детонационного реактивного двигателя.
Областью применения изобретения является производство гиперзвуковых реактивных двигателей, способных работать, начиная с нулевой скорости движения, использующих топливо с высокой эффективностью, атмосферный воздух или окислитель на борту при движении в безвоздушном пространстве. Простота конструкции и высокая частота генерируемого электрического тока, выше 600 Гц при длине рабочего канала менее 1 м, позволяют многократно уменьшить вес и размеры предлагаемого устройства. Высокие скорость, температура и давление при детонационном сгорание топлива и дополнительное ускорение газовых объемных зарядов силой электромагнитной индукции определяют высокий КПД, более 50%, заявленного устройства получения реактивной тяги и электроэнергии.