Способ форсирования двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя и форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель
METHOD FOR FORCING A DUAL-FLOW EJECTOR PULSE JET ENGINE AND FORCED DUAL-FLOW EJECTOR PULSE JET ENGINE

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в двигателях небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как, например, беспилотные разведчики, летающие мишени.
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).
Известный ПуВРД представляет собой трубу с клапанной решеткой которая состоит 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 посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.
Набегающий на ПуВРД поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная 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 ПуВРД.
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.
Главным достоинством ПуВРД этого типа, основанного на применении механических клапанных решеток, является высокое гидравлическое сопротивление продуктам сгорания, пытающимся прорваться навстречу набегающему потоку при взрыве в камере сгорания.
Их недостаток - высокое гидравлическое сопротивление при продувке камеры сгорания, особенно на низких скоростях полета что ведет к не высокому цикловому объемному наполнению и, как следствие, к низкой удельной и лобовой тяге. Но главное - они дают падение тяги при больших скоростях полета из-за механического отгиба динамическим напором воздуха лепестков клапана, что приводит к переходу в режим прямоточного ПуВРД.
Так же известен ПуВРД с помощью аэродинамических клапанов в качестве которых часто используют простые трубки, "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж. Г. Маркштейна, М., МИР, 1968, с. 401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; 2812635, 1957;3093962, 1963.
К недостаткам такого способа продувки ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления в камере сгорания и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия) вследствие малой скорости горения топливовоздушной смеси.
Известно устройство форсированного двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя защищенного патентом на изобретение RU 2717479, СПК F02K 7/067 (2020.01), опубликованным 23.03.2020, БИ №9. Форсированный двухконтурный эжекторный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ДЭПуВРД) содержит, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первой и второй труб-смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива, змеевик нагрева топлива и резонаторную трубу с частичным диффузорным раскрытием. Отличительной особенностью этого ДЭПуВРД является то, что задняя стенка камеры сгорания выполнена с первым козырьком эшелона с прямоугольными прорезями для образования за ними плоских струйных течений, внутри камеры сгорания за первым козырьком выполнена перфорированная ниша с выступающим внутрь течения вторым козырьком, а змеевик нагрева топлива имеет неравномерную по диаметру и косую по оси навивку.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрано устройство форсированного двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ДЭПуВРД), защищенного патентом на изобретение RU 2714463 СПК F02K 7/067 (2019.08), опубликованным 17.02.2020, БИ №5, который содержит, в частности, камеру сгорания, впускную систему из первой и второй труб-смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопло подачи топлива. На входе во второй смеситель рассматриваемого ДЭПуВРД установлена кольцевая обечайка длиной 0,3-0,5 калибра второго смесителя, а резонаторная труба выполнена с перфорацией профилированными отверстиями в зоне примыкания к камере сгорания и частичным диффузорным раскрытием, расположенным в аэродинамической тени за камерой сгорания, при этом внутри входного участка первого смесителя установлен треугольный канал длиной от 0,1 до 0,5 длины первой трубы-смесителя. Оба воздушных клапана аэродинамические. Здесь же представлен и способ форсирования двухконтурного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающий, продувку камеры топливовоздушной смесью сгорания из смесителей и воздухом из аэродинамического клапана второго контура, формирующим воздушный струйный обдув зоны горения, последующее воспламенение и взрыв с выбросом продуктов сгорания через резонаторную трубу, трубы-смесители и аэродинамический клапан, при этом подачу топлива во время работы известного ДЭПуВРД осуществляют одновременно в два контура ДЭПуВРД с последующей организацией интенсивного перемешивания в камере сгорания путем струйного обдува топливовоздушной смесью зоны горения с образованием кольцевых вихрей.
В рассмотренном ближайшем аналоге имеются возможности дополнительного повышения реактивной тяги ДЭПуВРД.
Повысить удельную и лобовую тягу и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления, которое достигается за счет роста скорости горения. Увеличение амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно, к снижению удельного расхода топлива. Поэтому естественным техническим решением является увеличение концентрации в горючей смеси газа, имеющего высокую скорость горения и способного в смеси с другими горючими компонентами ускорять процесс горения. Таким газом в частности может быть ацетилен. Этот газ имеет высокую скорость горения и отличается своей исключительной склонностью к детонационному горению. Даже в небольших количествах он способен ускорять горение вплоть до детонационного. Так известно, что добавка 0,2% ацетилена в окись углерода делает ее способной к детонационному горению.
Технический результат, достигаемый в результате реализации группы предлагаемых изобретений, заключается в повышении термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления происходящего из-за роста скорости горения.
Техническая задача решается путем реализации в камере сгорания двигателя процесса известного в химической промышленности как «окислительный пиролиз метана», в результате которого из метана получается ацетилен. Этот процесс описан в приведенных источниках [1,2,3] Химическая формула процесса представлена ниже.
4
2
2
2
2
2
2
6СН+4O=СН+8Н+3СО+CO+3HO
Зоотехнически этот процесс реализуется при резком охлаждении горящей переобогащенной смеси метана. В результате остановки распада молекул метана выделяется ацетилен. Описанный процесс реализуется в двух зонах камеры сгорания, первая располагается во втором смесителе и представляет набор охлаждаемых пластин, вторая на задней торцевой крышке и представляет собой охлаждаемый канал.
Указанный технический результат, при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе форсирования двухконтурного эжекторного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ДЭПуВРД, далее, до текста формулы и реферата - двигателя), включающем продувку камеры топливовоздушной смесью сгорания из смесителей и воздухом из аэродинамического клапана второго контура, формирующим воздушный струйный обдув зоны горения, последующее воспламенение и взрыв с выбросом продуктов сгорания через резонаторную трубу, смесители и аэродинамический клапан, во время которого продукты не полного сгорания частично направляются в охлаждаемый канал и на набор охлаждаемых пластин во втором смесителе, где за счет резкого охлаждения происходит процесс окислительного пиролиза метана, а образовавшиеся при этом газы, в том числе и ацетилен на такте всасывания попадают обратно в камеру сгорания где и вызывают рост скорости горения.
Реализация описанного выше способа форсирования осуществляется в конструкции ДЭПуВРД содержащей камеру сгорания, впускную систему из первого и второго смесителей, аэродинамические клапаны, топливный коллектор и сопла подачи топлива, при этом, на выходе из второго смесителя установлен набор охлаждаемых пластин, а на задней торцевой стенке камеры сгорания, охлаждаемый канал.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемый чертеж, иллюстрирующий предпочтительный вариант реализации, на котором показана схема предлагаемого ДЭПуВРД.
На фиг. 1 показан заявляемый ДЭПуВРД.
На фиг. 2 показан вид - А - на треугольный канал первой впускной трубы - смесителя.
На фиг. 3 показан вид - Б- на частичное диффузорное раскрытие резонаторной трубы.
На фиг. 4. показан вид - С на набор охлаждаемых пластин.
На фиг. 5. показан вид - Д на охлаждаемый канал.
Позициями на чертеже показаны:
Поз. 1 - сопло подачи газа,
Поз. 2 - первая впускная труба - смеситель,
Поз. 3 - треугольный канал,
Поз. 4 - вторая впускная труба - смеситель,
Поз. 5. - охлаждаемые пластины,
Поз. 6. - кольцевая обечайка,
Поз. 7. - камера сгорания,
Поз. 8. - задняя стенка камеры сгорания,
Поз. 9. - охлаждаемый канал,
Поз. 10. - резонаторная труба,
Поз. 11. - запальная свеча,
Поз. 12. - частичное диффузорное раскрытие,
Поз. 13. - змеевик нагрева газа,
Поз. 14. - вихревой аэродинамический клапан
Поз. 15. - сопло подачи топлива
Поз. 16. - топливный коллектор.
ДЭПуВРД, изображенный на фиг. 1, содержит сопло 1 подачи газа с соосно закрепленными первой впускной трубой - смесителем 2 с установленным в его передней части треугольным каналом 3, второй впускной трубой - смесителем 4 с закрепленной в нем охлаждаемыми пластинами 5, а на его входной части кольцевой обечайкой 6, на заднем торце второй впускной трубы - смесителя 4 закреплена камера сгорания 7 с задней торцевой стенкой 8. К задней торцевой стенке 8 камеры сгорания 6 закреплен охлаждаемый канал 9 и резонаторная труба 10 с запальной свечой 11 и частичным диффузорным раскрытием 12. К резонаторной трубе 10 крепится змеевик нагрева газа 13. На передней стенке камеры сгорания 7 закреплен аэродинамический клапан 14, на входе в который установлено сопло подачи топлива 15 из топливного коллектора 16.
При частичной подаче газообразного топлива через змеевик 13 и подачи искры на запальную свечу 11 происходит воспламенение топлива и горение внутри камеры сгорания 7. Через некоторое время змеевик нагрева газа 13 и стенки камеры сгорания 7 разогреваются, и дальнейшее увеличение подачи топлива приводит к осуществлению рабочего цикла предлагаемого ДЭПуВРД. Он осуществляется следующим образом.
Подаваемый газ через сопло подачи газа 1 эжектирует воздух в первый контур - в первую впускную трубу-смеситель 2 и вторую впускную трубу - смеситель 4, выполняющие в заявляемом ДЭПуВРД еще и функцию аэродинамического клапана. Далее струйное течение воздушно-газовой смеси доходя до задней торцевой стенки 8, камеры сгорания 7 соударяется с ней и, разворачиваясь, воспламеняется возвратным течением продуктов сгорания из резонаторной трубы 10. Далее происходит взрыв топливовоздушной смеси и выброс газа по четырем направлениям.
Первое направление - резонаторная труба 10. Выброс в этом направлении продуктивный, он создает реактивную тягу и разряжение для процесса последующей продувки.
Второе направление - во впускные трубы - смесители 2 и 4. На такте совершения рабочего процесса, газ выбрасываемый через вторую трубу - смеситель 4 представляет собой смесь частично сгоревших и горящих продуктов пиролиза бензина прошедшего в змеевике 13. Как известно, бензин при пиролизе разлагается на три основных компонента, это метан, этилен и пропилен с содержанием примерно по 25-30% каждого. Высокотемпературные продукты сгорания этой смеси газов натекая на охлаждаемые набегающим воздушным потоком пластины 5, охлаждаются. При этом происходит прерывание процесса дальнейшего разложения метана сопровождающееся выходом ацетилена. Образовавшийся ацетилен на такте всасывания обратно попадает в камеру сгорания 7 и приводит к ускорению процесса горения.
Третье направления выброса - вихревой аэродинамический клапан 14.
Четвертое направление выброса - охлаждаемый канал 9. Горящая, пере обогащенная газовая смесь при движении по охлаждаемому каналу 9 от соприкосновения с холодными стенками гаснет и быстро охлаждается, что приводит к остановке распада молекул метана и продуцированию ацетилена, который оставаясь в объеме охлаждаемого канала 9 на такте всасывания вновь попадает в камеру сгорания 7 и приводит к увеличению скорости горения.
Описанный процесс соответствует двум фазам рабочего цикла. Первой фазе - взрывному сгоранию переобогащенной газовой смеси в камере сгорания 7 с последующим охлаждением части продуктов сгорания на охлаждаемых пластинах 5 и в охлаждаемом канале 9. Второй фазе - всасывания части продуктов сгорания и полученного ацетилена в камеру сгорания 7. Далее цикл повторяется.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фигуре. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.
Литература:
1. Соколик А.С. Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. - М.: Издательство академии наук СССР, 1960. - 427 с.
2. Мехтиев С.Д., Камбаров Ю.Г. Олефиновые углеводороды и их применение в нефтехимической промышленности - Баку: Азербайджанское гос. изд-во, 1962.
3. Антонов В.Н., Лапидус А.С. Производство ацетилена. М. Химия 1970. - 415 с.