Прямоточный воздушно-реактивный двигатель
STRAIGHT-FLOW AIR-JET ENGINE

Изобретение относится к прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ПВРД), в которых рабочее тело используется для создания воздушно-реактивной струи, отличающимся сжатием за счет скоростного напора, в частности, к сверхзвуковым (СПВРД) и может быть использовано в космической и оборонной отрасли.
Реализация гиперзвуковой скорости полета в плотных слоях атмосферы на углеводородном топливе [УВТ] требует решения по устойчивости горения УВТ в СПВРД. Эффективность процесса горения УВТ в СПВРД определяется тем, насколько рационально организована стабилизация сжигания топливовоздушной смеси.
Известен гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ГПВРД), содержащий топливную форсунку, размещенную в носовой части двигателя перед воздухозаборником и расположенные за ним камеру сгорания и сопло [Патент РФ №2481484, опубл. 10.05.2013]. Для организации воспламенения и горения топливовоздушной смеси двигатель содержит лазерный излучатель, настроенный на определенную частоту излучения. Недостатком двигателя является наличие достаточно сложных устройств организации цепного механизма реакции, связанного с возбуждением энергетических квантовых уровней атомов среды, предшествующим воспламенению на молекулярном уровне. Функции указанных устройств сводятся в конечном итоге к воспламенению топливовоздушной смеси и повышению полноты сгорания топлива. Лазерный излучатель требует тонкой настройки, которую крайне трудно поддерживать в условиях эксплуатации двигателя. Все это существенно снижает надежность работы двигателя, что недопустимо при использовании, например, на военных объектах.
Известен экспериментальный ГПВРД [Патент РФ №2238420, опубл. 20.10.2004]. Двигатель содержит воздухозаборник, изолятор, камеру сгорания, сопло, топливную систему с воспламенителем, инжекторами и топливными каналами. Топливная система содержит центральный топливный пилон и боковые топливные пилоны, расположенные эшелонированно под определенным углом к продольной оси двигателя.
Недостатком этого двигателя является наличие избыточного количества тормозящих поток элементов - стоек пилонов, которые усложняют конструкцию. Стойки пилонов создают сопротивление набегающему потоку, что влечет потери полного давления, неравномерную турбулизацию потока и неравномерность воспламенения по объему камеры сгорания, а следовательно, уменьшает полноту сгорания топлива.
Наиболее близким аналогом (НБА) является прямоточный воздушно-реактивный двигатель [Патент СССР №1697486, опубл. 20.08.2004.], содержащий корпус с камерой сверхзвукового горения, центральным телом, укрепленным на опорах в тракте двигателя, газогенератором, установленным в центральном теле со стороны камеры сгорания и источник подвода горючего, центральное тело выполнено с продольными каналами, снабжено на входе кольцевой обечайкой с отверстиями и коаксиально установленными по центральной оси симметрии двумя трубками, внутренняя из которых на выходе подключена к источнику подвода горючего и снабжена форсункой на входе, а наружная выполнена с боковыми отверстиями, образует с обечайкой кольцевую полость, сообщенную посредством отверстий и продольных каналов соответственно с трактом двигателя и с газогенератором.
Известное устройство (НБА) имеет следующие недостатки. Наличие газогенератора установленного в центральном теле приводит к усложнению конструкции и возникновению проблем в управлении процессом горения из-за нелинейной связи между процессом горения в камере сгорания, скоростью газовой генерации и скоростью набегающего потока воздуха.
Центральное тело, укрепленное на опорах в тракте двигателя НБА, вызывает проблемы в организации зон равномерного горения, связанные с аэродинамическим воздействием опор центрального тела на поток воздуха через тракт двигателя НБА.
В НБА имеется проблема стабилизации сверхзвукового горения ввиду отсутствия специальных конструктивных решений для стабилизации.
В НБА невозможно управление зоной горения путем изменения точки ввода струи газа, важность влияния места вдува топлива показана в эксперименте [Donohue J.M. Dual-Mode Scramjet Flameholding Operability Measurements // AIAA Pap.2013. P. 26.], который был проведен на экспериментальном ГПВРД стенде.
Настоящее изобретение содержит средства подвода и впрыска для сжигания попутных струй газа в сверхзвуковом потоке воздуха ПВРД в сформированные профилированной поверхностью полых разделительных перегородок продольные щелевые каналы с возможностью генерации в них барьерного разряда электричества, специальный аэродинамический выступ торца разделительной перегородки для стабилизации горения диффузионно-кинетического факела вихрями.
Более обобщено, настоящее изобретение позволяет повысить стабильность и качество процесса горения в ПВРД в широком интервале скоростей летательного аппарата при небольшом аэродинамическом сопротивлении устройства.
Автор настоящего изобретения обнаружил, что для улучшении качества горения в ПВРД газообразное топливо можно сжигать впрыскивая попутными струями в поток воздуха продольных щелевых каналов, сформированных профилированной поверхностью полых разделительных перегородок таким образом, что образовавшиеся струи топливо-воздушной смеси будут прижаты основным сверхзвуковым воздушным потоком к продольным щелевым каналам за счет того, что дно продольных щелевых каналов образует в поперечном сечении более обтекаемую фигуру чем основной профиль обтекаемого тела перегородки для уменьшения донного давления, стабилизировав горение предварительной инициацией горения в барьерном электрическом разряде между стенками щелей, и далее топливо-воздушная смесь сгорает в стабилизированном вихрями диффузионно-кинетических зонах горения, образующемся с двух сторон от центрального аэродинамического выступа, сформированного на торце разделительной перегородки.
В частности, настоящее изобретение заключается в следующем.
1. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий прямоугольный корпус с воздухозаборником, камерой сверхзвукового горения и соплом, с расположенными в нем горизонтальными или вертикальными разделительными перегородками, образующими щелевые воздушные каналы, разделительные перегородки выполнены полыми в виде обтекаемого тела в поперечном сечении, отличающийся тем, что, с целью повышения полноты сгорания и улучшения стабилизации процесса горения путем интенсификации смесеобразования и предкамерного подогрева части потока воздуха, обтекаемое тело перегородки выполнено в его хвостовой части с продольными щелями, дно которых образует в поперечном сечении более обтекаемую фигуру чем основной профиль обтекаемого тела перегородки для уменьшения донного давления, обтекаемое тело перегородки снабжено газовыпускными отверстиями, расположенными в дне продольных щелей, в продольных щелях обтекаемого тела перегородки формируется барьерный разряд электричества с целью предварительной инициации горения, причем на середине хвостового торца обтекаемого тела перегородки сформирован аэродинамический выступ для формирования вихрей по обе стороны от выступа для стабилизации горения газо-воздушной смеси.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что с целью улучшения управляемости зоной горения в камере сгорания двигателя газ выходит через различные газовыпускные отверстия расположенные в дне продольных щелей обтекаемого тела перегородки в зависимости от скорости воздушного потока через тракт двигателя.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что форма поперечного сечения корпуса прямоточного воздушно-реактивного двигателя может быть многоугольной, круглой или криволинейной.
Техническим результатом устройства является повышение полноты сгорания газа, повышение надежности работы оборудования и соответственно улучшение технико-экономических показателей эффективности сжигания топлива в потоке воздуха ПВРД, сформированного в щелевых воздушных каналах.
Возможность осуществления устройства, охарактеризованной приведенной выше совокупностью признаков, а также возможность реализации изобретения может быть подтверждена описанием варианта конструкции устройства, выполненного в соответствии с изобретением, сущность которого поясняется графическими материалами.
На Фиг. 1 показан вид прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Обозначение позиций на чертеже:
1 - корпус ПВРД;
2 - воздухозаборник;
3 - полая разделительная перегородка выполненная в виде обтекаемого тела;
4 - линия дна продольных щелей в полой разделительной перегородке;
5 - торец разделительной перегородки;
6 - аэродинамический выступ для формирования вихрей;
7 - сопло.
При использовании устройства стабилизированная предварительной инициацией горения барьерным электрическим разрядом в продольных щелях в полой разделительной перегородке и вихрями вокруг аэродинамического выступа на торце диффузионно-кинетическая зона горения газа обеспечивает широкий диапазон автоматического управления процессом горения в ПВРД.