ВНУТРЕННИЙ ПРОТОЧНЫЙ ТРАКТ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ПРЯМОТОЧНОГО ВРД

Полезная модель относится к авиационной технике, а именно к разработке конструкций высокоскоростных гражданских летательных аппаратов (ЛА) с интегрированной силовой установкой (СУ) на водородном топливе. Во внутреннем проточном тракте, включающем камеру сгорания (КС) и сопло происходит горение водородно-воздушной смеси и расширение газа с переводом выделившейся тепловой энергии в кинетическую. Геометрия внутреннего проточного тракта определяет эффективность смешения и горения, а также удельный импульс на срезе сопла.
Известно устройство - экспериментальный гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель (МПК F02K 7/10 RU №2238420, 20.10.2004). Устройство содержит воздухозаборник, изолятор, камеру сгорания, сопло, топливную систему с воспламенителем, инжекторами и топливными каналами. Проточный тракт указанного устройства имеет прямоугольную конфигурацию и предназначен для стендовых испытаний. Недостатком данного устройства является то, что оно может быть использовано в составе ограниченного числа компоновок гиперзвуковых ЛА.
Известно устройство - высокоскоростной прямоточный воздушно-реактивный двигатель (МПК F02K 7/10 RU №2544105, 10.03.2015). Устройство содержит последовательно расположенные воздухозаборное устройство, камеру сгорания (КС) и выходное сопло. Площадь входного сечения камеры сгорания выполнена больше площади ее выходного сечения, при этом площадь выходного сечения камеры сгорания определяется с учетом температуры воспламенения топливовоздушной смеси. В предложенном проточном тракте горение происходит в дозвуковом потоке, что является неэффективным при скоростях полета, соответствующих числам Маха М=7÷8.
Наиболее близким к заявленному устройству является внутренний проточный тракт высокоскоростного прямоточного ВРД, разработанный в проекте LARCAT-MR2, и описанный в статье "Design end optimization of a small scale M=8 scramjet propulsion system", опубликованный в сборнике трудов конференции "Space propulsion 2012" (http://elib.dlr.de/80475/). Устройство разделено на три части, расположенные последовательно: слоборасширяющаяся КС, первая секция сопла, расширяющаяся по потоку в вертикальной плоскости и вторая секция, расширяющаяся по потоку в вертикальной и горизонтальной плоскостях. На начальном отрезке КС имеет форму эллипса в поперечном сечении, в первой секции сопла происходит переход от эллиптического сечения к круглому, при этом поверхность КС образована прямыми образующими, а одна из образующих первой секции сопла является кривой более высокого порядка. Вторая секция сопла представляет собой усеченный конус круглого сечения с прямыми образующими. Одним из недостатков данного устройства, является сложность изготовления, связанная в основном с первой секцией сопла, имеющей сложную пространственную форму. Другим недостатком данного устройства является недостаточная длина КС относительно длины проточного тракта, что приводит к малым временам нахождения водородно-воздушной смеси в КС и, как следствие, недостаточному перемешиванию водородно-воздушной смеси, неполному сгоранию и сравнительно малому тепловыделению.
Задачей и техническим результатом решаемых полезной моделью является разработка конструкции внутреннего проточного тракта высокоскоростного прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ВРД), обеспечивающего более высокую степень смешивания и эффективность процесса горения водородно-воздушной смеси и обладающего простой технологией изготовления.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что во внутреннем проточном тракте высокоскоростного прямоточного ВРД камера сгорания и сопло имеют конусные формы поверхностей, выполнены в виде отдельных секций, соединенных между собой сваркой, причем камера сгорания выполнена слаборасширяющейся по потоку с углом раствора не более 5 градусов и состоит из пяти секций, общая длина которых составляет не менее 65% от суммарной длины камеры сгорания и сопла, а сопло состоит из двух секций, при этом камера сгорания и входная секция сопла изготовлены из металла с высокой теплопроводностью, а выходная секция сопла из жаропрочного металла.
Полезная модель поясняется рисунками, где на фиг. 1 приведена схема камеры сгорания и сопла при виде сбоку в разрезе, на фиг. 2 - схема камеры сгорания и сопла вид сверху.
Внутренний проточный тракт высокоскоростного прямоточного ВРД содержит: 3-7 - секции камеры сгорания, 1 - вторая секция сопла, 2 - первая секция сопла. Камера сгорания, состоит из пяти отдельных секций, сопло состоит из двух. Камера сгорания и сопло имеют конусную форму поверхностей, образованную прямолинейными образующими, что существенно упрощает технологию изготовления отдельных секций, снижает время и стоимость производства каждой секции внутреннего проточного тракта. При сборке конструкции внутреннего проточного тракта, из относительно коротких секций, для соединения секций друг с другом используется сварка, упрощающая изготовление проточного тракта. Элементы 2-7 изготавливают из металла с высокой теплопроводностью, например, бронзы, элемент 1 - из жаропрочной стали. Такие материалы выбираются из соображений теплового состояния конструкции. Тепловые потоки в КС и первой секции сопла существенно выше, чем во второй секции сопла 1, где поток разгоняется. Бронза обладает высокой теплопроводностью, при этом толщина стенок КС выбрана таким образом, что в процессе кратковременной работы, не достигается стационарное тепловое состояние конструкции, тепловые потоки отводятся внутрь конструкции за счет теплопроводности, что обеспечивает значение температур горячей стенки, не превышающих температуры потери устойчивости конструкции.
Предложенное устройство функционирует следующим образом. Поток воздуха, поступающий из воздухозаборного устройства, попадает в секцию 3 проточного тракта. В секции 3 осуществляться впрыск топлива, например, водорода в поток. При этом происходит смешение топлива с воздухом и начинается горение с энерговыделением. Далее в секциях 4-7 продолжается смешение и горение компонентов. Так как камера сгорания выполнена относительно более протяженной, по отношению к полной длине внутреннего проточного тракта, это приводит к большему времени пребывания топливо-воздушной смеси в КС, что приводит к более полному смешению топлива с воздухом и к большему тепловыделению, причем торможение сверхзвукового потока за счет теплоподвода компенсируется ускорением за счет расширения канала. В двух секциях сопла поток разгоняется, тепловая энергия переходит в кинетическую.