Способ работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя и устройство для его реализации
Способ работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя заключается в прокачивании под напором горючего через нагревательное устройство, испарении, подаче в эжектор, эжектировании воздуха из окружающей среды струей пара горючего, сжатии и нагнетании в смеси пара горючего и воздуха в камеру сгорания и сгорании в последней, создавая энергию для реактивной тяги и нагрева горючего. Последующее сжатие за счет использования энергии выхлопных газов. Сжатие горючего до критического или сверхкритического состояния вещества производят в холодном жидком состоянии. Дополнительно осуществляют перегрев пара до газообразного состояния и температуры самовоспламенения 350...1400°С во встречном потоке горячего газа, который потом отводят в сопло вторичного контура эжекции. Для сгорания в камеру сгорания нагнетают обогащенную смесь паров горючего и воздуха. Дожигание горючего производят во вторичном контуре эжекторного усилителя тяги. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит нагнетатель топлива, воздухозаборник с эжектором на выходе, состоящим из камеры смешения и форсунки для распыления газообразного топлива, эжектирующего поступающий через воздухозаборниквоздух из окружающей среды, камеру сгорания с выхлопным соплом и нагревательным устройством для нагрева топлива. Двигатель выполнен с прямоточным эжекторным генератором, с входящими в него камерой сгорания. Воздухозаборник выполнен регулируемым. Форсунки для распыления газообразного топлива выполнены сверхзвуковыми. Двигатель также снабжен по крайней мере одним пароперегревателем с газовым рефлектором и обтекателем рефлектора, кожухом обратного потока продуктов сгорания вокруг пароперегревателя, устройством перепуска газа, прошедшего вдоль пароперегревателя в сопла вторичного контура эжекторного усилителя тяги, электропароперегревателем для запуска двигателя. За камерой сгорания расположено геометрически расширяющееся сверхзвуковое сопло, используемое в качестве форсунки эжекторного усилителя тяги. Изобретение повышает кпд. 2 н. и 3 з.п.ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области прямоточной ракетной техники и может быть использовано при разработке летательных аппаратов упрощенной конструкции, ракетопланов, дельтапланов, парапланов, любительских вертолетов, а также моделей с прямоточными воздушно-реактивными двигателями.
Известен способ работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя, где горючее прокачивается под напором через нагревательное устройство, испаряется и в качестве эжектирующего рабочего тела подается в прямоструйный эжектор. В эжекторе эжектирующее рабочее тело в виде струи пара горючего увлекает воздух из окружающей среды и сжимает его, нагнетая в камеру сгорания. Смесь пара горючего и воздуха сжигается в камере сгорания. Энергия, полученная в камере сгорания, используется для нагрева новых порций горючего и разгона продуктов сгорания, для получения тяги [Стечкин Б.С. Избранные труды: Теория тепловых двигателей. - М: Физматлит, 2001. - 432 с. Стр. 105, рис.46.].
Способ эжекционного сжатия воздуха паром горючего с использованием нагревательного устройства для горючего позволяет получить тягу при неподвижном двигателе.
Недостатком рассматриваемого способа является низкая степень сжатия прямоструйного эжектора и обратная взаимозависимость степени сжатия из-за значительного коэффициента эжекции. Это не позволяет получить значительных давлений в камере сгорания, т.е. обуславливает низкий КПД.
Известен способ работы комбинированного ракетно-прямоточного двигателя с ЖРД, располагаемым внутри прямоточного двигателя, заполняя центральное тело входного диффузора. Здесь для получения тяги выполняются эжектирование поджатого во входном диффузоре воздуха продуктами сгорания ЖРД с избытком горючего, смешивание не догоревших продуктов сгорания с эжектированным воздухом в камере смешения эжектора, дожигание топлива в камере горения, разгон продуктов сгорания до сверхзвуковой скорости в расширяющемся сопле [В.Ф.Присняков. Двигатели летательных аппаратов. Введение в специальность. Киев.: Вища школа. 1986 - 144 с. Стр.61, рис.33].
Основным недостатком данного способа является применение ЖРД, что значительно усложняет конструкцию и эксплуатацию двигателя.
Прототипом предлагаемого способа работы является известный способ работы двигателя давления, где горючее прокачивается под напором через нагревательное устройство, испаряется и в качестве эжектирующего рабочего тела (ЭРТ) подается в прямоструйный эжектор. В эжекторе ЭРТ в виде струи пара горючего увлекает из окружающей среды воздух и сжимает его, нагнетая в камеру сгорания. Смесь пара горючего и воздуха сгорает в камере сгорания, давая энергию для реактивной тяги и нагрев горючего. Последовательно ступени сжатия паром горючего (пред ней) для увеличения степени сжатия в целом включены ступени сжатия выхлопными газами, действующие также способом прямоструйной эжекции [РСТ. Заявка. WO 91/16535, кл. F 01 K 7/08. Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2095606 С1].
Способ эжекционного сжатия воздуха паром горючего с использованием нагревательного устройства для горючего и выхлопных газов на дополнительных ступенях, действующих также способом прямоструйной эжекции, позволяет получить тягу при неподвижном двигателе.
Недостатком рассматриваемого способа являются низкая степень сжатия прямоструйного эжектора и обратная взаимозависимость степени сжатия и коэффициента эжекции, а следовательно, расхода воздуха, разогрев и насыщение всасываемого воздуха продуктами сгорания. Это не позволяет получить значительных давлений в камере сгорания, т.е. обуславливает низкий КПД.
Задачей настоящего изобретения является повышение КПД предлагаемого способа работы.
Поставленная задача решается тем что, в способе работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя, заключающемся в прокачивании под напором горючего через нагревательное устройство, испарении, подаче в эжектор, эжектировании воздуха из окружающей среды струей пара горючего, сжатии и нагнетании в смеси пара горючего и воздуха камеру сгорания и сгорании в последней, создавая энергию для реактивной тяги и нагрева горючего, последующее сжатие за счет использования энергии выхлопных газов, для увеличения работоспособности пара, производят сжатие горючего до критического или сверхкритического состояния вещества насосом в холодном жидком состоянии, дополнительно осуществляют перегрев пара до газообразного состояния и температуры самовоспламенения 350...1400°С во встречном потоке горячего газа, который потом отводят в сопло вторичного контура эжекции, при этом в камеру сгорания нагнетают обогащенную смесь паров горючего и воздуха, а дожигание горючего производят во вторичном контуре эжекторного усилителя тяги.
Производят формирование критической скорости течения в комбинированном сопле - в цилиндрической камере сгорания без критического сужения, путем подвода кинетической энергии и тепла сверхзвуковой струи перегретого пара и тепла, получаемого при сгорании части горючего, а сверхкритическую скорость - в геометрически расширяющемся сопле [Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч 1. Учебное руководство для втузов. - 5 изд. Перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. Физматлит, 1991, 600 с. Стр. 200...215 (геометрическое сопло Лаваля, расходное сопло, тепловое сопло, механическое сопло, полутепловое сопло, комбинированное сопло)].
Известен двигатель, использующий энергию нагретого пара горючего, содержащий, систему запуска, воздухозаборник, по меньшей мере с одним эжектором на выходе для сжатия воздуха, поступающего через воздухозаборник, и по меньшей мере одну камеру сгорания с выхлопным соплом и нагревательным устройством для нагрева горючего, преобразующего тепло в энергию давления, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним сепаратором для разделения смеси, поступающей из эжектора, размещенным между эжектором и камерой горения, а каждый эжектор выполнен вихревым и снабжен рубашкой охлаждения [Патент Российской Федерации RU 2095606 С1 кл. F 02 К 7/08].
Основным недостатком данного устройства является сложность устройства за счет включения вихревого эжектора, вихревого смесителя, системы теплообмена с сепаратором и вихревой трубой делают этот реактивный двигатель не прямоточным и сложным.
Известен воздушный турбопрямоточный реактивный двигатель, способный обеспечивать летательному аппарату широкий диапазон скорости полета - от дозвуковой до высокой сверхзвуковой, который содержит образующий продольный тракт кожух, который по ходу воздушного потока имеет входное устройство постоянной проходной площади, канал переменной проходной площади, зону перемешивания, зону горения и выходное устройство. Во входном устройстве расположен вентилятор с продольной осью вращения и размещенными по окружности ротора лопатками. Двигатель содержит устройство регулируемого вращения ротора, которое обеспечивает заданное взаимодействие на воздушный поток, и устройство регулируемого отвода воздуха из тракта за кожух. Это последнее, расположено между входным устройством и каналом переменной проходной площади, может работать как при дозвуковой, так при сверхзвуковой скоростях полета и дозирует расход воздуха в зону горения [Изобретения стран мира. Выпуск 65. МКИ F 02, №14. - Москва. - 1993, стр.45, (14-65). Патент США (US) №5074118. Кл F 02 K 3/00 МКИ 60 - 224, (40) 91.12.24. Том 1133 №4].
Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель, предложенный в 1913 году французом Лорин, который, однако, не мог создавать стендовую тягу. Задачей изобретения является расположение на входе воздуха в двигатель устройства, которое обеспечивало бы возможность создавать тягу уже на стенде. Согласно изобретению передняя часть камеры сгорания выполнена в виде открытой сзади оболочки остроугольного полого конуса, которая в зоне входа воздуха по всей своей поверхности имеет определенное число отверстий закругленных изнутри и направленных назад. Через эти отверстия свежий воздух может проникать в камеру сгорания, благодаря чему обеспечивается работа двигателя на стенде. Двигатель предполагается применять для кратковременной работы на дельтапланах с целью обеспечения старта [Изобретения стран мира. Выпуск 65. МКИ F 02, №13 - М.: 1993, стр.7, (19) Германия (DE), (11) 4127994, (51) F 02 К 1/04, (40) 920312 №11.].
Основным преимуществом данного прямоточного воздушно-реактивного двигателя является простота конструкции.
Основными недостатками являются кратковременность работы и относительно низкий КПД.
Прототипом настоящего изобретения является известный двигатель, содержащий систему запуска, воздухозаборник с эжектором на выходе для сжатия воздуха, поступающего через воздухозаборник, и камеру сгорания с выхлопным соплом и нагревательным устройством для нагрева горючего, преобразующего тепло в энергию давления нагнетателя.
Принцип эжекционного сжатия воздуха паром горючего с использованием нагревательного устройства для горючего является общим признаком вышеупомянутого изобретения и предмета данного изобретения [РСТ. Заявка. WO 91/16535, кл. F 01 K 7/08. Описание прототипа изобретения к патенту Российской Федерации RU 2095606 С1].
Однако такие отрицательные особенности как низкая степень сжатия прямоструйного эжектора, обратная взаимозависимость степени сжатия эжекторов и коэффициента эжекции, а следовательно, расхода воздуха, разогрев и насыщение всасываемого воздуха продуктами сгорания, являются причиной низкой степени сжатия всей системы, а следовательно, и низкого давления в камере сгорания и низкого КПД [РСТ. Заявка. WO 91/16535, кл. F 01 K 7/08. Описание прототипа изобретения к патенту Российской Федерации RU 2095606 С1].
Задачей изобретения является повышение КПД устройств работающих по предлагаемому способу.
Поставленная задача решается тем, что в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, содержащем нагнетатель топлива, воздухозаборник с эжектором на выходе, состоящим из камеры смешения и форсунки для распыления топлива газообразного топлива, эжектирующего поступающий через воздухозаборник воздух из окружающей среды, камеру сгорания с выхлопным соплом и нагревательным устройством для нагрева топлива, нагнетатель топлива выполнен в виде насоса со сбросовым клапаном на давление 4...15 МПа, двигатель выполнен с прямоточным эжекторным газогенератором, с входящим в него, камерой сгорания, воздухозаборником, выполненным регулируемым, и форсунками для распыления газообразного горючего, выполненными сверхзвуковыми, и снабжен, по крайней мере, одним пароперегревателем с газовым рефлектором и обтекателем рефлектора, кожухом обратного потока продуктов сгорания вокруг пароперегревателя, устройством перепуска газа, прошедшего вдоль пароперегревателя в сопла вторичного контура эжекторного усилителя тяги, электропароперегревателем для запуска двигателя, геометрически расширяющимся соплом за камерой сгорания, используемым в качестве форсунки эжекторного усилителя тяги.
Для уменьшения потерь в камере сгорания он содержит комбинированное сопло - цилиндрическую камеру сгорания без критического сужения с геометрически расширяющимся соплом на выходе.
Для повышения мощности прямоточного воздушно-реактивного двигателя он дополнительно снабжен параллельно расположенными в эжекторном усилителе тяги прямоточными газогенераторами, образующими многогенераторный двигатель.
Сущность изобретения поясняется чертежами 1, 2, 3, 4, 5, 6.
На фиг.1 приведено устройство, демонстрирующее метод формирования сверхзвуковой струи за счет геометрических размеров сопла (геометрическое сопло Паваля).
На фиг.2. приведено устройство, демонстрирующее метод формирования сверхзвуковой струи в цилиндрическом канале путем дополнительного подвода и отвода газа (расходное сопло).
На фиг.3. приведено устройство, демонстрирующее метод формирования сверхзвуковой струи в цилиндрическом канале путем дополнительного подвода и отвода тепла (тепловое сопло).
На фиг.4. приведена схема устройства, демонстрирующая предлагаемый способ работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
На фиг.5. схематически показано устройство, прямоточного воздушно-реактивного двигателя, работающего по предлагаемому способу.
На фиг.6. схематически показан воздушно-реактивный двигатель, выполненный многогенераторным.
Из теоретической газовой динамики известно [Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамка. В 2 ч. Ч 1. Учебное руководство для втузов. - 5 изд. Перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. Физматлит, 1991, 600 с. Стр.200-215], что сверхзвуковое течение газа можно получить следующими методами.
1. В геометрическом сопле Лаваля в сужающейся части разгоняют поток до критической скорости, а затем в расширяющейся части сопла получают сверхзвуковое течение (фиг.1).
2. В расходном сопле в докритической части цилиндрического канала для получения критической скорости течения подводят дополнительный газ, а на сверхкритическом участке для получения сверхзвуковой скорости из цилиндрического канала отводят газ (фиг.2).
3. В тепловом сопле в цилиндрическом канале на докритическом участке для получения критической скорости производят подвод тепла, а на сверхкритическом участке для получения сверхзвуковой скорости производят отвод тепла (фиг.3) [B.C.Александров. Прикладная гидроаэродинамика. Тула, Тульский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт, 1984. 90 с. Стр.32-34, рис.3.2].
4. В полутепловом сопле [Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамка. В 2 ч. Ч 1. Учебное руководство для втузов. - 5 изд. Перераб. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. Физматлит, 1991, 600 с. Стр.213] критическую скорость в докритической части получают в тепловом сопле, а сверхзвуковую скорость истечения в геометрически расширяющемся сопле.
5. В предлагаемом способе работы критическую скорость течения получают в комбинированном сопле (фиг.4), использующем кинетическую энергию сверхзвуковой струи газообразного топлива, тепловую энергию перегретого пара, тепловую энергию сгорания топлива и энергию прихода новых порций газа, а сверхзвуковую скорость истечения получают в геометрически расширяющемся сопле (убрав сужение в конце камеры сгорания).
Рассмотрим предлагаемый способ работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя по схеме, приведенной на фиг.4: 1 - бак для горючего; 2 - насос для сжатия жидкого горючего; 3 - сбросовый клапан; 4 - испаритель горючего; 5 - пароперегреватель; 6 - сверхзвуковые форсунки с подводом горючего; 7 - электропароперегреватель для запуска двигателя; 8 - источник тока; 9 - выключатель тока; 10 - камера сгорания; 11 - геометрически расширяющееся сопло; 12 - эжекторный усилитель тяги; 13 - критическое сужение камеры сгорания; 14 - газовый рефлектор с обтекателем; 15 - кожух пароперегревателя; 16 - скачок уплотнения в виде бочки; 17 - устройство перепуска газа прошедшего вдоль пароперегревателя; 18 - сопло вторичного контура эжекторного усилителя тяги; 19 - регулятор подачи топлива; 20 - регулятор подачи воздуха в камеру сгорания.
I - зона регулируемого воздухозабора; II - зона смешения перегретого пара испаренного топлива с воздухом; III - зона камеры сгорания топлива; IV - критическое сечение камеры сгорания; V - зона сверхкритического течения недогоревшей смеси; VI - зона вторичной эжекции - смешения и разгона новых порций атмосферного воздуха добавлением порций горючего в виде горячего газа из сверхзвуковой струи.
G - приход и расход газа;
Q - приход и расход тепла;
Ра, Pпп, Ркр - давления: атмосферное, перегретого пара, критическое.
Работа прямоточного воздушно-реактивного двигателя по предлагаемому способу происходит следующим образом.
Перед запуском двигателя регулятором 19 перекрывают подачу горючего в сверхзвуковые форсунки 6 (Gп), включают насос 2 и электропароперегреватель 7 выключателем 9. В подводе горючего форсунок 6 устанавливается давление перегретого пара Рпп. Электропароперегреватель 7 испаряет жидкое горючее в топливоподводе сверхзвуковых форсунок 6, превращая его в перегретый пар. Затем постепенно приоткрывают форсунки. Струя перегретого пара, вырываясь в камеру смешения эжектора (передний конец камеры горения), воспламеняется, смешиваясь с засасываемым воздухом (Gв), устремляется в камеру сгорания 10, где за счет прихода тепла (Qп) от перегретого пара и сгоревшего топлива (Qт) увеличивается температура испарителя 4 и пароперегревателя 5. По мере прогрева пароперегревателя 5 и испарителя 4 подача горючего из форсунок увеличивается, что вызывает больший захват порций свежего воздуха. Это продолжается до тех пор, пока двигатель не выйдет на установившийся режим.
После выхода двигателя на установившийся режим, электропароперегреватель 7 отключается, а насос 2 продолжает подавать жидкое горючее из бака 1 в испаритель 4 через сбросовый клапан 3, настроенный на давление перегретого пара. В испарителе 4 и пароперегревателе 5, подогреваемыми продуктами сгорания, топливо испаряется и превращается в сухой пар. Сухой пар (газ), вытекая из регулируемых сверхзвуковых форсунок 6 в виде сверхзвуковой струи Gп смешивается с воздухом, поступающим из регулируемого воздухозаборника 20 Gв (Участок I) и воспламеняется (Участок II), благодаря высокой температуре перегретого пара. Воспламененная смесь топлива поступает в камеру сгорания 10 (Участок III), где процесс горения смеси заканчивается из-за недостатка окислителя (воздуха), а скорость течения продуктов сгорания приближается к критической (местной скорости звука), благодаря регулируемой подаче топлива и воздуха. В конце камеры горения поток слегка сужают (Участок IV), доводя скорость до критического значения, и направляют в расширяющуюся часть геометрически расширяющегося сопла, где скорость течения газа становится сверхзвуковой (Участок V). Вытекающая из расширяющегося сопла сверхзвуковая струя образует цепь косых скачков уплотнения или бочек 16. За границей этих скачков уплотнения происходит эжектирование и смешивание свежих порций воздуха в выходном сопле эжекторного усилителя тяги 12 (Участок VI). Захваченные свежие порции воздуха ускоряются за счет подвода к ним горячих порций газа из сверхзвуковой струи, т.е. подвода газа G и тепла Q от сгорания не догоревшего горючего, а также обмена кинетической энергией. Усиление тяги происходит за счет увеличения отбрасываемой назад массы и увеличения ее скорости.
Перегрев пара в пароперегревателе 5 в установившемся режиме производится за счет встречного течения горячего газа, организованного рефлектором 14 и кожухом 15 с устройством перепуска газов прошедших вдоль пароперегревателя 17 во вторичный контур эжекторного усилителя тяги 12 через сопло 18.
Возможен вариант без сужения 13 камеры горения 10. В этом случае рефлектор 14 смещают в расширяющееся сопло, а критическую скорость течения газа в конце камеры сгорания получают в комбинированном сопле за счет кинетической энергии струи, тепла перегретого пара, прихода газообразного горючего, и прихода тепла от сгоревшего горючего.
Таким образом, двигатель, работающий по предлагаемому способу, создает тягу при неподвижном состоянии за счет эжекции (засасывания) свежего воздуха, разгона сгоревшей смеси до звуковой скорости в камере сгорания и разгона струи до сверхзвуковой скорости в геометрически расширяющемся сопле, а также дополнительной эжекции в эжекторном усилителе тяги. Повышение КПД достигается за счет повышенного давления пара и его температуры и меньшего коэффициента эжекции, чем у прототипа.
Для реализации предлагаемого способа работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя предлагается устройство, приведенное на фиг.5, содержащее бак для горючего 1, насос 2 с сбросовым клапаном 3, соединенный с нагревателем горючего 4, который через пароперегреватель 5 соединяется со сверхзвуковыми форсунками 6. В пароперегревателе 5 установлен электропароперегреватель 7, выполняющий роль системы запуска. Электропароперегреватель 7 соединен с источником тока 8 через выключатель 9. Камера сгорания 10 переходит в геометрически расширяющееся сопло 11. Камера сгорания находится на продольной оси эжекторного усилителя тяги 12. Перед геометрически расширяющимся соплом может находиться сужение камеры сгорания 13. В заднем конце камеры сгорания 10 установлен рефлектор с обтекателем рефлектора 14 в виде центрального тела. Рефлектор 14 направляет центральную часть потока горячих газов в кожух пароперегревателя 15, который течет встречно основному потоку газов. Сверхзвуковой поток, вытекающий из геометрически расширяющегося сопла 11, образует скачки уплотнения 16. Газы, прошедшие вдоль пароперегревателя 5 по кожуху 15, поступают в устройство отвода газов 17 во вторичный контур эжекторного усилителя тяги 12 через сопло 18. Регулятор подачи горючего 19 регулирует подачу паров горючего к сверхзвуковым форсункам 6. Воздухозаборник камеры сгорания 10 снабжен регулятором подачи воздуха 20 путем взаимодействия с аэродинамическим наконечником 21. Камера сгорания 10 выполнена пустотелой с двумя стенками: внутренней 22 и наружной 23, между которыми установлен ленточный винтовой шнек 24, формирующий течение горючего и его паров по спирали внутри камеры сгорания 10 (или камера сгорания свернута из трубки круглого или прямоугольного сечения). Вдоль камеры сгорания 10 и геометрически расширяющегося сопла 11 снаружи установлены пилоны (продольные ребра) 25, на которых укреплен эжекторный усилитель тяги 12. В заднем конце камеры сгорания выполнены пустотелые пилоны 26, направляющие пары горючего в пароперегреватель 5, внутри которого установлен электропароперегреватель 7. Воздухозаборник эжекторного усилителя тяги 27 снабжен регулятором подачи воздуха 28, который изменяет объем поступающего воздуха в зависимости от скорости полета. Привод насоса 2 осуществляется двигателем 29, а очистка горючего от примесей фильтром 30.
Введем понятие прямоточного эжекторного газогенератора, состоящего из устройства (фиг.5), содержащего: камеру сгорания 10 с регулируемым воздухозаборником 20, сверхзвуковые форсунки для распыления газообразного топлива 6, по крайней мере, один пароперегреватель 5 с электропароперегревателем 7, и газовым рефлектором с обтекателем рефлектора 14, кожухом обратного потока продуктов сгорания 15 вокруг пароперегревателя 5 (с температурой перегрева и самовоспламенения пара до 350...1400°С), устройством перепуска газа 17, прошедшего вдоль пароперегревателя 5, в сопла вторичного контура эжекторного усилителя тяги 18, геометрически расширяющееся сопло 11.
Этот прямоточный эжекторный газогенератор 32 (фиг.6) генерирует основной поток газа создающий реактивную тягу. Эжекторный усилитель тяги усиливает тягу эжекторного газогенератора на 30...40% за счет дополнительно захватываемой массы воздуха и отбрасываемой назад с повышенной скоростью [Авиационные эжекторные усилители тяги / В.Г.Ененков, А.Л.Клячкин, B.C.Коротков, В.М.Супрун. - М.: Машиностроение, 1980 - 135 с.].
Функционирует предлагаемый прямоточный воздушно-реактивный двигатель по предложенному способу работы следующим образом.
Перед запуском двигателя закрывают подачу горючего регулятором 19 в сверхзвуковые форсунки 6. Включают двигатель 29, который приводит в движение насос 2. Насос 2 засасывает горючее из бака 1 через фильтр 30, подает горючее в камеру сгорания 10. Когда давление в стенках камеры сгорания с горючим достигнет заданного значения, открывается сбросовый клапан 3 и лишнее горючее сливается обратно в бак 1. Одновременно с двигателем 29 включают электропароперегреватель 7, установленный в пароперегревателе 5 выключателем 9 к источнику тока 8. Нагретое электропароперегревателем 7 горючее вскипает, испаряется и превращается в пар. После этого приоткрывают регулятор подачи горючего 19 на сверхзвуковые форсунки 6.
Вследствие перегрева пара до температуры 350...1400°С при смешивании его с воздухом происходит воспламенение факела, который начинает прогревать камеру сгорания 10. По мере прогрева камеры сгорания факелом горящего горючего производят большее открытие регулятора подачи топлива 19 до тех пор, пока двигатель не выйдет на установившийся режим горения.
В установившемся режиме электропароперегреватель 7 отключается, а горение в начале камеры горения продолжается за счет сгорания части горючего, поступающего из сверхзвуковых форсунок 6. В конце камеры сгорания 10 горение горючего в камере сгорания 10 прекращается из-за недостатка воздуха, а скорость течения недогоревшей смеси достигнет критической скорости при незначительном сужении потока. Необходимые параметры установившегося режима достигаются регулируемой подачей топлива регулятором 19 и регулятором подачи воздуха 20. Далее, попадая в расширяющуюся часть геометрически расширяющегося сопла 11, поток ускоряется до сверхзвуковой скорости, и на выходе из сопла 11 появляются косые скачки или серия бочек 16, за границей которых происходит турбулентное смешивание с засасываемым воздухом. Сверхзвуковая струя, протекая через эжекторный усилитель тяги 12 эжектирует (засасывает) свежие порции воздуха и разгоняет их до значительных скоростей путем добавления горячего газа, т.е. подвода газа, тепла и кинетической энергии. Разогнанная добавочная масса создает дополнительную тягу. Оптимальные параметры эжекторного усилителя тяги устанавливаются регулятором подачи воздуха эжекторного усилителя тяги 28 в зависимости от скорости полета. Так как основной двигатель (прямоточный эжекторный газогенератор) работает с недожиганием горючего, то его дожигание происходит в эжекторном усилителе тяги 12. Таким образом, прямоточный эжекторный газогенератор со своим геометрически расширяющимся соплом 11 является сверхзвуковой форсункой эжекторного усилителя тяги 12.
Для значительного увеличения тяги прямоточного воздушно-реактивного двигателя на фиг.6 приведена схема мощного устройства для реализации предлагаемого способа работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя. На ней представлены: один общий бак для горючего 1 с насосом 2, сбросовым клапаном 3, приводным двигателем 29, трубопроводом 31. Это система питания прямоточных эжекторных газогенераторов 32.
Для реализации предлагаемого способа по этой схеме создается множество описанных выше прямоточных эжекторных газогенераторов 32, которые устанавливаются параллельно в общем эжекторном усилителе тяги 12 (фиг.6), которые питаются от общего насоса 2 с сбросовым клапаном 3 через фильтр 30 из бака 1.
Прямоточные эжекторные газогенераторы 32, установленные параллельно в качестве сверхзвуковых форсунок (сопел) многосоплового эжекторного усилителя тяги, питаются от единой системы питания через трубопровод 31 и усиливают тягу пропорционально числу параллельно включенных прямоточных эжекторных газогенераторов. Такая компоновка обеспечивает хорошее перемешивание струй горячего газа с вновь инжектируемым (засасываемым) воздухом и дожигание горючего при относительно малой длине двигателя [Авиационные эжекторные усилители тяги. В.Г.Ененков, А.Л.Клячкин, В.М.Супрун. - М.: Машиностроение, 1980 - 135 с.]
Разработка предлагаемого прямоточного воздушно-реактивного двигателя, работающего по предлагаемому способу, который значительно проще и легче турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя, позволит применять их в любительской авиации: дельтапланы, легкомоторные самолеты, ракетопланеры, беспилотные самолеты, управляемые монгольфьеры и дирижабли, вертолеты с двигателями на лопастях винта, а также в авиамоделизме. В процессе дальнейшего совершенствования возможно их применение и в авиатранспорте общего назначения.
1. Способ работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя, заключающийся в прокачивании под напором горючего через нагревательное устройство, испарении, подаче в эжектор, эжектировании воздуха из окружающей среды струей пара горючего, сжатии и нагнетании в смеси пара горючего и воздуха в камеру сгорания и сгорании в последней, создавая энергию для реактивной тяги, и нагрева горючего, последующее сжатие за счет использования энергии выхлопных газов, отличающийся тем, что сжатие горючего до критического или сверхкритического состояния вещества производят в холодном жидком состоянии, дополнительно осуществляют перегрев пара до газообразного состояния и температуры самовоспламенения 350...1400°С во встречном потоке горячего газа, который потом отводят в сопло вторичного контура эжекции, при этом для сгорания в камеру сгорания нагнетают обогащенную смесь паров горючего и воздуха, а дожигание горючего производят во вторичном контуре эжекторного усилителя тяги.
2. Способ работы прямоточного воздушно-реактивного двигателя по п. 1, отличающийся тем, что формирование критической скорости течения производят в комбинированном сопле - в цилиндрической камере горения без критического сужения путем подвода кинетической энергии и тепла сверхзвуковой струи перегретого пара и тепла, получаемого при сгорании части горючего, а сверхкритическую скорость - в геометрически расширяющемся сверхзвуковом сопле.
3. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий нагнетатель топлива, воздухозаборник с эжектором на выходе, состоящим из камеры смешения и форсунки для распыления газообразного горючего, эжектирующего поступающий через воздухозаборниквоздух из окружающей среды, камеру сгорания с выхлопным соплом и нагревательным устройством для нагрева топлива, отличающийся тем, что нагнетатель топлива выполнен в виде насоса со сбросовым клапаном на давление 4...15 МПа, двигатель выполнен с прямоточным эжекторным газогенератором, с входящими в него камерой сгорания, воздухозаборником, выполненным регулируемым, и форсунками для распыления газообразного горючего, выполненными сверхзвуковыми, и снабжен, по крайней мере, одним пароперегревателем с газовым рефлектором и обтекателем рефлектора, кожухом обратного потока продуктов сгорания вокруг пароперегревателя, устройством перепуска газа, прошедшего вдоль пароперегревателя в сопла вторичного контура эжекторного усилителя тяги, электропароперегревателем для запуска двигателя, геометрически расширяющимся соплом за камерой сгорания, используемым в качестве форсунки эжекторного усилителя тяги.
4. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель по п. 3, отличающийся тем, что он содержит комбинированное сопло - цилиндрическую камеру без критического сужения с геометрически расширяющимся соплом на выходе.
5. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель по п. 3 или 4, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен параллельно расположенными в эжекторном усилителе тяги прямоточными газогенераторами, образующими многогенераторный двигатель.
