ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
INTERMITTENT-CYCLE AIR-JET ENGINE

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как, беспилотные разведчики, летающие мишени и т.п., а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей.
Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б.Синярев, М.В.Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с.19, 20). Он представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания. В общем случае входное и выходное устройства двигателя могут иметь форму, отличную от прототипа, поэтому в дальнейшем будем называть их принятыми терминами воздухозаборник и сопло.
Клапанная решетка представляет собой конструкцию из несущих элементов - поперечных стержней, подвижных элементов - плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.
Набегающий на двигатель поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги двигателя.
После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру поступает очередная порция воздуха и цикл повторяется.
Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом узла, создающего тягу пульсирующего двигателя и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком двигателе могут выполнять и другие устройства. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться общим термином "тяговый узел" (как часть двигателя) и конкретным - клапанная решетка тягового узла.
Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостаток - плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяга, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги, но главное - низкий ресурс клапанов.
Также известны конструкции ПуВРД, использующие аэродинамические клапаны, "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж. Г. Маркштейна, М., МИР, 1968, с.401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические, описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; 2812635, 1957, 3093962, 1963.
К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия).
Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления, которое достигается путем увеличения скорости сгорания топливо-воздушной смеси в камере сгорания ПуВРД. Увеличение же амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно, к снижению удельного расхода топлива.
Техническим результатом изобретения является повышение термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления.
Поставленная техническая задача решается за счет интенсификации процесса массопереноса в камере сгорания, приводящего к росту скорости квазидетонационного горения и соответствующих изменений конструкции ПуВРД и его тягового узла. При этом под "квазидетонационном" горением подразумевается горение с повышенными скоростями продвижения фронта пламени, составляющем в случае ПуВРД 50…100 м/с. Организация такого режима горения происходит за счет интенсивного массопереноса в камере сгорания. Скорость фронта пламени пропорциональна скорости массопереноса.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном ПуВРД, содержащем, в частности, цилиндрическую камеру сгорания, резонаторную трубу, цилиндрические впускные трубы, сопло подачи газа, змеевик нагрева газа и запальную свечу, камера сгорания выполнены со сдвигом в средней части, при этом змеевик нагрева газа расположен в ее средней части, примыкающей к резонаторной трубе.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемый чертеж, с выделенным сечением А-А, иллюстрирующий предпочтительный вариант реализации, на котором показана схема предлагаемого ПуВРД.
Позициями на чертеже показаны:
1 - сопло подачи газа,
2 - первая впускная труба,
3 - вторая впускная труба,
4 - третья впускная труба,
5 - камера сгорания,
6 - змеевик нагрева газа,
7 - задняя торцевая стенка,
8 - резонаторная труба,
9 - дроссель,
10 - топливный бак (с жидким пропаном),
11 - магистраль подвода газа,
12 - запальная свеча.
Позициями на чертеже показано: d - диаметр третьей впускной трубы 4 (м), е - величина сдвига камеры сгорания 5 (м), λ - длина волны, м.
ПуВРД, представленный на чертеже, содержит сопло 1 подачи газа, закрепленное соосно напротив первой впускной трубы 2, которая, в свою очередь, жестко закреплена соосно второй впускной трубе 3 и третьей впускной трубе 4. Камера сгорания 5 выполнена со сдвигом в средней части, таким образом, что третья впускная труба 4 оказывается напротив вновь образованной задней торцовой стенки 7. При этом змеевик 6 нагрева газа выполнен в задней части камеры сгорания 5, примыкающей к резонаторной трубе 8. Змеевик 6 нагрева газа через дроссель соединяется с топливным баком 10, заполненным жидким пропаном и магистралью 11 подвода газа.
При подаче искры через запальную свечу 12 и частичном открытии дросселя 9 происходит воспламенение пропана внутри камеры сгорания 5. После прогрева змеевика 6 нагрева газа дроссель 9 открывается и пар пропана, нагретый до 500…600°С, поступает в сопло 1 подачи газа и далее, эжектируя воздушный поток, через первую 2, вторую 3 и третью 4 впускные трубы поступает в камеру сгорания 5. В том случае, если акустическая система ПуВРД настроена как 3/4 - волновой резонатор, а именно, как это показано на чертеже - половина длины волны λ/2 укладывается в длину второй впускной трубы 3, a 1/4λ укладывается в расстояние от торца второй впускной трубы 3 до торцевой стенки 7 камеры сгорания 5, наступает волновой резонанс и ПуВРД начинает работать в пульсирующем режиме на частоте 200…400 Гц. При этом за счет сдвига камеры сгорания 5 в средней части на величину е=0.5…1d продукты неполного сгорания и топливо-воздушная смесь, проходя мимо трубных витков змеевика 6 нагрева газа, турбулизируются и догорают. То есть предлагаемое расположение трубных витков змеевика 6 нагрева газа приводит к тому, что он начинает работать как известная «Спираль Щепкина», приводящая к ускорению перехода к детонации.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемом чертеже. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.