Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель и способ организации горения
Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит воздухозаборник с центральным телом, камеру сгорания, топливную форсунку, соединенную пилонами с воздухозаборником, и систему управления. Топливная форсунка установлена в центральном теле воздухозаборника и выполнена в виде газоструйного резонатора с острой передней кромкой. Вход газоструйного резонатора совмещен с носовой частью центрального тела и обращен навстречу набегающему потоку воздуха, а его внутренняя полость соединена с топливной системой. Задняя стенка и часть боковой стенки газоструйного резонатора выполнены пористыми с управляемой скважностью. На внешней стороне задней стенки газоструйного резонатора размещен плоский воспламенитель с отверстиями, электрически соединенный с системой управления двигателя и источником пульсирующего электрического поля. Через топливную форсунку перед воздухозаборником подают нанодисперсное топливо, содержащее углеродные нанотрубки с капсулированным в них водородом двумя потоками: через вход газоструйного резонатора навстречу набегающему потоку воздуха и через его пористые стенки. Создают между воспламенителем на задней стенке газоструйного резонатора и камерой сгорания пульсирующий электрический разряд с частотой в диапазоне от 0,1 до 25 кГц. Изобретение направлено на улучшение процессов подготовки и горения топливовоздушной смеси, повышение полноты сгорания топлива и топливной эффективности двигателя, а также совершенствование его массогабаритных характеристик. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к авиационному двигателестроению, а именно к гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателям (ГПВРД), и может быть использовано в силовых установках гиперзвуковых летательных аппаратов, использующих кислород воздуха в качестве окислителя.
Теплозащита передних кромок и организация процессов подготовки и горения топливовоздушной смеси остаются серьезными проблемами на пути создания современных ГПВРД, имеющих хорошую полноту сгорания топлива, высокую топливную эффективность и приемлемые массогабаритные характеристики двигателя при гиперзвуковых скоростях полета летательного аппарата в атмосфере Земли.
Известен пульсирующий детонационный двигатель (патент RU №2432483, МПК F02К 7/04,2011), содержащий корпус, воздухозаборник с центральным телом, камеру сгорания, инициатор детонации, сопловой аппарат, топливную систему с топливной форсункой, соединенной пилонами с воздухозаборником, и систему управления режимом горения топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя.
Недостатком известного пульсирующего детонационного двигателя является высокое аэродинамическое сопротивление.
Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому гиперзвуковому прямоточному воздушно-реактивному двигателю является принятый за прототип гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель и способ организации горения (патент RU №2262000, МПК F02К 7/10, 2005). Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель включает носовую часть корпуса двигателя, воздухозаборник, топливную форсунку, расположенную в носовой части двигателя перед воздухозаборником и соединенную пилонами с ним, камеру сгорания, воспламенитель и сопло. При этом способ организации горения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе включает сжатие воздуха в воздухозаборнике, подачу топлива в камеру сгорания перед воздухозаборником в зону, образованную между топливной форсункой, пилонами и воздухозаборником, горение топливовоздушной смеси и последующее расширение продуктов горения в сопле.
Недостатками известного технического решения являются протяженная зона подготовки и горения топливовоздушной смеси и неудовлетворительные массогабаритные характеристики ГПВРД.
Задачей заявленного изобретения является организация подготовки и горения топливовоздушной смеси с целью улучшения полноты сгорания топлива и повышения топливной эффективности двигателя.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении топливной эффективности и улучшении массогабаритных характеристик ГПВРД.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, содержащем корпус, воздухозаборник с центральным телом, камеру сгорания, топливную форсунку, расположенную в носовой части двигателя перед воздухозаборником и соединенную пилонами с ним, воспламенитель и сопло, топливная форсунка установлена в центральном теле воздухозаборника и выполнена в виде газоструйного резонатора с острой передней кромкой, вход которого совмещен с носовой частью центрального тела и обращен навстречу набегающему потоку воздуха, внутренняя полость газоструйного резонатора соединена с топливной системой, задняя стенка и часть боковой стенки газоструйного резонатора выполнены пористыми с управляемой скважностью и на внешней стороне задней стенки газоструйного резонатора размещен плоский воспламенитель с отверстиями, электрически соединенный с системой управления двигателя и источником пульсирующего электрического поля. Решение поставленной задачи и технический результат достигаются также тем, что в способе организации горения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, включающем сжатие воздуха в воздухозаборнике, генерирование внутренних ударных волн в проточной части двигателя, формирующих при взаимодействии пересжатую детонационную волну, подачу топлива в камеру сгорания перед воздухозаборником, горение топливовоздушной смеси в камере сгорания, расширение продуктов горения в сопле и регулирование режима горения в камере сгорания, подают в камеру сгорания через топливную форсунку нанодисперсное топливо, содержащее углеродные нанотрубки с капсулированным в них водородом двумя потоками: через вход газоструйного резонатора навстречу набегающему потоку воздуха и через его пористые стенки, и создают между воспламенителем на задней стенке газоструйного резонатора и камерой сгорания пульсирующий электрический разряд с частотой в диапазоне от 0,1 до 25 кГц.
На фигуре 1 приведена схема заявленного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя.
Двигатель содержит корпус 1, воздухозаборник 2 с центральным телом, камеру сгорания 3, воспламенитель 4, сопло 5, топливную форсунку 6, соединенную пилонами 7 с воздухозаборником 2 и выполненную в виде газоструйного резонатора 8 с острой передней кромкой 9, вход которого совмещен с носовой частью центрального тела и обращен навстречу набегающему потоку воздуха 10. Внутренняя полость 11 газоструйного резонатора 8 соединена с топливной системой двигателя, которая на схеме не показана. Задняя стенка 12 газоструйного резонатора 8 и часть его боковой стенки 13 выполнены пористыми с управляемой скважностью и на внешней стороне задней стенки 12 газоструйного резонатора 8 размещен плоский воспламенитель 4, электрически соединенный с системой управления 14 двигателя и источником питания 15 пульсирующего электрического поля. Окончательно топливовоздушную смесь 16 готовят перед камерой сгорания 3 при взаимодействии набегающего потока 10 с нанодисперсным топливом 17, вводимым в поток 10 через топливную форсунку 6 в виде газоструйного резонатора 8.
Заявленный способ организации горения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе осуществляют следующим образом. Запуск двигателя и управление режимами его работы осуществляют с помощью системы управления 14 при достижении расчетных значений скорости полета и режима работы воздухозаборника 2. Нанодисперсное топливо 17, содержащее углеродные нанотрубки с капсулированным в них водородом, подают в камеру сгорания 3 через топливную форсунку 6 одновременно с выдачей управляющего сигнала на воспламенитель 4 и созданием между ним и камерой сгорания 3 пульсирующего электрического разряда с частотой в диапазоне от 0,1 до 25 кГц. Воспламенение и поддержание процесса горения подготовленной топливовоздушной смеси 16 в камере сгорания 3 осуществляют за счет ее поджига при высокой температуре газа за взаимодействующими скачками уплотнения 18 и разрядом между воспламенителем 4 и камерой сгорания 3.
Анализ выполненных исследований показал, что заявленные технические решения существенно улучшают качество подготавливаемой топливовоздушной смеси 16 и повышают на 15-20% полноту сгорания топлива и топливную эффективность ГПВРД. Важную роль при этом играют углеродные нанотрубки, обладающие уникальным свойством автоэлектронной эмиссии в электрическом поле (Гуляев Ю.В. Углеродные нанотрубные структуры - новый материал для эмиссионной электроники. Вестник РАН. Т. 73. №5. 2003).
Таким образом, преимуществом заявленного гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя и способа организации горения в нем является возможность управлять режимом горения в камере сгорания топливовоздушной смеси на основе нанодисперсного топлива, содержащего углеродные нанотрубки с помощью электрического разряда между воспламенителем и камерой сгорания двигателя, повысить стабильность горения и улучшить массогабаритные характеристики ГПВРД.
1. Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий корпус, воздухозаборник с центральным телом, камеру сгорания, воспламенитель, сопло, топливную форсунку, соединенную пилонами с воздухозаборником, и систему управления, отличающийся тем, что топливная форсунка установлена в центральном теле воздухозаборника и выполнена в виде газоструйного резонатора с острой передней кромкой, вход которого совмещен с носовой частью центрального тела и обращен навстречу набегающему потоку воздуха, внутренняя полость газоструйного резонатора соединена с топливной системой, задняя стенка и часть боковой стенки газоструйного резонатора выполнены пористыми с управляемой скважностью и на внешней стороне задней стенки газоструйного резонатора размещен плоский воспламенитель с отверстиями, электрически соединенный с системой управления двигателя и источником пульсирующего электрического поля.
2. Способ организации горения в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе, включающий сжатие воздуха в воздухозаборнике, генерирование внутренних ударных волн в проточной части двигателя, формирующих при взаимодействии пересжатую детонационную волну, подачу топлива в камеру сгорания через топливную форсунку перед воздухозаборником, горение топливовоздушной смеси в камере сгорания, расширение продуктов горения в сопле и регулирование режима горения, отличающийся тем, что в камеру сгорания через топливную форсунку перед воздухозаборником подают нанодисперсное топливо, содержащее углеродные нанотрубки с капсулированным в них водородом двумя потоками: через вход газоструйного резонатора навстречу набегающему потоку воздуха и через его пористые стенки, и создают между воспламенителем на задней стенке газоструйного резонатора и камерой сгорания пульсирующий электрический разряд с частотой в диапазоне от 0,1 до 25 кГц.
