Способ создания тяги реактивного двигателя и устройство для его осуществления

 

Использование: в реактивных двигателях летательных аппаратов. Сущность изобретения: способ создания тяги состоит в том, что в реактивном двигателе, включающем камеру сгорания и сопло (С), содержащее насадок, выполненный с определенными размерами, защищенными изобретением, ускоряют поток путем его сужения в дозвуковой части С и расширения на сверхзвуковом участке, в С создают несимметрию течения, а само С или его часть отклоняют на угол α = ± arc tg F_y/F_x, величина которого зависит от F_x, F_y. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к авиационно-ракетной технике, в частности к реактивным двигателям летательных аппаратов.

Проблема увеличения тяги двигателей является одной из важных задач при проектировании летательных аппаратов.

Необходимое для получения тяги ускорение выбрасываемой струи можно получать с помощью различных способов воздействий на поток, расходного, теплового, механического (Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика, М., 1969, с. 188-194).

Недостатком этих способов и устройств ускорения потока и создания тяги является сложность их реализации (Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П. Теория ракетных двигателей, М., 1980, с. 16).

Известен способ, принятый за прототип, ускорения потока путем геометрического воздействия на него (Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика, М., 1969, с. 190).

Недостатком этого способа является то, что при таком воздействии не используется кинетическая энергия истекающей струи.

Задачей изобретения является увеличение тяги реактивного двигателя.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение тяги реактивного двигателя за счет использования кинетической энергии истекающей струи.

Указанный технический результат достигается тем, что в реактивном двигателе, включающем камеру сгорания и сопло, ускоряют поток путем его сужения в дозвуковой части сопла и расширения на сверхзвуковом участке, в сопле создают несимметрию течения, а само сопло или часть его отклоняют на угол α = ± arctg F_y/F_x, где F_x, F_y - соответственно осевая и нормальная компоненты результирующей тяги сопла, при этом знак угла выбирается таким образом, чтобы вектор результирующей тяги был направлен параллельно оси симметрии камеры сгорания.

Способ состоит из следующих операций: создают несимметричное течение в сопле, отклоняют сопло или часть его так, чтобы вектор результирующей тяги был направлен параллельно оси симметрии камеры сгорания.

Известно устройство, принятое за прототип, для получения и управления вектором тяги двигателя путем геометрического воздействия на поток, которое включает камеру сгорания, сходящийся дозвуковой и расходящийся сверхзвуковой участки сопла, механизм поворота сопла (Н.Ф. Краснов, В.Н. Кошевой, В.Ф. Захарченко и др. Основы прикладной аэрогазодинамики, кн. 2, М., 1991, c. 263).

Недостатком этого устройства является то, что оно не использует кинетическую энергию истекающей струи.

Задачей изобретения является увеличение тяги реактивного двигателя.

Техническим результатом изобретения является увеличение тяги двигателя за счет несимметричного распределения давления по стенкам сопла.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем камеру сгорания, расчетное сопло со сходящимся дозвуковым и расходящимся сверхзвуковым участками, механизм поворота сопла или его части, сопло в диапазоне расчетных чисел Маха 1<М<3 дополнено насадком, состоящим из симметричной части длиной l_c = (0-2)D_кр (D_кр -диаметр критического сечения расчетного сопла) для получения перерасширенного течения в сопле, и несимметричной части с длиной l_н = (0,5-3)D_кр, выполненной со ступенчатым или(и) косым срезом выходного сечения, причем сопло или его часть повернуты так, чтобы вектор результирующей тяги на крейсерском режиме совпадал с осью симметрии камеры сгорания.

При исследовании по патентной и научно-технической литературе не обнаружены решения с признаками, сходными с отличительными признаками заявленного способа и устройства.

На фиг.1 представлена принципиальная схема одного из возможных устройств для осуществления предлагаемого способа увеличения тяги двигателя; на фиг.2 - основные варианты насадков к соплам; на фиг.3 - результаты приближенного расчета величин осевого и бокового компонентов тяги и модуля результирующей тяги для одного из вариантов реактивного двигателя.

Устройство для увеличения тяги двигателя (фиг.1) содержит камеру сгорания 1, сходящийся дозвуковой участок 2, расходящийся сверхзвуковой участок 3, насадок, состоящий из симметричной 4 и несимметричной 5 частей, механизм для отклонения сопла или его части 6.

Несимметричный участок может быть выполнен с косым (фиг.2, а) или со ступенчатым (фиг.2, б) срезами, или с комбинацией косого и ступенчатого срезов (фиг.2, в). Косой срез (фиг.2, а) характеризуется углом ϑ, который может изменяться в диапазоне 0< ϑ <90 (угол Δ = 90^o - соответствует обычному осесимметричному соплу). Ступенчатый срез (фиг.2, б) характеризуется длиной L и высотой H ступеньки.

Осуществление способа проиллюстрируем на примере работы устройства. К симметричной расходящейся части 3 сопла пристыковывают насадок с симметричной частью 4 и несимметричной частью 5, образованную ступенчатым или косым срезами или комбинацией ступенчатого и косого срезов.

При течении газа на участках 2, 3 и 4 поток ускоряется в направлении оси (плоскости) симметрии сопла, далее кинетическая энергия струи, истекающей из симметричной части сопла, используется для создания разрежения на несимметричной части 5. В результате на несимметричной части 5 насадка образуется боковая сила F_y, а на участках 4 и 5 образуется дополнительная осевая сила α F_x, которая уменьшает величину тяги расчетного сопла F_р. Результирующий вектор тяги образует некоторый угол α по отношению к соответствующему вектору исходного симметричного сопла. Отклонив сопло на угол , получим тягу сопла, направленную параллельно оси симметрии камеры сгорания. Сама величина результирующей тяги при соответствующем выборе параметров может оказаться больше тяги исходного симметричного сопла. Представим некоторые качественные соображения в обоснование вышеизложенного.

Итак, осевой компонент тяги уменьшается по сравнению с тягой расчетного осесимметричного сопла, но зато появляется боковая сила.

Модуль результирующей тяги будет больше тяги исходного расчетного осесимметричного сопла F_р при выполнении условия: Fy² > 2FpΔFx (1), что можно преобразовать к виду Θ Как показывают результаты приближенных расчетов, представленных на фиг. 3, соотношение (1) можно выполнить соответствующим выбором параметров Ма, Θ , Р_о/Р_н.

Приближенные расчеты проведены на основе одномерных изэнтропических соотношений. Расчет продолжался до сечения, в котором начинается отрыв потока. Положение точки отрыва определялось на основе данных, представленных в работе (Г.Ю. Степанов, Л.В. Гогиш. Квазиодномерная газодинамика сопел ракетных двигателей. М.: Машиностроение, 1973, с. 80, рис 2, 7).

На фиг.3 приведены в зависимости от перепада давления на сопле Р_о/Р_н величины соответственно модуля результирующей тяги F/F_p (фиг.З, а), бокового (фиг.3, б) и осевого (фиг.З, в) компонентов результирующей тяги для варианта коническою сопла (полуугол раствора = 1^o) с числом Ма = 1,5 со ступенчатым срезом H/R = 1, где F_x - осевой компонент результирующей тяги двигателя, F_y - боковой компонент результирующей тяги двигателя, α - модуль результирующей тяги двигателя,
Р_о - давление торможения в форкамере сопла,
Р_н - давление окружающей среды,
F_p - тяга двигателя с расчетным для данного перепада Р_о/Р_н симметричным соплом,
n_x - локальная степень нерасчетности сопла.

Видно, что потери осевого компонента тяги составляют 0,5-3% тяги расчетного сопла, в то время как величины боковых сил доходят до 35-70%, что позволяет получить результирующую тягу, превосходящую по модулю величину тяги расчетного сопла на 5-20%.

Предлагаемое изобретение может найти применение в ракетных двигателях, в авиационных двигателях, в частности в двигателях самолетов укороченного или вертикального взлета и посадки.

Формула изобретения

1. Способ создания тяги реактивного двигателя, включающего камеру сгорания и сопло, заключающийся в ускорении потока путем его сужения в дозвуковой части сопла и расширения на сверхзвуковом участке, отличающийся тем, что в сопле создают несимметрию течения, а само сопло или часть его отклоняют на угол α = ± arctg F_y/F_x, где F_x, F_y соответственно осевая и нормальная компоненты результирующей тяги сопла, при этом знак угла выбирается таким образом, чтобы вектор результирующей тяги был направлен параллельно оси симметрии камеры сгорания.

2. Устройство для создания тяги реактивного двигателя, включающее камеру сгорания, расчетное сопло со сходящимся дозвуковым и расходящимся сверхзвуковым участком, механизм поворота сопла или его части, отличающееся тем, что сопло в диапазоне расчетных чисел Маха 1 < М_р < 3 дополнено насадком, состоящим из симметричной части длиной l_c (0 2) D_кр (D_кр диаметр критического сечения расчетного сопла) для получения перерасширенного течения в сопле, и немимметричной части с длиной l_н (0,5 3) D_кр, выполненной со ступенчатым или (и) косым срезом выходного сечения, причем сопло или его часть повернуты так, чтобы вектор результирующей тяги на крейсерском режиме совпал с осью симметрии камеры сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3