ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ЦРДД)

Настоящее устройство относится к пульсирующим двигателям летательных аппаратов и роторных силовых установок и может быть использовано преимущественно в качестве двигателя вертолета реактивной схемы, когда двигатель устанавливается на концевой части лопасти несущего винта (НВ) вертолета любого назначения и грузоподъемности, включая беспилотные.
Из предшествующего уровня техники 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.
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 посередине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные клапаны для прохода воздуха.
Набегающий на двигатель поток воздуха проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливно-воздушная 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.
Достоинством 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 известно техническое решение «Камера пульсирующего горения» US 4343719 B01F 3/02, 10.08.1982, использующее углубленные в камеру сгорания элементы, выполненные из жаропрочных материалов, которые в процессе работы разогреваются и служат источниками воспламенения, стабилизирующего процесс горения и в котором канал впускной системы углубляется в камеру сгорания на некоторое расстояние и на выходе из канала могут устанавливаться элементы или вставка, которая в процессе работы разогревается. При этом дополнительные элементы или вставка сильно возмущают топливовоздушную струю и резко снижают ее скорость на входе в камеру, в результате чего обеспечивается зонная стабилизация пламени.
Недостатком данного технического решения является то, что оно не решает задачу смешения топливно-воздушной смеси с остаточными продуктами сгорания и образования заряда, способного к объемному детонационному сгоранию. Кроме того, наличие постоянной зоны воспламенения приводит к короткой задержке воспламенения, и, как следствие, к неполной завершенности процесса смесеобразования в объеме камеры и к низкому значению коэффициента наполнения камеры сгорания. При этом процесс горения начинается в диффузионной области, когда процесс смешения не завершен.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является «Роторная силовая установка» RU 2184262, МПК 7, F02K 7/075, 05/01/2000, (прототип), представляющая собой устройство по преобразованию тепловой энергии топлива во вращательное движение и состоящей из двух пульсирующих реактивных двигателей, закрепленных на одной оси вращения с их реактивными соплами, образующими пару вращательных сил, а их клапанные устройства и камеры сгорания находятся с противоположной стороны общей оси вращения, имея связь через свои выхлопные трубы. Данное расположение двигателей позволяет увеличить экономичность и КПД процесса преобразования тепловой энергии и достижение детонационного сгорания в пульсирующих двигателях за счет использования центробежных сил. Пульсирующие двигатели устанавливаются выхлопными трубами вдоль одного диаметра в противоположных направлениях действия их газовых потоков, а камеры сгорания ориентированы клапанами навстречу вращения по дуге вращения. Притом каждый пульсирующий двигатель содержит клапанное устройство, камеру сгорания, выхлопную трубу, реактивное сопло, создающее движущий момент. При таком расположении пульсирующих двигателей после их запуска начинает возрастать скорость вращения вокруг оси, растут и силы инерции и внутри двигателя действуют центробежные силы. В этом случае на любой объем газа внутри двигателя действует центробежная сила, что увеличивает давление в камере сгорания и соответственно КПД двигателя.
Недостатком данного известного технического решения является недостаточная экономичность двигателей из-за противоположного действия центробежных сил на газы в реактивных соплах и на воздух и газы в камерах сгорания и частях выхлопных труб до оси и после оси вращения, что уменьшает положительное влияние центробежных сил на КПД двигателя и возможность устойчивого детонационного горения топлива. К тому же лобовое сопротивление клапанного устройства каждого двигателя, является значительным, что также снижает их эффективность, а также при расположении клапанных устройств в зоне нахождения выхлопных газов - уменьшает количество кислорода в воздухе, необходимого для горения топлива и это уменьшает эффективность использования топлива.
Также взято во внимание Открытие академика В.Н. Челомея и др. внесенное в Государственный реестр открытий СССР-России 20 марта 1986 г. за №314 с приоритетом от 2 июля 1951 г. В Открытии установлено неизвестное ранее явление аномально высокого прироста тяги, достигающего 120-140% в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей при определенных механико-геометрических соотношениях в потоке, обусловленное тем, что в эжекционном канале возникает течение раздробленных структур газа с преимущественным увеличением дополнительной массы в волнах разряжения, характеризующимся малой диссипацией энергии.
Задача на решение которой направлено заявленное техническое решение - это максимально уменьшить лобовое сопротивление клапанной решетки двигателя, увеличить ресурс упругих элементов клапана, повысить удельную тягу двигателя и снизить удельный расход топлива путем увеличения частоты и амплитуды пульсации давления в камере сгорания, увеличить скорость сгорания топливно-воздушной смеси в камере сгорания двигателя до детонационной с одновременным увеличением давления в камере сгорания и увеличения термодинамического КПД и соответственно снизить удельный расход топлива за счет полноты его сгорания.
А также ставится задача увеличить массу рабочего тела выбрасываемого реактивной струей из сопла двигателя и снизить до минимума шлейф пламени из сопла с одновременным снижением акустического давления выхлопа двигателя, а также ставится задача использовать в двигателе основные виды светлого углеводородного топлива (дизельное зимнее топливо, бензин - любой авиационный или автомобильный, керосин осветительный, авиационное топливо типа: ТС-1, ТС-2), газообразное топливо и спирты типа: Этанол, Гидролизный.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленное техническое решение, Центробежный реактивный детонационный двигатель (ЦРДД), для вращения роторных устройств, преимущественно несущего винта вертолета реактивной схемы, содержащий камеру сгорания с клапанным устройством на входе, переходящую в резонансную трубу, концевая часть которой, заканчивается реактивным соплом и повернута в направлении, противоположном направлению вращения приводимого устройства.
При этом перед клапанным устройством установлен воздухозаборник, соединенный с камерой сгорания, а воздухозаборник, камера сгорания и прямая часть резонансной трубы установлены вдоль лопасти несущего винта в ее концевой части, при этом с наружной атмосферой воздухозаборник сообщен через каналы в лопасти и дополнительный воздухозаборник, выполненный на ее передней кромке, кроме того камера сгорания имеет дополнительную внутреннюю стенку и свечу зажигания, при этом переходная часть камеры сгорания в резонансную трубу выполнена в виде конфузора, а резонансная труба снабжена устройством подачи топлива, сообщенное с трубчатым испарителем топлива, установленным в резонансной трубе, выход которого соединен с перегревателем топлива в виде тонкостенного цилиндра с завихрителем внутри и с конусными входным и выходным участками, установленного по оси камеры сгорания, выходной конец которого пропущен через клапанное устройство и соединен с топливной форсункой, установленной в воздухозаборнике перед клапанным устройством, которое выполнено в виде дисковой клапанной решетки с окнами для пропуска топливовоздушной смеси, скрепленной с камерой сгорания и клапана в виде пакета тонкостенных пластин из жаропрочного материала, имеющих упругие элементы в виде радиально расположенных лепестков для перекрытия окон решетки, а также упора - отражателя, укрепленного вместе с клапаном на решетке со стороны камеры сгорания, при этом рабочие поверхности окон решетки, взаимодействующие с упругими элементами клапана выполнены цилиндрическими, а оси образующих их цилиндров расположены перпендикулярно оси решетки, при этом рабочая поверхность упора-отражателя, взаимодействующая с упругими элементами клапана, выполнена с радиусом равным радиусу рабочих поверхностей окон решетки, а внутренняя поверхность упора-отражателя выполнена вогнутой, кроме того напротив окон решетки и соответственно упругих элементов клапана в упоре-отражателе выполнены отверстия для пропуска газа к клапану, а камера сгорания в передней части, снабжена демпферами-повторителями детонационных импульсов, выполненными в виде стаканов, обращенных своими открытыми торцами в сторону резонансной трубы, повернутая часть которой заключена в капот в виде трубы с диффузором на входе и соплом на выходе, образующим второй контур двигателя, при этом капот с соплом и сопло резонансной трубы расположены по одной оси, а их взаимное положение вдоль нее определено из условия создания максимальной эжекции воздуха в капоте газовой струей из сопла резонансной трубы.
Дополнительный воздухозаборник может быть выполнен в средней части лопасти.
Предпочтительно центральные части клапанной решетки и упора-отражателя, взаимодействующие с центральными корневыми частями упругих элементов клапана и на вогнутой поверхности упора-отражателя выполнить плоскими и перпендикулярно к их осям.
При этом камера сгорания может иметь не менее двух демпферов-повторителей детонационных импульсов, равнорасположенных от оси камеры сгорания.
Демпферы-повторители детонационных импульсов установлены в воздухозаборнике, жестко закреплены в клапанной решетке и пропущены через окна в упоре-отражателе, при этом их открытые торцы выступают в камеру сгорания до уровня периферийного края упора-отражателя.
Клапан целесообразно выполнить из трех пластин, при этом среднюю в пакете пластину выполнить малотеплопроводной, например, перфорированной с отверстиями равномерно расположенными по пластине.
Дополнительную внутреннюю стенку камеры сгорания желательно установить с зазором по отношению к наружной стенке и выполнить перфорированной из жаропрочной стали, при этом перфорацию выполнить отверстиями, с равномерным расположением их по стенке.
Конфузор камеры сгорания, на внутренней конусной поверхности, а также внутреннюю поверхность повернутой части резонансной трубы по ее большему радиусу предпочтительно выполнять с жаростойким покрытием.
При этом, устройство подачи топлива имеет топливный штуцер, установленный на боковой поверхности передней части резонансной трубы, соединенный с топливопроводом через обратный клапан и дроссель расхода топлива, причем часть топливного штуцера, находящаяся в резонансной трубе, может иметь обтекаемую форму в поперечном сечении в виде «чечевицы», а свечу зажигания установить в боковой передней части камеры сгорания.
Трубчатый испаритель топлива может быть выполнен в виде продольных плоских участков, развернутых поочередно относительно друг друга на 90°, с внутренними щелевыми проходными сечениями.
Кроме того вдоль наружных входной конусной и цилиндрической частей перегревателя топлива выполнены продольные теплообменные ребра, а в начале внутренней цилиндрической части перегревателя установлен завихритель в виде утолщенного диска с повернутыми относительно его оси под углом 20°-60° прорезями, расположенными равномерно по периферии диска.
Желательно двигатель и капот повернутой части резонансной трубы установить на раме, скрепленной с силовым набором лопасти, при этом с наружной стороны двигатель закрыт обтекаемым кожухом, также закрепленном на раме, при этом относительно кожуха и рамы двигатель установлен с зазором, образующим круговой продольный канал, сообщенный с окнами на капоте для пропуска части воздуха из дополнительного воздухозаборника.
Желательно между двигателем и дополнительным воздухозаборником на нижней части лопасти выполнить дренажные окна для сброса влаги из воздуха, поступающего из дополнительного воздухозаборника.
На передней части кожуха перед воздухозаборником двигателя желательно установить помпажный клапан в нормально закрытом состоянии, удерживаемый в закрытом состоянии пружиной и встречным потоком воздуха при вращении лопасти.
Целесообразно угол поворота повернутой части резонансной трубы, в направлении противоположном направлению вращения лопасти несущего винта, выполнить 80°-100°.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является то, что в двигателе ЦРДД в полной мере используется центробежная сила, возникающая при вращении лопасти несущего винта, при этом за счет этой силы происходит наддув воздуха в воздухозаборник двигателя через каналы в лопасти и дополнительный воздухозаборник на передней кромке лопасти, что исключает лобовое сопротивление клапанной решетки двигателя, при этом лобовое сопротивление дополнительного воздухозаборника минимально так как входящий в него воздух всасывается центробежной силой, которая разгоняет воздух внутри лопасти в сторону воздухозаборника двигателя.
Притом расположение основной части двигателя вдоль лопасти в ее концевой части позволяет использовать центробежную силу в работе клапана клапанной решетки, в дополнительном ускорении перемещения «плазмы» горящего топлива и продуктов сгорания в камере сгорания и в резонансной трубе. К тому же подготовка топлива в испарителе и перегревателе до газово-молекулярного состояния, перед подачей его в камеру сгорания в виде высоко-гомогенизированной топливовоздушной смеси уже нагретой до температуры близкой к самовоспламенению, дает возможность гореть топливу объемно с детонационной скоростью, создавая передачу энергии ударной волной.
Благодаря наличию в камере сгорания дополнительной внутренней перфорированной стенки и упора-отражателя, которые в нагретом состоянии поддерживают высокую температуру в камере сгорания и наличие отражателя ударной волны в виде вогнутой поверхности в упоре-отражателе и ускорение движения «плазмы» горящего топлива за счет центробежной силы в сторону резонансной трубы и в ней, а также за счет срабатывания демпферов-повторителей детонационных импульсов - значительно повышается кинетическая энергия и скорость газового потока, который создает реактивный момент в сторону вращения лопасти в повернутой части резонансной трубы при затрате энергии потока на изменение направления движения на 90°.
Притом высокая скорость перемещения «плазмы» горящего топлива из камеры сгорания в резонансную трубу позволяет входить новой топливовоздушной смеси в переднюю часть камеры сгорания и после ее детонационного возгорания она продолжит двигаться за предыдущей зоной «плазмы» горящего топлива еще не вышедшей из сопла резонансной трубы, тем самым увеличивая частоту и амплитуду импульса давления.
При этом, сопло повернутой части резонансной трубы заключено в капот и его активная газовая струя эжектирует воздух в капоте создавая условия для получения аномально высокого прироста тяги, достигающего 120-140% в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей когда в эжекционном канале возникает течение раздробленных структур газа с преимущественным увеличением дополнительной массы рабочего тела в волнах разряжения, что соответствует выводам Открытия академика В.Н. Челомея и др. внесенного в Государственный реестр 20 марта 1986 г. за №314.
Притом, предварительная подготовка в двигателе любого заявленного топлива до газо-молекулярного состояния с высокой температурой и с высокой кинетической энергией его молекул еще до воспламенения, позволило достигнуть многотопливности двигателя, когда в качестве топлива используется газовое топливо, несколько видов светлого углеводородного топлива и некоторые спирты.
К тому же, детонационное горение топлива в камере сгорания и высокая скорость процессов массопереноса в двигателе, увеличивает его термодинамический КПД.
Кроме того активное взаимодействие газовой струи из сопла резонансной трубы с воздухом в капоте снижает величину видимой части выхлопных газов и одновременно происходит экранирование акустических волн выхлопа, что значительно снижает звуковое давление выхлопа.
Приведенная совокупность технических решений позволила сократить расход топлива, на единицу мощности, за счет полноты его сгорания и увеличить термодинамический КПД.
Сущность предложенных технических решений поясняется чертежами, на которых изображено.
На Фиг. 1 - Общий вид двигателя с указанием дополнительного воздухозаборника на передней кромке лопасти несущего винта (НВ) вертолета с каналами прохода воздуха в самой лопасти НВ и рама -как продолжение лопасти и ее силового набора, на которой установлен двигатель, а также показано стрелкой направление вращения лопасти и стрелками движение воздуха от дополнительного воздухозаборника на лопасти НВ до воздухозаборника двигателя.
На Фиг. 2 - Общий вид двигателя с продольными разрезами, а именно камера сгорания, резонансная труба, капот реактивного сопла, клапанная решетка, клапаны.
На Фиг. 3 - Вид А согласно Фиг. 2, где показаны демпферы-повторители детонационных импульсов, установленные в клапанную решетку, а также показан линейный размер L, от величины которого зависит продолжительность детонационного повторного импульса давления в камере сгорания.
На Фиг. 4 - Сечение В-В согласно Фиг. 2, где показано жаропрочное покрытие в повернутой части резонансной трубы в поперечном сечении.
На Фиг. 5 - Сечение Д-Д согласно Фиг. 2, где показан завихритель в перегревателе с наружными теплообменными продольными ребрами.
На Фиг. 6 - Вид Л с Фиг. 5, где показаны прорези завихрителя в перегревателе топлива.
На Фиг. 7 - Сечение Е-Е согласно Фиг. 2, где показана дисковая клапанная решетка с окнами и клапан с упругими элементами в виде лепестков, а также показан упор-отражатель и открытые торцы демпферов-повторителей.
На Фиг. 8 - Сечение Н-Н согласно Фиг. 7, где показан упругий элемент клапана в виде лепестка и цилиндрическая рабочая поверхность окна клапанной решетки с границами этой рабочей поверхности.
На Фиг. 9 - Вынос I согласно Фиг. 2, где показано крепление клапанной решетки и воздухозаборника в передней части камеры сгорания, рабочие цилиндрические поверхности под упругие элементы клапана, а также показан упор-отражатель.
На Фиг. 10 - Фотография: Двигатель ЦРДД, установленный на лопасти 3 (обтекаемый кожух 53 снят), также показан дополнительный воздухозаборник 1 (выделен) на передней кромке 2 лопасти 3 и капот 13, с окнами охлаждения 54 вокруг повернутой 35 части резонансной трубы 34.
На Фиг. 11 - Фотография: Двигатель ЦРДД, установленный на лопасти 3, также показан кожух 53, помпажный клапан 55 и соосность сопла 14 двигателя и сопла 39 капота 13.
Центробежный реактивный детонационный двигатель (ЦРДД), представленный на чертежах (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 10, Фиг. 11) содержит дополнительный воздухозаборник 1 на передней кромке 2, преимущественно в средней части лопасти 3 несущего винта с осью вращения 4, при этом в лопасти 3 имеются продольные каналы 5 для прохода наружного воздуха 6 в направлении 7 к воздухозаборнику 8 двигателя.
По мере продвижения воздуха в каналах 5 лопасти 3 основная часть влаги в нем сбрасывается через дренажные окна 9 диаметром 3,0-6,0 мм в нижней концевой части лопасти 3, между дополнительным воздухозаборником 1 и двигателем.
В концевой части лопасти 3 закреплена рама 10, которая является продолжением силового набора лопасти 3 и ее лонжерона 11, а к раме 10 закреплен вдоль нее двигатель посредством кронштейнов 12 и капот 13, который капотирует реактивное сопло 14 двигателя и большую часть повернутой части 35 резонансной трубы 34.
А двигатель состоит (Фиг. 2) из воздухозаборника 8, закрепленного байонетно 56 в установочном узле 15 передней части камеры сгорания 16, там же байонетно закреплена клапанная решетка 17 с окнами 18 и с цилиндрическими рабочими поверхностями 19 (Фиг. 7, 8, 9) с границами 58 под упругие элементы 60 в виде радиальных лепестков клапана 23 который состоит из пластины 20, пластины 21 и средней пластины 22 с меньшей теплопроводностью, например перфорированной с отверстиями диаметром 1,0-3,0 мм, равномерно расположенными по пластине, при этом пластины изготовлены из тонкостенного жаропрочного материала с термостойкостью 900°-1000°C, например стали марки ХН70Ю.
Клапан 23 в нормальном открытом среднем положении, между цилиндрическими рабочими поверхностями 19 окон 18 клапанной решетки 17 и рабочей поверхностью 25 упора-отражателя 24, с радиусом поверхности равной радиусу цилиндрических рабочих поверхностей 19, ограничен в максимально открытом положении наружной поверхностью 25 упора-отражателя 24 с вогнутой поверхностью 25A внутри, при этом упор-отражатель 24 имеет отверстия 26 диаметром 3,0-10,0 мм напротив каждого упругого элемента 60 в виде радиально расположенных лепестков клапана 23 и каждого окна 18 клапанной решетки 17.
При этом клапан 23 и упор-отражатель 24 закреплены по оси клапанной решетки 17 с базой на плоские поверхности 59 с помощью полой резьбовой втулки 27 выходной части 28 перегревателя топлива 29, при этом на полую резьбовую втулку 27 закреплена топливная форсунка 30 с соплами 62 подачи топлива.
Также в переднюю часть камеры сгорания 16, а именно в клапанную решетку 17, равнорасположенно от оси камеры сгорания жестко установлены демпферы-повторители детонационных импульсов 31 в виде стаканов, притом они выступают открытыми своими частями в камеру сгорания 16, в сторону резонансной трубы 34,через окна 63 в упоре-отражателе 24, (Фиг. 3, Фиг. 7) до уровня периферийной кромки упора-отражателя 24 и имеют расчетную длину L от которой зависит продолжительность повторного импулса.
Камера сгорания 16 имеет дополнительную перфорированную внутреннею стенку 32 (Фиг. 2, Фиг. 9), с перфорацией отверстиями диаметром 1,0-8,0 мм установленную с зазором 0,5-6,0 мм относительно корпуса камеры сгорания 16 и изготовленную из жаропрочной стали с термостойкостью 700°-1000°C, например марки 20Х23Н18.
К задней части камеры сгорания 16 (Фиг. 1, Фиг. 2) закреплен переходник-конфузор 33, переходящий в резонансную трубу 34, имеющую прямую часть и концевую часть с соплом 14, которая повернута относительно оси двигателя на 80°-100° в сторону задней кромки 57 лопасти 3 и рамы 10 - противоположно направлению вращения лопасти 3. Притом внутренняя поверхность повернутой части 35 резонансной трубы 34 по большому радиусу 36 имеет жаропрочное (Фиг.2, Фиг.4) покрытие 37 с термостойкостью 1000°-1500°C толщиной 0,005-0,3 мм, например хромовое покрытие, нанесенное электронно-лучевым способом в вакууме (Основы технологии производства ЖРД, Г.А. Киселев, Москва, «Машиностроение», 1986 г - стр. 106). Такое же покрытие 37 нанесено на внутреннюю часть конусной поверхности конфузора 33 камеры сгорания 16. Капот 13, реактивного сопла 14 и части 35 повернутой резонансной трубы 34, имеет входной диффузор 38 и выходное сопло 39.
В передней боковой части корпуса камеры сгорания 16, установлена искровая свеча зажигания 40 с электропроводом 41 (Фиг. 1, Фиг. 2), а топливо в двигатель подается через топливопровод 42, дроссель 43, обратный клапан 44 и топливный штуцер 45 установленный в передней боковой части резонансной трубы 34.
Топливный штуцер 45, установленный на боковой поверхности резонансной трубы 34 имеет обтекаемую часть 46 в виде «чечевицы», которая находится в полости резонансной трубы 34 (Фиг. 1, Фиг. 2), к которой по оси двигателя, закреплен трубчатый испаритель 47 в виде продольных плоских участков, развернутых поочередно относительно друг друга на 90° с внутренними щелевыми проходными сечениями 0,3-3,0 мм, а к концу трубчатого испарителя 47 закреплен полый тонкостенный цилиндрический перегреватель 29 через входную конусную часть 48, притом в начале внутренней части перегревателя 29 установлен (Фиг. 2, Фиг. 5, Фиг. 6) завихритель 49 в виде утолщенного диска с повернутыми на 20°-60°, относительно его оси, прорезями 50 по периферии завихрителя 49 с глубиной прорезей 2,0-8,0 мм и шириной 0,5-3,0 мм. При этом перегреватель 29 и его конусная входная часть 48 имеют снаружи продольные теплообменные ребра 51, а выходная конусная часть 28 перегревателя 29, заканчивается полой резьбовой втулкой 27 (Фиг. 2, Фиг. 9), посредством которой и форсунки 30 крепятся к клапанной решетке 17 упор - отражатель 24 и клапан 23.
Двигатель ЦРДД (Фиг. 1, Фиг. 10, Фиг. 11), закрепленный основной своей частью вдоль лопасти 3 НВ закрыт по передней кромке 2 лопасти 3 кожухом 53 обтекаемой формы, при этом кожух 53 относительно двигателя установлен с зазором, такой же зазор имеется между двигателем и рамой 10 образующий кольцевой продольный канал для прохода части воздуха 7 из лопасти 3 по каналам 5 от дополнительного воздухозаборника 1 для охлаждения двигателя, а для выхода воздуха охлаждения в атмосферу между резонансной трубой 34, а именно ее повернутой части 35 и капотом 13 имеются окна 54. В передней части кожуха 53 напротив входа в воздухозаборник 8 двигателя имеется помпажный клапан 55 в нормальном - закрытом состоянии, удерживаемый в этом закрытом состоянии пружиной 61 и встречным потоком воздуха при вращении лопасти НВ в направлении 52.
Системы управления подачи пускового и основного топлива, а также система управления зажиганием - не показаны.
Двигатель ЦРДД (Фиг. 1, Фиг. 2) работает следующим образом. Для запуска двигателя в топливный штуцер 45 через дроссель 43, выравнивающий подачу топлива в двигатель, и обратный клапан 44, предохраняющий топливопровод 42 от противотока топлива в момент его вскипания в трубчатом испарителе 47, подается газообразное пусковое топливо, например пропан, которое пройдя от штуцера 45 и его обтекаемую часть 46 в трубчатый испаритель 47 и перегреватель 29 с входной конусной частью 48, наклонные прорези 50 завихрителя 49 и выходную конусную часть 28 с полой резьбовой втулкой 27 с закрепленной на ней форсункой 30, поступает через ее сопла 62 в воздухозаборник 8 двигателя.
Придается первичное вращение лопастей 3, например стартером или иным образом (не показано). Наружный воздух 6 входит в дополнительный воздухозаборник 1 на передней кромке 2 лопасти 3 (Фиг. 1, Фиг. 2 Фиг. 10) и по каналам 5 в лопасти 3 и в раме 10 поступает в направлении 7, а также за счет центробежных сил, в воздухозаборник 8 и камеру сгорания 16 двигателя через окна 18 клапанной решетки 17 и нормально открытый в среднем положении, клапан 23, при этом основная часть влаги из воздуха сбрасывается через дренажные окна 9 на нижней части лопасти 3.
Воздух в направлении 7, входя в камеру сгорания 16, одновременно смешивается с газообразным топливом, которое поступает через сопла 62 форсунки 30 непосредственно в окна 18 клапанной решетки 17, так как форсунка 30 находится в воздухозаборнике 8 двигателя и ее сопла 62 направлены на окна 18.
Одновременно включается искровая свеча зажигания 40, которая воспламеняет топливо-воздушную смесь в камере сгорания 16.
От воспламенения в камере сгорания 16 топливо-воздушной смеси она увеличивается в объеме и соответственно увеличивается давление, которым закрываются окна 18 клапанной решетки 17 упругими элементами 60 в виде лепестков клапана 23 на которые действует давление в камере сгорания 16 непосредственно и через отверстия 26 в упоре-отражателе 24, что создает условия для равномерного действия давления по всей поверхности лепестков упругих элементов 60 клапана 23, а именно пластины 21, притом пластина 21 нажимает на малотеплопроводную пластину 22, вызывая их равномерный изгиб по рабочим цилиндрическим поверхностям 19 клапанной решетки 17 вместе с пластинами 20, охлаждаемой входящей топливовоздушной смесью, при этом пластины 21, 22, 20 не имеют выраженной зоны изгиба своих упругих элементов 60, так как они изгибаются равномерно по всей длине и по всем цилиндрическим поверхностям 19.
В это время «плазма» горящего топлива, отражаясь от вогнутой поверхности 25А упора-отражателя 24 и закрытого клапана 23 клапанной решетки 17, начинает движение в резонансную трубу 34, одновременно нагревая внутреннею дополнительную перфорированную стенку 32 корпуса камеры сгорания 16, и перегреватель 29 с трубчатым испарителем 47, а также обтекаемую часть 46 топливного штуцера 45, а также теплообменные ребра 51 и корпус перегревателя 29 с входной конусной частью 48 и выходную его конусную часть 28.
«Плазма» горящего топлива, продвигаясь по резонансной трубе 34, достигает повернутой части 35 этой трубы и совершает работу - реактивный момент в направлении 52 вращения лопасти 3, при изменении направления движения «плазмы» горящего топлива и продуктов сгорания на 90° от оси двигателя и продольной оси лопасти.
При этом, основное давление «плазмы» горящего топлива и продуктов горения воспринимает больший радиус 36 повернутой части 35 резонансной трубы 34, который с внутренней стороны имеет жаропрочное покрытие 37, так как кинетическая энергия массы «плазмы» зоны горения при совершении поворота отдает свою кинетическую энергию на вращение лопасти НВ по стрелке 52 с последующим ускорением в сопле 14, уже совершая работу эжекции воздуха в капоте 13, выбрасывая его как дополнительное рабочее тело из сопла 39 капота 13.
При выходе газовой струи из реактивного сопла 14 перпендикулярно оси двигателя в противоположную сторону от направления 52 вращения лопасти, упругие элементы 60 в виде лепестков клапана 23 клапанной решетки 17 открываются до упора в рабочую поверхность 25 упора-отражателя 24 за счет относительного разрежения в камере сгорания 16 из-за инерции движения «плазмы» горящего топлива и продуктов сгорания по всей длине резонансной трубы 34 к соплу 14, а также из-за центробежных сил от вращения лопасти, действующих на упругие элементы 60 клапана 23 и от давления воздуха из лопасти 3, создаваемого центробежными силами при разгоне этого воздуха от дополнительного воздухозаборника 1 на лопасти 3, до воздухозаборника 8 двигателя. Камера сгорания 16 заполняется новой топливно-воздушной смесью и цикл двигателя повторяется в режиме ПуВРД.
К тому же, при выходе газовой струи из реактивного сопла 14 двигателя она попадает в полость капота 13 и вследствие своей динамики эжектирует воздух внутри капота, создавая разряжение на его входном диффузоре 38 и выбрасывая этот воздух вместе с газовой струей из сопла 39 капота. При этом уменьшается шлейф пламени из реактивного сопла 14 из-за активного взаимодействия его газовой струи с воздухом в капоте 13, а также увеличивается выбрасываемая масса рабочего тела в воздушно-реактивной струе, что создает дополнительную тягу вместе с сокращением лобового сопротивления диффузора 38 ввиду эффекта всасывания воздуха из-за его эжекции газовой струей из реактивного сопла 14.
Циклы двигателя, в режиме ПуВРД, повторяются, создавая тягу для раскрутки НВ в течении 30-60 сек до достижения рабочих оборотов 200-600 об/мин и нагрева трубчатого испарителя 47, перегревателя 29, упора-отражателя 24, а также дополнительной перфорированной стенки 32 камеры сгорания 16 и обтекаемой части 46 топливного штуцера 45. При этом свеча зажигания 40 отключается.
После достижения рабочих оборотов НВ до 200-600 об/мин и пропорционального увеличения центробежных сил действующих на воздух 7 в каналах 5 лопасти 3 и на упругие элементы 60 клапана 23, а также на массу горящей топливовоздушной смеси - двигатель переходит в детонационный режим с объемно-детонационным горением топлива. При этом, если выбрано для работы газообразное топливо, то двигатель ЦРДД работает на нем и при необходимости топливо меняется на жидкое путем простого переключения без остановки двигателя, так как любое используемое топливо при его подготовке в двигателе будет доведено до газообразного молекулярного состояния.
На рабочих режимах двигателя, жидкое или газообразное топливо, проходя по нагретой обтекаемой части 46 топливного штуцера 45, трубчатому испарителю 47 испаряется и входя уже в парообразном состоянии в перегреватель 29 с входной 48 конусной частью и с теплообменными продольными наружными ребрами 51 начинает вращаться вокруг оси перегревателя от взаимодействия с периферийными повернутыми прорезями 50 завихрителя 49 перегревателя 29.
Пары топлива, вращаясь, «омывают» нагретые внутренние стенки цилиндрической части перегревателя 29, перегреваются и превращаются в газово-молекулярное состояние.
Газообразное перегретое топливо поступает в форсунку 30 через конусную часть 28 перегревателя 29 и резьбовую полую втулку 27.
При этом характер работы и циклы двигателя меняются и становятся импульсно-детонационными. Теперь после воспламенения топливно-воздушной смеси в камере сгорания 16 тепловая энергия «плазмы» горящего топлива значительно увеличивается, воспламеняясь в детонационном режиме из-за постоянно нагретых до высокой температуры перфорированной части 32 корпуса камеры сгорания 16, нагретого упора-отражателя 24 и нагретых лепестков 60 пластины 21 клапана 23 со стороны камеры сгорания, так как эта пластина изолирована малотеплопроводной пластиной 22 от пластины 20 охлаждаемой, входящей топливовоздушной смесью в окна 18 клапанной решетки 17, при этом от действия центробежных сил на зону горения топлива, она (зона) двигается в резонансную трубу со скоростью близкой к скорости такого перемещения от давления в камере сгорания 16 при закрытом клапане 23 в режиме ПуВРД поэтому упругие элементы 60 клапана 23 из-за действия на них центробежных сил и давления воздуха в воздухозаборнике 8 из лопасти 3 закрываются на более короткое время или, имеют «мерцательные» движения, так как «плазма» горящего топлива уже не может создать достаточно долгого давления на них, быстро перемещаясь в резонансную трубу 34, большей частью отражаясь от вогнутой поверхности 25А упора-отражателя 24, создавая этим импульс механической энергии в направлении резонансной трубы 34 в виде детонационной волны и с давлением пропорциональным силам инерции в зависимости от величины центробежных сил.
В детонационном режиме двигателя ЦРДД, топливо в камере сгорания 16 и в передней части резонансной трубы 34 горит с детонационной скоростью, потому что газообразное, перегретое в перегревателе 29 топливо имеет температуру при выходе из сопел 62 форсунки 30, близкую к температуре самовоспламенения, а смешиваясь с воздухом при входе в окна 18 решетки 17 попадает в камеру сгорания уже в виде высоко гомогенизированной топливовоздушной смеси, что обуславливает объемный детонационный характер воспламенения топлива в каждом цикле, а это увеличивает термодинамический КПД двигателя, уменьшает расход топлива и увеличивает тяговые характеристики двигателя за счет более высокой частоты повторяемости детонационных циклов с меньшим расходом топлива ввиду более полного его сгорания. При этом, при наличии “дежурного” зажигания в виде постоянно нагретой до высокой температуры перфорированной части 32 камеры сгорания 16, упора-отражателя 24, пластины 21 клапана 23 и.смешиваясь с остаточными раскаленными газами от предыдущего цикла, топливно-воздушная смесь зажигается от «дежурного» зажигания с детонационной скоростью 800-1500 м/сек.
При детонационном характере горения топливовоздушной смеси - детонационная волна, в каждом цикле, большей своей частью, отражается от вогнутой поверхности 25А упора-отражателя 24, а часть детонационной волны и раскаленных газов заполняет стаканы демпферов-повторителей детонационных импульсов 31, аккумулируя энергию детонации, и в момент начала движения большей части «плазмы» горящего топлива в сторону резонансной трубы 34 из-за появления разницы давления в передней части камеры сгорания, эта энергия «разряжается», давая дополнительный импульс в сторону резонансной трубы 34, что в конечном итоге увеличивает реактивный момент в сторону вращения 52 лопасти 3.
Реактивный момент возникает при совершении работы газового потока в повернутой части 35 резонансной трубы 34 во время изменения направления движения в ней на 90°, когда происходит затрата кинетической энергии газового потока в этом месте и происходит уменьшение скорости движения этого потока, что приводит к образованию «газовой пробки» и как следствие происходит импульсное повышение давления в передней части резонансной трубы 34 и в камере сгорания 16, чем создаются условия для детонационного зажигания топливо-воздушной смеси в камере сгорания 16 в каждом цикле.
При этом в зависимости от длины L (Фиг. 3) демпферов-повторителей детонационных импульсов 31, зависит продолжительность повторных импульсов и их синхронное влияние на скорость покидания «плазмой» горящего топлива камеры сгорания 16 и входа ее в резонансную трубу 34, ускоряя освобождение пространства в камере сгорания для входа в нее с высокой скоростью, новой топливовоздушной смеси.
При этом на все скоростные характеристики топливовоздушной смеси, «плазмы» горящего топлива, отработанных газов влияют центробежные силы от вращения НВ, ускоряя процессы массопереноса и увеличивая частоту рабочих циклов.
Меняя величину подачи топлива можно менять тяговые характеристики двигателя, при этом от изменения оборотов НВ и соответственно изменения центробежных сил двигатель будет переходить с детонационно-импульсного режима в режим ПуВРД и обратно, но даже в режиме ПуВРД эффективность двигателя будет выше, чем у аналогичных известных двигателей из-за более полного сгорания топлива, разгона продуктов горения центробежной силой от вращения лопастей НВ и наличия второго контура в виде капота 13 по оси реактивного сопла 14, а также из-за преобразования топлива в процессе подготовки в газомолекулярное состояние с высокой кинетической энергией его молекул.
При запуске двигателя или при резких изменениях подачи топлива возможна вспышка топлива в воздухозаборнике 8 двигателя, при этом от возникшего импульсного давления в нем откроется помпажный клапан 55 (Фиг. 1, Фиг. 11) на передней части 2 кожуха 53. Клапан 55, нормально закрытый, удерживается в закрытом состоянии встречным потоком воздуха на переднею кромку 2 лопасти 3 НВ и пружиной 61.
Охлаждение двигателя (Фиг. 1, Фиг. 2), а именно его камеры сгорания 16, переходника-конфузора 33 и большей части резонансной трубы 34 происходит частью потока воздуха 7 из каналов 5 лопасти 3, которая поступает через дополнительный воздухозаборник 1 на лопасти 3 и нагнетается центробежной силой от вращения НВ по каналам 5 в лопасти 3 и в раме 10. Воздух охлаждения проходит между корпусом двигателя и кожухом 53, а также между двигателем и рамой 10. Воздух после охлаждения двигателя выходит в полость капота 13 через окна 54 в нем и эжектируясь вместе с воздухом в капоте 13, выбрасывается в атмосферу через сопло 39 газовой струей реактивного сопла 14.
Промышленная применимость предложенного технического решения проверена путем изготовления и отработки нескольких типоразмеров двигателей на действующем вертолете. В результате удалось уменьшить «сухую» массу вертолета в два раза, пропорционально увеличив грузоподъемность, исключить трансмиссию, винт путевого управления, заменив его плоскостью путевого управления. Двигатель показал устойчивость работы без срыва, на всех режимах, а также подтверждена многотопливность. Управление двигателем путем изменения подачи топлива и переход с одного топлива на другое происходит плавно из-за большой инерции теплового баланса нагретых элементов двигателя. Поэтому, двигатель ЦРДД может найти применение в практическом вертолетостроении, когда реактивная схема машины является наиболее целесообразной.