УСТРОЙСТВО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ТЯГОВЫМИ УСИЛИЯМИ

Полезная модель относится к реактивным установкам, содержащим двигатель иной, чем газовая турбина, и который приводит в действие нагнетатель и предназначено для использования на транспортных средствах с вертикальным взлетом и посадкой.
Известно устройство ракетного двигателя на твердом топливе, состоящее из камеры сгорания и реактивного сопла.
Недостатками устройства является кратковременность действия силы тяги, а также невозможность ее изменения. (см. Ю.В.Колесников //Детская энциклопедия. - 1974. №5. С.155-159.)
Известно устройство турбореактивного двигателя, развивающего тягу за счет силы реакции (силы отдачи) струи газов, вырывающихся из сопла, включающее: компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло. Компрессор предназначен для сжатия воздуха и подачи его в камеру сгорания. В камеру сгорания под давлением впрыскивают горючее и поджигают его. Турбина вращает через вал компрессор.
Недостатком устройства является недолговечность турбины. (см. Л.В.Викторов// Детская энциклопедия. - 1974, №5. С.70-73.)
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является устройство жидкостного реактивного двигателя, включающее камеры сгорания, в которых смешиваются и воспламеняются компоненты топлива, насосы окислителя, насосы горючего, подающие в камеры горючее и окислитель, бак топлива, выходные сопла.
Недостатками устройства является то, что в известном устройстве имеется необходимость хранить окислитель, необходимый для окисления горючего, что увеличивает массу двигателя на величину массы окислителя. (см. Ю.В.Колесников// Детская энциклопедия. - 1974. №5. С.155-159.), принято за прототип.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание устройства реактивного двигателя, лишенного вышеизложенных недостатков, обладающего длительной работоспособностью и в котором обеспечивается возможность изменения тяговых усилий за счет изменения расхода топлива, подаваемого в камеры сгорания и высокая надежность, а также отсутствует необходимость в хранении окислителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в разновидности известного устройства реактивного двигателя, включающей топливный бак, четыре камеры сгорания, четыре сопла, а также четыре топливные насоса и два нагнетателя с входными направляющими аппаратами для окислителя - атмосферного воздуха приводятся в движение от поршневого двигателя внутреннего сгорания, а из их корпусов, выходят трубы, расширяющиеся в конечной части, для образования полостей камер сгорания, оканчивающихся сужающимся соплом для выхода потока, а топливные насосы приводятся во вращение от электродвигателей.
На рисунке схематично изображено устройство реактивного двигателя с изменяемыми тяговыми усилиями, вид общий;
Устройство состоит из топливного бака 1, поршневого двигателя внутреннего сгорания 2, правого нагнетателя с входным направляющим аппаратом 3, левого нагнетателя с входным направляющим аппаратом 4, четырех топливных насосов 5, четырех электродвигателей 6.
При постоянных оборотах двигателя внутреннего сгорания 2, при постоянном давлении на входе в нагнетатели с поворотными входными направляющими аппаратами 3 и 4, при постоянном полном давлении в камерах сгорания, соответствующих расчетному режиму работы нагнетателей с высоким КПД и определенным расходом воздуха, а также выходу потока из сопел в расчетном режиме, когда расширение потока осуществляется до атмосферного давления и со скоростью в выходном сечении сопла близкой к скорости звука, увеличение подачи топлива в камеры сгорания, вследствие организованного в них процесса горения привело бы к возрастанию температуры, повышению давления и уменьшению расхода, вследствие более сильного расширения газов из-за повышения температуры, к выходу потока из сопел с недорасширением, т.е. с давлением выше атмосферного, вследствие чего появляется возможность вернуться к прежней величине давления воздуха в камере сгорания, но с большей температурой, а значит и к прежнему значению расхода воздуха, но не за счет снижения оборотов двигателя, а за счет расширения выходного сечения сопла, получив при этом уменьшение отрицательной тяги сопла, возникающей вследствие наличия давления на суживающихся стенках сопла, а вследствие этого и возрастание тяги двигателя, при сохранении затрачиваемой на вращение нагнетателей с поворотными входными направляющими аппаратами мощности.
Это показывает следующий сравнительный термодинамический расчет, проведенный для двух двигателей с одинаковыми давлениями в камере сгорания, с одинаковым расходом воздуха, но с различными температурами в камере сгорания, в предположении, что истечение газов из сопел осуществляется при числе Маха (M=1) и при атмосферном давлении, а скорости в камере сгорания малы и в них можно принять число Маха (М≈0),тогда:
В камере сгорания для М≈0 из формулы (1):
P - давление в сечении с некоторым числом М, Па;
*
P - давление в критическом сечении где М=1, Па;
k=1,4 для воздуха;
М - число Маха;
будем иметь, что отношение давления в камере сгорания к давлению в критическом сечении равно:
P - давление в сечении с числом М≈0 камеры сгорания, Па;
*
P - давление в критическом сечении с числом M=1, Па;
*
Из чего следует, что при наличии в критическом сечении принятого в расчете давления P=100000 Па, давление в камере сгорания будет составлять P=190000 Па.
Также при этом числе M=0 из формулы (3):
Т - температура в сечении с числом M, °K;
*
Т - температура в критическом сечении где M=1, °K;
k=1,4 для воздуха;
М - число Маха;
1
2
отношение принятой в камере сгорания температуры T=1073°K в первом случае и T=673°K во втором случае к температуре в критическом сечении при M=0 составляет:
Т - температура в сечении с числом М≈0 камеры сгорания, °K;
*
Т - температура в критическом сечении с числом M=1, °K;
Из чего следует, что температура в критическом сечении будет составлять в первом случае: , а во втором случае: .
1
Из чего можно определить плотность в критическом сечении в первом случае, для T=1073°K в камере сгорания плотность:
3
- плотность в критическом сечении, кг/м;
- давление в критическом сечении, Па;
- газовая постоянная для воздуха;
2
а для T=673°K во втором случае:
3
- плотность в критическом сечении, кг/м;
- давление в критическом сечении, Па;
- газовая постоянная для воздуха;
Скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе в первом случае составит:
- скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе, м/с;
k=1,4 для воздуха;
- газовая постоянная для воздуха;
- температура в критическом сечении с числом M=1, °K;
а скорость в критическом сечении составит:
- скорость в критическом сечении, м/с;
k=1,4 для воздуха;
- скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе, м/с;
Скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе во втором случае составит:
- скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе, м/с;
k=1,4 для воздуха;
- газовая постоянная для воздуха;
- температура в критическом сечении с числом M=1, °К;
а скорость в критическом сечении составит:
- скорость в критическом сечении, м/с;
k=1,4 для воздуха;
- скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе, м/с;
Тогда площадь критического сечения сопла составит в первом случае:
1
2
F - площадь критического сечения сопла, м;
G - расход воздуха, кг/с;
3
- плотность в критическом сечении, кг/м;
- скорость в критическом сечении, м/с;
Тогда площадь критического сечения сопла составит во втором случае:
2
2
F - площадь критического сечения сопла, м;
G - расход воздуха, кг/с;
3
- плотность в критическом сечении, кг/м;
- скорость в критическом сечении, м/с;
Тогда тяга двигателя в первом случае составит не менее чем:
G - расход воздуха, кг/с;
- скорость в критическом сечении, м/с;
, а во втором случае тяга двигателя будет составлять не менее чем:
G - расход воздуха, кг/с;
- скорость в критическом сечении, м/с;
Из данного сравнительного расчета видно, что у обоих вариантов двигателей одинаковы значения расхода воздуха, одинаково давление в камерах сгорания, но имеется отличие температур в камерах сгорания, из-за чего у варианта с более высокой температурой площадь критического сечения, скорость истечения и тяга выше.
Устройство работает следующим образом.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания 2 вращает нагнетатели с поворотными входными направляющими аппаратами 3 и 4, всасывающие атмосферный воздух, топливные насосы 5 нагнетают топливо из топливного бака 1 в камеры сгорания, где осуществляется горение с образованием продуктов сгорания, и их выход в атмосферу через сужающиеся сопла.
Изменяя количество топлива, поступающего в камеры сгорания, за счет изменения оборотов электродвигателей 6 управляют возникающими тяговыми усилиями. Изменяя угол установки входных поворотных направляющих аппаратов, осуществляют управление возникающим крутящим моментом.