ДЕТОНАЦИОННЫЙ ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ДВИГАТЕЛЬ
DETONATION PULSE ENGINE

Настоящее изобретение относится к детонационному пульсирующему (воздушно-реактивному) двигателю, работающему с топливно-воздушной детонирующей смесью.
Применения такого типа двигателя включают в себя оснащение воздушных судов, ракет, снарядов и тому подобного в области космической и военной аэронавтики, хотя и не ограничиваются этим.
Потенциально критической точкой является периодичность разных фаз рабочего цикла двигателя и, в особенности, управление фазами подачи и детонации, которые могут оказать сильное влияние на эффективность такого двигателя.
Из патента EP 1482162 уже известен детонационный пульсирующий двигатель, имеющий конструкцию, которая определена жаровой трубой, закрытой с одного конца подвижным поперечным дном, являющимся тяговой стенкой, на которую опираются продукты детонации детонационной смеси для образования тяги.
В таком известном детонационном пульсирующем двигателе подвижное дно альтернативно перемещается между двумя предельными положениями и упругое возвратное средство типа пружины воздействует на дно для толкания его из одного из положений в другое в результате сжатия пружины. Следовательно, такое подвижное дно требует осуществления двух фаз подачи и детонации двигателя из-за своей подвижности, таким образом закрывая и открывая, по меньшей мере, один впускной канал.
Тем не менее, при рабочем цикле двигателя, состоящем из прямого хода (соответствующего сжатию пружины) и обратного хода подвижного дна (соответствующего толканию последнего), пружина подвержена двум несовместимым ограничениям:
- при прямом ходе она должна быть гибкой (то есть иметь низкую жесткость), чтобы не ограничивать перемещение подвижного дна, чтобы не оказывать невыгодное воздействие на его скорость (и, следовательно, на рабочую частоту двигателя), в то же время, обеспечивая малое замедление в конце хода последнего; и
- при обратном ходе она должна прилагать максимальную силу к последнему, чтобы достигнуть хорошего ускорения для ограничения времени рабочего цикла.
Задачей настоящего изобретения является улучшение упомянутого выше детонационного пульсирующего двигателя для устранения такого недостатка.
Для решения этой задачи согласно изобретению разработан детонационный пульсирующий двигатель, работающий с топливно-воздушной детонирующей смесью и содержащий:
по меньшей мере, одну жаровую трубу с поперечным дном, выполненным подвижным относительно последней, чтобы занимать первое и второе предельные положения, и закрытую поперечным упорным элементом, являющимся противоположным подвижному дну;
упругое возвратное средство, воздействующее на подвижное дно и выполненное с возможностью, с одной стороны, толкания последнего из первого положения во второе положение и, с другой стороны, замедления последнего в конце перемещения из второго положения в первое положение;
по меньшей мере, один топливный бак; и
средство подачи топлива для подачи топлива в камеру сгорания жаровой трубы,
причем средство подачи топлива содержит
передаточную камеру, изменяемую в объеме, ограниченную боковой стенкой жаровой трубы, подвижным дном и поперечным упорным элементом и выполненную с возможностью получения топлива из бака;
средство передачи топлива, выполненное с возможностью передачи топлива из бака в передаточную камеру; и
средство впрыска топлива для впрыска топлива в камеру сгорания из передаточной камеры;
при этом упругое возвратное средство состоит, по меньшей мере, частично, из топлива, содержащегося в передаточной камере.
Таким образом, сжатие топлива, содержащегося в передаточной камере, подвижным дном позволяет упругому возвратному средству постепенно замедлять его ход при его перемещении из второго положения в первое положение, результатом чего являются изменения скорости и вибрации, которые могут быть образованы при уменьшении такого двигателя таким образом облегчая его объединение с элементами аэронавтики.
Более того, в результате присутствия в передаточной камере топлива, сжатого подвижным дном, упругое возвратное средство может прилагать максимальную силу к подвижному дну для получения хорошего ускорения при перемещении последнего из первого положения во второе положение. Таким образом, время рабочего цикла двигателя ограничено.
В случае, если упругое возвратное средство состоит только из топлива, хранимого в баке в газообразном или жидком состоянии, количество механических элементов, используемых при работе двигателя, уменьшается, таким образом улучшая надежность конструкции двигателя.
Предпочтительно, упругое возвратное средство дополнительно содержит, по меньшей мере, одну вспомогательную пружину, работающую на сжатие и выполненную с возможностью содействия толканию подвижного дна из первого положения во второе положение и замедлению последнего в конце перемещения из второго положения в первое положение.
Таким образом, действие вспомогательной пружины может оказаться полезным, когда давление в камере сгорания недостаточно высоко для обеспечения толкания и замедления подвижного дна.
Согласно другой особенности настоящего изобретения бак расположен сзади поперечного упорного элемента соосно с жаровой трубой, причем поперечный упорный элемент содержит средство передачи топлива.
Более того, средство передачи топлива состоит из, по меньшей мере, одного редуктора давления, содержащего сопла, или из, по меньшей мере, одного карбюратора Вентури.
Таким образом, например, в случае, если топливо в баке хранится в жидком состоянии, карбюраторы могут обеспечить испарение последнего в передаточной камере.
Преимущественно, по меньшей мере, один впускной канал расположен в боковой стенке жаровой трубы,
причем подвижное дно, скользящее между первым положением и вторым положением, имеет форму поршня с поперечной, направленной в сторону камеры сгорания, и боковой юбкой, взаимодействующей с боковой стенкой жаровой трубы; и
кольцо выполнено как единое целое с поперечной стенкой поршня и взаимодействует с боковой стенкой жаровой трубы, чтобы закрывать впускной канал во втором положении подвижного дна.
Согласно варианту осуществления изобретения средство впрыска состоит из, по меньшей мере, одной форсунки, расположенной на боковой стенке жаровой трубы, и первое отверстие которой открывается на уровне впускного канала;
причем, по меньшей мере, один канал впрыска расположен в боковой стенке жаровой трубы, при этом канал впрыска взаимодействует со вторым отверстием форсунки;
причем боковая юбка поршня содержит, по меньшей мере, одно окно впрыска, взаимодействующее с каналом впрыска после перемещения подвижного дна из первого положения во второе, чтобы обеспечивать впрыск топлива в камеру сгорания из передаточной камеры.
Альтернативно, средство впрыска состоит из, по меньшей мере, одного обратного клапана с пружиной, расположенного в поперечной стенке поршня, обеспечивающего впрыск топлива в камеру сгорания после перемещения подвижного дна из второго положения в первое положение.
С другой стороны, детонационный пульсирующий двигатель согласно настоящему изобретению преимущественно содержит временное блокирующее средство для подвижного дна, когда оно находится в первом положении, обеспечивающее изменение рабочей частоты двигателя.
Таким образом, увеличение времени удержания подвижного дна в первом положении приводит к уменьшению рабочей частоты двигателя (и, следовательно, его тяги). Наоборот, при ограничении времени удержания подвижного дна в первом положении может быть достигнута работа на полной скорости, частота которой зависит только от динамики поршня.
Осуществление настоящего изобретения будет лучше понятно из прилагаемых чертежей. На этих чертежах одинаковые компоненты обозначены одинаковыми ссылочными позициями, где
фиг.1A - частичный схематичный вид в продольном разрезе варианта осуществления детонационного пульсирующего двигателя согласно настоящему изобретению, на котором изображено подвижное дно в первом предельном положении;
фиг.1B - аналогична фиг.1А, причем подвижное дно двигателя находится в промежуточном положении между первым и вторым предельными положениями;
фиг.1C - аналогична фиг.1А, причем подвижное дно двигателя занимает второе предельное положение; и
фиг.2 - частичный схематичный вид в продольном разрезе альтернативного варианта осуществления детонационного пульсирующего двигателя настоящего изобретения с фиг.1А.
Детонационный пульсирующий двигатель I, схематично и частично изображенный на фиг.1А-1С, содержит, как известно, цилиндрическую жаровую трубу 2 с продольной осью А, поперечное дно 3, установленное с обеспечением соответствующей посадки внутри жаровой трубы 2, и цилиндрический топливный бак 4 с продольной осью А (изображенный частично) выше по потоку жаровой трубы (на чертежах слева). Жаровая труба 2 отделена от топливного бака 4 поперечным упорным элементом 5.
Поперечное дно 3 вместе с боковой стенкой 6 жаровой трубы 2 ограничивает частично изображенную камеру 7 сгорания, выполненную с возможностью получения на цикличной основе заряда топлива. Оно определяет тяговую стенку, к которой прилагаются продукты детонации заряда топлива для того, чтобы образовывать тягу.
Более того, поперечное дно 3 установлено подвижно относительно жаровой трубы 2 двигателя I и может перемещаться, например, скользя между двумя предельными положениями.
Согласно настоящему изобретению первое предельное положение (см. фиг. 1А) соответствует подаче воздуха из воздухоприемников (не показано) камеры сгорания 7, а второе предельное положение (см. фиг. 1С) соответствует фазе детонации заряда топлива.
С этой целью, как изображено на фиг.1А-1С, в боковой стенке 6 жаровой трубы 2 предусмотрены впускные каналы 8 для впуска воздуха и заряда топлива. Такие впускные каналы 8 открываются, когда подвижное дно 3 занимает первое положение, и закрываются, когда оно занимает второе положение.
Более того, жаровая труба 2 содержит изменяемую в объеме передаточную камеру 9 сзади подвижного дна 3, ограниченную боковой стенкой 6 жаровой трубы 2 и поперечным упорным элементом 5. Передаточная камера 9 выполнена с возможностью получения топлива из бака 4.
Более того, в проиллюстрированном варианте осуществления поперечный упорный элемент 5 содержит передаточное средство 10 для обеспечения, например, на цикличной основе передачи топлива от бака 4 к передаточной камере 9. Такое передаточное средство может содержать редукторы давления двойного действия, содержащие сопла, трубки Вентури и т.д.
Детонационный пульсирующий двигатель I дополнительно содержит форсунки 11, предусмотренные на боковой стенке 6 жаровой трубы 2. Они обеспечивают впрыск топлива из передаточной камеры 9 в камеру 7 сгорания посредством первого отверстия 11А, открывающегося на уровне впускных каналов 8.
Для того чтобы обеспечить впрыск топлива из передаточной камеры 9 в камеру 7 сгорания, в боковой стенке 6 жаровой трубы 2 предусмотрены каналы 12 впрыска с возможностью взаимодействия со вторым отверстием 11В форсунок 11.
Подвижное дно 3 структурно имеет форму поршня 13, содержащего поперечную стенку 14, направленную в сторону камеры 7 сгорания, с боковой юбкой 15, взаимодействующей с обеспечением соответствующей посадки с боковой стенкой 6 жаровой трубы 2. В боковой юбке 15 поршня 13 расположены окна 16 впрыска для обеспечения впрыска топлива из передаточной камеры 9 в камеру 7 сгорания через форсунки 11. Подвижное дно 3 дополнительно содержит кольцо 17, выполненное как единое целое с поперечной стенкой 14 поршня 13 и взаимодействующее с обеспечением соответствующей посадки с боковой стенкой 6 жаровой трубы 2 для полного закрывания, с одной стороны, впускных каналов 8, когда подвижное дно 3 занимает второе положение, и, с другой стороны, каналов 12 впрыска, когда подвижное дно 3 занимает первое положение.
Согласно изобретению в передаточной камере 9 между подвижным дном 3 и поперечным упорным элементом 5 предусмотрено упругое возвратное средство.
Преимущественно, такое упругое возвратное средство заключается в топливе, содержащемся в передаточной камере 9. Сила противодавления, образующаяся посредством сжатия топлива, присутствующего в передаточной камере 9, обеспечивает, с одной стороны, постепенное замедление подвижного дна 3 в конце перемещения из второго положения в первое положение и, с другой стороны, толкание его из его первого положения в его второе положение.
Как изображено на фиг. 1А-1С, они также могут быть соединены вспомогательной пружиной 18, работающей на сжатие (показанной пунктирными линиями на чертежах), расположенной между стороной поперечной стенки 14 поршня 13 и поперечным упорным элементом 5, чтобы способствовать толканию подвижного дна 3, когда давление в передаточной камере 9 не является достаточным. С пружиной 18 связан направляющий стержень 19 для пружины 18, закрепленный на поперечной стенке 14 поршня 13.
Согласно изобретению двигатель I дополнительно содержит временное блокирующее средство 20 для подвижного дна 3, когда оно находится в своем первом положении (см. фиг. 1А), чтобы модифицировать рабочую частоту двигателя I. Такое блокирующее средство 20, например, расположенное в боковой стенке 6 жаровой трубы 2, может быть механического или электромеханического типа.
Более того, согласно другому альтернативному варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг.2, впрыск топлива из передаточной камеры 9 в камеру 7 сгорания может происходить посредством пружинных обратных клапанов 21, расположенных в поперечной стенке 14 поршня 13, во время перемещения подвижного дна 3 из второго в первое положение.
Как показано на фиг.2, боковая юбка 15 поршня 13 не содержит какого-либо окна 16 впрыска. Более того, в боковой стенке 6 жаровой трубы 2 не расположен канал 12 впрыска.
Остальная конструкция двигателя I подобна конструкции, описанной ранее со ссылкой на фиг. 1А-1С.
Согласно настоящему изобретению детонационный пульсирующий двигатель I может работать согласно обоим следующим рабочим циклам:
- рабочему циклу в режиме открытого впуска и
- рабочему циклу в режиме закрытого впуска.
Как показано на фиг. 1А-1С, рабочий цикл в режиме открытого впуска такого детонационного пульсирующего двигателя I представляет собой следующее.
Во-первых, предполагается, что двигатель I изначально находится в конфигурации, как изображено на фиг.1А, в которой подвижное поперечное дно 3 занимает первое положение, то есть:
- каналы 12 впрыска закрыты кольцом 17 подвижного дна 3;
- окна 16 впрыска закрыты боковой стенкой 6 жаровой трубы 2;
t
атм
- топливо, представляющее собой сжатый газ, присутствует в передаточной камере 9. Давление в передаточной камере 9 выше атмосферного давления (P>P);
c
атм
- впускные каналы 8 полностью открыты, таким образом обеспечивая продувку камеры 7 сгорания потоком воздуха (изображенным стрелкой 22), идущим от воздухоприемников. Давление внутри камеры 7 сгорания равно атмосферному давлению (P=P); и
- возвратная пружина 18 сжата подвижным поперечным дном 3.
Под действием возвратной силы пружины 18 и давления в передаточной камере 9 подвижное поперечное дно 3 перемещается вперед. Одновременно с этим окна 16 впрыска и каналы 12 впрыска открываются и взаимно сообщаются. Результатом разницы давления между передаточной камерой 9 и камерой 7 сгорания является впрыск топлива (обозначенный стрелкой 23) в камеру 7 сгорания посредством форсунок 11, при этом впускные каналы 8 открыты.
Результатом продолжения перемещения вперед подвижного дна 3 является закрывание впускных каналов 8 посредством кольца 17, впрыск топлива в камеру 7 сгорания постепенно заканчивается до полного закрывания впускных каналов 8.
t
атм
Уменьшение давления в передаточной камере (P<P) может преимущественно обеспечить постепенное замедление подвижного дна 3 до тех пор, пока оно не достигнет второго положения, в котором:
- впускные каналы 8 и каналы 12 впрыска полностью закрыты соответственно кольцом 17 подвижного дна 3 и боковой юбкой 15 поршня 13;
- окна 16 впрыска полностью закрыты боковой стенкой 6 жаровой трубы 2;
- воздушно-топливная детонирующая смесь присутствует в камере 7 сгорания; и
t
атм
- давление в камере 7 сгорания выше атмосферного давления (P>P).
Когда посредством поджигающего устройства (не показано) происходит детонация топливно-воздушной смеси, давление в камере 7 сгорания значительно увеличивается, толкая подвижное дно 3 назад (налево на фиг.1С).
Во время этой фазы обратного перемещения подвижного дна 3 топливо, являющееся сжатым газом, передается из бака 4 в передаточную камеру 9 посредством передаточного средства 10. Результатом уменьшения объема в передаточной камере 9, связанного с передачей топлива в последнюю, является увеличение давления в передаточной камере 9, приводящее совместно с действием возвратной силы пружины 18 к замедлению подвижного дна 3 до тех пор, пока оно снова не достигнет первого положения (см. фиг.1А).
Преимущественно, регуляторное давление редуктора давления может быть отрегулировано посредством изменения давления в системе управления или калибровки пружины посредством перемещения стенки так, чтобы изменять заряд топлива, вводимый при каждом цикле в передаточную камеру 9, и таким образом давление впрыска и, следовательно, тягу.
Далее может начаться новый рабочий цикл двигателя I в режиме открытого впуска.
К тому же рабочий цикл в режиме открытого впуска такого детонационного пульсирующего двигателя I представляет собой следующее.
Во-первых, предполагается, что двигатель I изначально находится в конфигурации, как показано на фиг.1С, в которой подвижное поперечное дно 3 занимает описанное ранее второе предельное положение.
Дополнительно предполагается, что в передаточной камере 9 присутствует топливо, и что дополнительное средство обеспечивает подачу топлива в детонационную камеру.
Когда посредством поджигающего устройства происходит детонация детонирующей смеси, давление в камере 7 сгорания значительно увеличивается, толкая подвижное дно 3 назад (налево на фиг.1С).
Во время такой фазы обратного перемещения подвижного дна 3 впускные каналы 8 и каналы 12 впрыска открываются. Под действием уменьшения объема давление в передаточной камере 9 увеличивается, результатом чего является постепенное замедление подвижного дна 3. Результатом разницы давления между передаточной камерой 9 и камерой 7 сгорания дополнительно является впрыск топлива в последнюю через форсунки 11. Впрыск прекращается незадолго до того, как подвижное дно 3 достигнет первого положения.
В отличие от описанного ранее режима открытого впрыска, во время фазы обратного перемещения подвижного дна 3 в режиме закрытого впрыска передача топлива из бака 4 в передаточную камеру 9 не происходит, достигается только впрыск топлива из передаточной камеры 9 в камеру 7 сгорания посредством форсунок 11 (топлива, изначально присутствующего в передаточной камере).
Действие возвратной силы сжатой пружины 18 обеспечивает обратное посылание подвижного дна 3 вперед (направо на фиг.1А). При этом возвратном перемещении результатом расширения, созданным в передаточной камере 9 подвижным дном 3, является то, что топливо, содержащееся в баке 4, вытягивается и испаряется в передаточной камере 9 посредством передаточного средства 10.
Во время приближения ко второму положению (см. фиг.1С) подвижное дно 3 замедляется и затем останавливается во втором положении посредством детонации детонирующей смеси, присутствующей в камере 7 сгорания, таким образом начиная новый рабочий цикл двигателя I.
В режиме закрытого впуска обратное перемещение подвижного дна 3 налево обеспечивает работу по впрыску топлива из передаточной камеры 9 в камеру 7 сгорания.