ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ПуВРД)
INTERMITTENT-CYCLE AIR-JET ENGINE (ICAJE)

Изобретение относится к технике, преимущественно военной, а именно к двигателям летательных аппаратов, и может быть использовано, вероятнее всего, в качестве двигателя небольших беспилотных летательных аппаратов, таких как беспилотные разведчики, летающие мишени и т.п., а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей.
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. В общем случае входное и выходное устройства ПуВРД могут иметь форму, отличную от прототипа, поэтому в дальнейшем будем называть их принятыми терминами воздухозаборник и сопло.
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 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.
Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом узла, создающего тягу ПуВРД и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком ПуВРД могут выполнять и другие устройства. Поэтому в дальнейшем будем пользоваться общим термином "тяговый узел" (как часть ПуВРД) и конкретным - клапанная решетка тягового узла.
Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостаток - плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяги, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги, но главное - низкий ресурс клапанов.
Также известны конструкции ПуВРД, использующие аэродинамические клапаны, "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 таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия).
Повысить удельную и лобовую тяги и снизить удельный расход топлива можно путем увеличения амплитуды пульсаций давления, которое достигается путем увеличения скорости сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания ПуВРД. Увеличение же амплитуды пульсаций приводит к росту термодинамического КПД и соответственно, к снижению удельного расхода топлива.
Техническим результатом изобретения является повышение термодинамического КПД путем увеличения амплитуды пульсаций давления путем создания более благоприятных условий возникновения детонации.
Поставленная техническая задача решается за счет интенсификации процесса массопереноса в камере сгорания и в зоне расположения змеевика нагретого газа в начальной части резонаторной трубы, достигаемого путем организации интенсивного течения топливовоздушной смеси по всему периметру пристеночной зоны камеры сгорания и резонаторной трубы. А это приводит к росту скорости квазидетонационного горения вплоть до детонации. При этом под "квазидетонационным" горением подразумевается горение с повышенными скоростями продвижения фронта пламени, составляющими в случае ПуВРД 100 м/сек и более. А при детонации - 1000 м/сек и более. Организация такого режима горения происходит за счет интенсивного массопереноса в камере сгорания и на витках змеевика нагретого газа, выполняющего роль турбулизатора. Скорость фронта пламени пропорциональна скорости массопереноса.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном ПуВРД, содержащем, в частности, камеру сгорания, резонаторную трубу, впускные трубы, сопло подачи газа, змеевик нагрева газа и запальную свечу, впускная труба ПуВРД выполнена сегментно-кольцевого сечения, а задняя торцевая стенка камеры сгорания выполнена с козырьком над входом в резонаторную трубу, которая расположена с эксцентриситетом относительно оси камеры сгорания.
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 неограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант реализации, на которых показаны:
Фиг.1 - схема предлагаемого ПуВРД;
Фиг.2 - сечение схемы по фиг.1 плоскостью А-А;
Фиг.3 - сечение схемы по фиг.1 плоскостью Б-Б;
Фиг.4 - сечение схемы по фиг.1 плоскостью С-С;
Позициями на чертеже показаны:
1 - сопло подачи газа,
2 - первая впускная труба - смеситель,
3 - впускная труба,
4 - камера сгорания,
5 - козырек,
6 - задняя торцевая стенка камеры сгорания,
7 - резонаторная труба,
8 - запальная свеча,
9 - змеевик нагрева газа,
10 - дроссель,
11 - топливный бак (с жидким пропаном),
12 - газовая магистраль,
13 - зона удара воздушно-газовой смеси о заднюю торцевую стенку камеры сгорания 6,
стрелка 14 - кольцевое течение воздушно-газовой смеси.
ПуВРД, представленный на чертеже, содержит сопло 1 подачи газа с соосно закрепленными первой впускной трубой - смесителем 2 и впускной трубой 3 ПуВРД. К торцу впускной трубы 3 ПуВРД закреплена камера сгорания 4 с задней торцевой стенкой 6 и козырьком 5. К задней торцевой стенке 6 камеры сгорания 4 закреплена резонаторная труба 7 с запальной свечей 8. Змеевик нагрева газа 9 через дроссель 10 соединяется с топливным баком 11, в котором находится жидкий пропан, и через газовую магистраль 12 - с соплом подачи газа 1.
При частичном открытии дросселя 10 и подаче искры на запальную свечу 8 происходит воспламенение газа и горение внутри камеры сгорания 4. Через некоторое время змеевик нагрева газа 9 и стенки камеры сгорания 4 разогреваются и дальнейшее открытие дросселя 10 приводит к осуществлению рабочего цикла ПуВРД. Он осуществляется следующим образом. Подаваемый газ через сопло подачи газа 1 эжектирует воздух в первую впускную трубу - смеситель 2 и впускную трубу ПуВРД 3. Далее струйное течение воздушно-газовой смеси ударяется в заднюю торцевую стенку 6 камеры сгорания 4. Зона удара показана на фиг.4 позицией 13. При ударе о заднюю торцевую стенку 6 происходит растекание струи по задней торцевой стенке 6. Увеличение массовой доли воздушно-газовой смеси, поступающей в нижнюю часть камеры сгорания 4, достигается за счет ограничения прямого перетекания воздушно-газовой смеси в резонаторную трубу 7 козырьком 5. Сформированное таким образом течение показано на фиг.4 позицией 14. Оно равномерно, по всей длине окружности резонаторной трубы 7 входит в нее и натекая на витки змеевика нагрева газа 9, турбулизуется, как на «Спирали Щелкина». При этом происходит ускорение процесса горения внутри камеры сгорания 4 вплоть до детонации, что способствует увеличению термодинамического КПД ПуВРД.
Описанный процесс соответствует одному рабочему циклу ПуВРД. Цикличность же работы традиционно реализуется настройкой на резонанс, за счет изменения длины первой впускной трубы - смесителя 2, длины резонаторной трубы 7 и геометрии камеры сгорания 4 с впускной трубой ПуВРД 3.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемых чертежах. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения