Устройство для создания тяги

Полезная модель относится к области двигателестроения и может быть использована для создания реактивной тяги как на летательных аппаратах, так и на стационарных энергоустановках.
Известно устройство для создания тяги, реализованное в виде камеры пульсирующего двигателя детонационного горения и содержащее смонтированные в корпусе соосно друг другу сверхзвуковое сопло и резонатор, выполненный в виде трубки, закрытой с одного конца и открытой с другого, и обращенной открытым концом в сторону истечения рабочего тела, причем между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью сопла образована полость, являющаяся камерой смешения, выходная часть которой представляет критическое сечение с дальнейшим переходом в сверхзвуковое сопло внешнего расширения с усеченным телом.
(см. патент РФ №2084675, кл. F02K 7/02, 1996 г.)
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что данное устройство является однорежимным, его конструкция не предполагает использования эффекта эжекции внешнего воздуха для увеличения (усиления) тяги, что не позволяет при его работе обеспечить достаточно высокие показатели по тяге.
Известно устройство для создания тяги, реализованное в виде пульсирующего двигателя детонационного сгорания и содержащее корпус, в котором соосно установлены сопло и резонатор Гартмана, выполненный в виде трубки, заглушенной с одного из концов и обращенной открытым концом в сторону сопла, причем между торцами сопла и резонатора образована соединенная с атмосферой камера смешения, а между наружной стенкой сопла и стенкой корпуса образовано кольцевое сопло, соединенное с устройством подготовки горючей смеси и выполненное многосопловым с промежутками для прохода воздуха вокруг каждой струи.
(см. патент, №2375601, кл. F02K 7/04, 2009 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа наиболее близкого аналога необходимо отметить, что конструкция устройства обеспечивает практически полное сгорание горючей смеси, устройство весьма экономично по расходу топлива.
Однако конструктивное решение данного устройства не предполагает регулирования частоты акустических колебаний резонатора в зависимости от расхода топлива, скорости и высоты полета летательного аппарата. Это может быть вполне допустимым в однорежимных тяговых модулях форсажных камер, но является существенным недостатком для летательных аппаратов, осуществляющих полет в широком диапазоне высот и скоростей, причем образующиеся при работе устройства ударные волны не используются для усиления действия эжектора, а сам эжектор не используется для увеличения тяги. В такой ситуации мощности используемого резонатора Гартмана весьма часто недостаточно для генерации ударных волн и детонации топлива, что ограничивает возможность получения пульсирующей детонации. Приведенное выше не позволяет обеспечить высокие характеристики по тяге при использовании данного устройства.
Техническим результатом настоящей полезной модели является увеличение создаваемой устройством тяги за счет введения в его конструкцию регулируемого эжектора и обеспечения взаимодействия потока в эжекторе с генерируемыми резонатором нелинейными акустическими волнами, частота и амплитуда которых могут регулироваться в широких пределах в зависимости от скорости полета летательного аппарата путем изменения глубины полости резонатора, а также за счет взаимодействия потока в резонаторе с разделителем потока.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в устройстве для создания тяги, содержащем корпус, в котором соосно друг другу смонтированы сопло и резонатор, выполненный в виде трубки, а также кольцевую камеру сгорания, новым является то, что кольцевая камера сгорания образована наружной поверхностью резонатора и внутренней поверхностью корпуса, обращенные друг к другу торцы сопла и резонатора образуют щелевое сопло, сообщенное с кольцевой камерой сгорания, с соплом и с полостью резонатора, при этом устройство оснащено разделителем потока, размещенным за выходным срезом щелевого сопла, поршнем, размещенным в резонаторе с возможностью настроечного перемещения в полости трубки для регулирования глубины полости резонатора, а также эжекторной насадкой, охватывающей сопло и имеющей возможность осевого перемещения относительно него, при этом, разделитель потока закреплен посредством винта на втулке, установленной в торце трубки акустического резонатора, эжекторная насадка смонтирована на корпусе, а ее внутренняя поверхность выполнена профилированной.
В качестве резонатора может быть использован резонатор Гавро.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображено устройство для создания тяги, осевой разрез.
На графических материалах нижеследующими позициями обозначены конструктивные элементы устройства:
1 - корпус;
2 - кольцевая камера сгорания;
3 - резонатор;
4 - сопло;
5 - поршень;
6 - шток;
7 - винт;
8 - втулка;
9 - разделитель потока;
10 - щелевое сопло;
11 - эжекторная насадка.
Устройство для создания тяги содержит корпус 1, в котором соосно друг другу смонтированы резонатор 3 и сопло 4. Кольцевая полость между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной резонатора 3 является камерой сгорания 2.
Резонатор 3 выполнен в виде трубки, в полости которой с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения и установки в заданном положении размещен поршень 5, к которому прикреплен шток 6. Посредством штока 6 поршень 5 можно перемещать в полости трубки, изменяя глубину ее полости, то есть, торец поршня практически является подвижной стенкой резонатора. Для перемещения поршня может быть использована широкая гамма механизмов, выбор которых не является сложной задачей для специалиста. Устройство оснащено разделителем потока 9 клиновидной формы. Разделитель потока 9 может быть выполнен в виде диска заостренного с внешней стороны. Заострение необходимо для более точного положения точки растекания потока по его сторонам. Разделитель потока предназначен для разделения потока среды, истекающей из сопла 4 в виде сверхзвуковой струи и расположен за выходным срезом щелевого сопла. Положение разделителя потока определяет - какое количество воздуха попадает в полость резонатора, что определяет баланс масс между полостью резонатора и окружающим пространством, и, тем самым, определяет амплитудно-частотные характеристики колебаний в системе. Установка разделителя потока 9 может быть осуществлена различным образом, например, посредством винта 7, на который одет разделитель потока, а винт 7 ввинчен в резьбовое отверстие втулки 8, закрепленной на торце трубки резонатора 3. Втулка 8 выполнена в виде крестовины с возможностью крепления к корпусу 1, например, с помощью резьбового соединения. В центральной части втулки 8 выполнено резьбовое отверстие для закрепления в нем винта 7. Регулировка положения разделителя потока может осуществляться путем перемещения винта 7 вдоль оси, например, путем ввинчивания либо вывинчивания в резьбовом отверстии втулки 8.
Между обращенными друг к другу торцевыми поверхностями резонатора 3 и сопла 4 образовано щелевое сопло 10, шириной h, имеющее кольцевую форму. Ширина сопла (размер h) может регулироваться путем ввинчивания либо вывинчивания сопла 4, установленного в резьбовом отверстии, выполненном в корпусе 1. Возможность настройки ширины щелевого сопла 10 позволяет регулировать расход топливной смеси независимо от других параметров. Щелевое сопло сообщено с кольцевой камерой сгорания 2, с соплом 4 и с полостью трубки резонатора 3.
В задней части корпуса, предпочтительно, с возможностью осевого перемещения, расположена эжекторная насадка 11, охватывающая сопло 4 и имеющая внутреннюю профилированную поверхность. Эжекторная насадка 11 может быть смонтирована на корпусе 1 или отдельно от него, на стационарном элементе (не показан).
В качестве резонатора наиболее целесообразно использовать резонатор Гавро, отличительной особенностью которого является наличие разделителя потока клиновидной формы. В зависимости от положения разделителя относительно сопла возможно регулировать баланс масс рабочей среды между резонатором и окружающей средой, что увеличивает диапазон регулирования работы устройства.
Устройство для создания тяги работает следующим образом.
Работа устройства может быть основана, например, на принципе действия ротационного детонационного двигателя Николса, в котором сжигание топлива в камере сгорания происходит при постоянном объеме во фронте детонационной волны в соответствии с термодинамическим циклом Джакобса-Фикетта.
Сжигание топлива также может быть организовано в соответствии с термодинамическим циклом Брайтона при постоянном давлении, как это используется в обычном реактивном или воздушно-реактивном двигателе. Для заявленного устройства это не принципиально.
При работе устройства недоокисленные продукты сгорания топливной смеси истекают из рабочего объема кольцевой камеры сгорания 2 в щелевое сопло 10.
При горении топливной смеси давление в кольцевой камере сгорания повышается, что позволяет создать в щелевом сопле сверхкритический перепад давления, в результате из него истекает сверхзвуковая плоская струя продуктов сгорания топливной смеси, которая направлена к оси симметрии сопла и взаимодействует с разделителем потока 9. При этом взаимодействии происходит дополнительное сжатие продуктов сгорания в результате взаимодействия встречных потоков в приосевой области. В результате взаимодействия струи с разделителем потока 9 возникают колебания среды за счет попеременного обтекания потока то с одной, то с другой его стороны, частота которых определяется объемом и глубиной полости резонатора Гавро 3, которые устанавливаются перемещением поршня 5 посредством штока 6. В результате продукты сгорания топливной смеси попадают в полость трубки резонатора 3, где под воздействием мощных нелинейных акустических и ударных волн, образовавшихся в результате взаимодействия сверхзвуковых потоков, происходит дополнительный разогрев и интенсификация горения топливной смеси. Это приводит к повышению давления на поршне 5, что создает дополнительную тягу.
При истечении из сопла 4 продукты сгорания взаимодействуют с потоком внешнего воздуха в эжекторном насадке 11, который используется в качестве усилителя тяги на атмосферном участке полета. Со среза сопла происходит излучение мощных нелинейных акустических волн, сгенерированных резонатором, а внутри сверхзвукового течения происходят колебания ударно-волновых структур, которые объясняются периодическим характером истечения потока из устройства.
Как уже было упомянуто выше, эжекторный насадок 11 имеет внутреннюю профилированную поверхность и может перемещаться вдоль продольной оси. За счет этого имеется возможность регулировать проточное сечение эжектора на срезе сопла 4.
Наличие в устройстве эжектора способствует увеличению тяги при движении летательного аппарата в атмосфере, а возможность регулировать вынос эжектора относительно среза сопла позволяет получать максимальный эффект увеличения тяги при любой скорости полета, возможность регулировать глубину полости трубки резонатора Гавро за счет перемещения поршня, совместно с регулировкой выноса эжектора, позволяет получать оптимальную частоту акустических волн, что позволяет добиваться максимального увеличения тяги на эжекторе и сопле в зависимости от скорости и высоты полета.
Наличие в устройстве разделителя потока 9 усиливает интенсивность колебаний в резонаторе Гавро.
Резонатор устройства имеет значительный объем, что увеличивает время пребывания продуктов сгорания в зоне горения с повышенным давлением, а это увеличивает полноту сгорания топлива.
Щелевое кольцевое сопло формирует сверхзвуковую струю, направленную к центральной оси устройства, что препятствует попаданию ударных волн в камеру сгорания.
Приведенные выше конструктивные особенности заявленного устройства позволяют в максимальной степени обеспечить достижение указанного технического результата.