Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель с наддувом
SUPERCHARGED PULSE JET

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям (ПуВРД), и может быть использовано в качестве силовой установки авиационного летательного аппарата, также может быть использовано в качестве силовой установки, например беспилотных разведчиков, летающих мишеней, барражирующих боеприпасов.
Известен способ продувки пульсирующего воздушно-реактивного двигателя 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 реализуется на основе применения клапанной решетки на входе в камеру сгорания. Главным достоинством способа продувки ПуВРД, основанного на применении механических клапанных решеток, являются высокое газодинамическое сопротивление продуктам сгорания, пытающимся прорваться навстречу набегающему потоку при взрыве в камере сгорания.
Недостаток - сопротивление свежему потоку при входе в камеру сгорания, что ведет к невысокому цикловому наполнению и, как следствие, к низкой удельной и лобовой тяге при больших скоростях полета. Но основной их недостаток - малый ресурс, не более 60 минут.
Известен ПуВРД (патент РФ №48368, МПК F02K 7/067, опубл. 10.10.2005), включающий в себя камеру сгорания длинной 1,5-2,0 ее диаметра, имеющей цилиндрическую форму круглого сечения с плоской или специальной формы передней стенкой и плоской задней стенкой, выхлопную трубу диаметром 0,5 диаметра камеры сгорания, состоящую из цилиндрической части и расширяющегося конуса, передним концом сопряженную с задней стенкой камеры сгорания, на расширяющемся конусе, с углом раскрытия 5-6°, установлено цилиндрическое сопло диаметром не более диаметра камеры сгорания, аэродинамические клапаны, в виде цилиндрических трубок, для приготовления и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, с воздухозаборником на одном конце, встроенные в заднюю стенку другим концом, оси которых расположены параллельно оси камеры сгорания. Общая длина камеры сгорания и выхлопной трубы с соплом вместе взятых составляет 10-12 диаметров камеры сгорания.
Недостатком технического решения является низкая амплитуда пульсаций давления в камере сгорания и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия) вследствие малой скорости горения топливовоздушной смеси.
Неоспоримым преимуществом данного типа двигателей является их технологичность и низкая цена, недостаток - отсутствие предварительного сжатия воздуха, как это делается в газотурбинных (ГТД) или поршневых двигателях. Это является причиной низкого КПД.
Наиболее близким аналогом по набору существенных признаков является способ наддува двигателей внутреннего сгорания (патент РФ №2756831, МПК F02B 37/00, F02B 75/10, опубл. 06.10.2021), содержащий эжектор воздуха выхлопными или отработавшими газами и вихревую трубу Ранка, разделяющую смесь газов на холодный и горячий вихри. Холодный вихрь, содержащий большое количество воздуха, идет на наддув двигателя, а горячий - выпускается в атмосферу.
Задачей технического решения является оснащение камеры сгорания ПуВРД газодинамическим наддувом использующим часть энергии выхлопных газов. Наддув камеры сгорания повысит КПД двигателя.
Целью заявленного решения является увеличение эффективности работы ПуВРД за счет отбора от выхлопных газов части энергии на эжекцию и сжатие свежей порции воздуха с целью более плотного наполнения камеры сгорания топливовоздушной смесью.
Технический результат достигается за счет того, что в ПуВРД, содержащем камеру сгорания со свечой зажигания, трубу подвода топлива, трубу с газодинамическим диодом подвода воздуха из вихревой камеры, выхлопные газы выходят через сопловой аппарат в вихревую камеру с интенсивной закруткой, где с периферийной зоны через входные каналы эжектируют и сжимают атмосферный воздух и проходят вдоль вихревой камеры, разделяясь на холодный и горячий вихри, причем горячий вихрь через регулируемое сопло выходит в атмосферу, а холодный идет на вход в камеру сгорания.
В основу газодинамической структуры двигателя положены широко известные свойства газа:
1. Эжекция заключается в том, что поток с более высоким давлением, движущийся с большой скоростью, увлекает за собой среду низкого давления. Повышение давления эжектируемого потока без непосредственной механической энергии применяется в струйных аппаратах, которые используются в различных отраслях техники. Масса присоединенного воздуха должна быть больше массы выхлопных газов.
2. Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect) - эффект температурного разделения газа при закручивании в цилиндрической или конической камере при условии, что поток газа в трубе проходит не только прямо, но и в обратном направлении. На периферии образуется закрученный поток с большой температурой, а из центра - в противоположную сторону выходит охлажденный поток. Закрутка потока происходит в сопловом аппарате. Настройка вихревой трубы производится изменением проходного сечения сопла.
2
2
В отработавших газах два основных продукта сгорания - углекислый газ СО (13,7% по объему - в полтора раза плотней воздуха) и водяной пар НО (13,1%), остальное азот и т.д. Из сильно закрученного потока сепарируются твердые частицы кокса, сажа, пары воды, воздушная пыль и наиболее плотные газы, они центробежными силами прижимаются к стенке трубы и выходят в атмосферу вместе с горячим вихрем. Холодный вихрь вдоль оси вихревой камеры уходит в противоположную сторону на вход в камеру сгорания через газодинамический диод.
3. Из газовой динамики известно, что коэффициенты расхода газа сильно зависят от профиля тракта. При прохождении сужающегося - конфузорного сопла газом в прямом и обратном направлении этот коэффициент может отличаться в несколько раз. Пакет сопел создает эффект газодинамического диода. Кроме того, сопла стоят на некотором расстоянии друг от друга и стенки сопел образуют лабиринт с явно выраженным наклоном стенок. В лабиринтном пространстве образуются тороидальные вихри, усиливающие эффект диодности. (Журнал МАШИНОСТРОЕНИЕ №2 2012. «Численное моделирование течения в газодинамических диодах» УДК 621.436.052). Газодинамический диод работает подобно клапану, в меру сил препятствуя прохождению газа из камеры сгорания в вихревую камеру.
4. Горение топливно-воздушной смеси в камере сгорания происходит циклически по мере ее заполнения свежим зарядом и достижением этим зарядом свечи зажигания или раскаленной зоны камеры. Время горения довольно коротко, огромная доля газа в силу своей инерционности не успевает утечь. Таким образом горение или подвод тепла происходит при постоянном объеме, т.е. по изохорному циклу. Он позволяет поднять термический КПД мотора на 10…15% по сравнению с изобарным циклом.
Заявленное техническое решение характеризуется следующими чертежами:
на фиг. 1 - изображена схема ПуВРД с наддувом;
на фиг. 2 - представлены сопловой аппарат и газодинамический диод в тракте подвода холодного вихря из вихревой камеры в камеру сгорания;
на фиг. 3 - представлено входное устройство с направляющими лопатками.
на фиг. 4 - изображен момент продувки камеры сгорания;
на фиг. 5 - изображен момент рабочего хода газа в ПуВРД с наддувом;
Конструкция двигателя схематично представлена на фиг.1 включает в свой состав свечу зажигания (1), камеру сгорания (2), трубу подвода топлива (3), газодинамический входной диод (4), воздушный коллектор с соплами (5), сопловой аппарат (6), входное устройство с направляющими лопатками (7), вихревую трубу (8) и регулируемое сопло (9).
На фиг. 2 схематично показан сопловой аппарат (6) и газодинамический диод (4) в тракте подвода холодного вихря из вихревой камеры в камеру сгорания. Лопатки соплового аппарата имеют осевой вход и тангенциальный выход, их задача развернуть поток выхлопных газов на угол близкий к 90°, это позволит создать интенсивный вихрь. В начальный момент после вспышки, перепад давлений на сопловом аппарате (6) сверхкритический и при выходе газа из конфузорного межлопаточного тракта со скоростью звука возможны скачки уплотнений, это на короткий момент - объем камеры сгорания мал. Газодинамический диод (4) состоит из пакета сопел стоящих на некотором расстоянии друг от друга, узкой частью направленных в сторону камеры сгорания (2). Их задача сократить перетекание газа из камеры сгорания в вихревую камеру (8) после вспышки. Часть прорвавшегося через них газа притормозит начало продувки камеры сгорания (2) для следующего цикла, это полезно для лучшей очистки камеры сгорания от остаточных газов.
На фиг. 3 схематично показано входное устройство (7) с направляющими лопатками. Его задача - впустить воздух из атмосферы и сформировать каналы эжектируемого воздуха направленные в сторону вращения вихря.
Вихревая камера (8), в широкой части которой зарождается и энергетически подпитывается вихрь, начинается сразу за сопловым аппаратом (6) и каналами эжектируемого воздуха. Далее плавно переходит в цилиндрическую часть вдоль которой продвигается вихрь разделяясь на горячую и холодную составляющие. Заканчивается вихревая камера регулируемым соплом (9). На данной схеме изображено сопло с центральным подвижным вдоль оси телом.
ПуВРД с наддувом работает по двум циклам: продувка камеры сгорания до воспламенения топливно-воздушной смеси и рабочий ход газа.
Запуск двигателя осуществляется следующим образом: в воздушный коллектор (5) подается под давлением воздух, который через сопла продувает камеру сгорания (2) и зону подачи топлива, а в топливную систему (3) поступает горючее, на свече зажигания (1) происходит цикл разрядов. На фиг. 4 показан момент продувки камеры сгорания (2). После запуска двигателя, воздух в камеру сгорания (2) начинает поступать из вихревой камеры (8) через газодинамический входной диод (4), воздушный коллектор (5) отключается. Свежий заряд вытесняет воздух или остаточные газы из камеры сгорания (2), при достижении стехиометрическим составом топливно-воздушной смеси свечи зажигания (1) в камере сгорания происходит «хлопок», резко вырастает давление, газодинамический диод (4) запирается и газ устремляется через сопловой аппарат (6) в вихревую камеру (8). Газ начинает срабатывать энергию. На фиг. 5 показан рабочего хода газа. Перепад давлений на сопловом аппарате (6) в этот момент выше критического. Скорости в образовавшемся вихре близки к звуковым. Вихрь эжектирует воздух от воздухозаборника (7) и отдает ему часть своей энергии. В вихревой камере (8) поднимается давление. Газ, прорвавшийся через газодинамический диод (4), подтормаживает начало продувки для следующего цикла. В силу своей инерционности массы газа в вихревом движении, проходя вдоль выходных кромок сопловых лопаток (6), эжектируют из камеры сгорания остаточные газы. В камере сгорания (2) понижается давление, из вихревой камеры (8) начинает поступать холодный вихрь. Образуется топливно-воздушная смесь, начинается следующий цикл. Таким образом обеспечивается цикличность работы. Энергетическая накачка вихря происходит на каждом цикле.
Опыт доводки ПуВРД «Аргус-Шмидт» HWK 109-014 для немецкого самолета-снаряда Фау-1 показывает, что давление в камере сгорания достигало 6 атмосфер, начальное давление было атмосферным. Таким образом камеру сгорания можно рассматривать как усилитель с коэффициентом усиления 5…6. Давление газов в вихревой камере (8), а значит и давление наддува, определяет сечение регулируемого сопла (9). В начальный момент нет оснований ожидать высоких значений параметров наддува. Можно предположить, что прибавка давления за цикл составит 0,01 атмосферы, тогда при частоте пульсаций 100 Гц через секунду это давление уже будет составлять одну атмосферу. В действительности процесс наддува представляет собой цепную реакцию с коэффициентом усиления в камере сгорания. Увеличение заряда камеры сгорания влечет за собой повышение в ней давления и расхода газа по всему тракту: сопловой аппарат и вихревую камеру и т. д. Накачка давления в камеру сгорания может быть весьма значительной. Возможна детонация части топлива. Это еще повысит КПД двигателя.
Управление двигателем производится изменением расхода топлива и регулируемым соплом.