Способ создания тяги двигателя и конструкция двигателя
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в космической технике или авиации. Двигатель содержит систему агрегатов формирования и подачи рабочего тела в сопло, при этом сопло имеет входную часть, выполненную в виде полого цилиндра с тангенциальными подводами рабочего тела, расположенными равномерно в поперечной плоскости. Выходная часть сопла имеет конический раструб, переходящий в полый цилиндр. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, снижение массы двигателя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Конструкция двигателя
Предлагаемое изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано, например, в космической технике или авиации.
По сведениям открытой печати, известные двигатели с соплом Лаваля широко применяются в отечественных и зарубежных ракетах различных классов. Обзор и расчеты таких двигателей приведены в ряде литературных источников: «Иностранные ракетные двигатели». Справочник, ЦИАМ, 1967 г.; «ЖРД на кислороде и керосине».
Обзор №195, ГОНТИ-3, 1964 г.; «Зарубежное военное обозрение» №5 и 6, 2001 г.; Труды НПО «Энергомаш», т. 21, Москва, 2003 г.; Волков Е.Б. и др. «Жидкостные ракетные двигатели». М, Воениздат, 1970 г.
Недостатком выше перечисленных аналогов является сравнительно низкая экономичность двигателя, приводящая к большому расходу топлива, размерам и массе двигателя.
Известен двигатель (прототип), который освещен в книге Алемасова В.Е. и др. «Теория ракетных двигателей». Изд. «Машиностроение», Москва, 1969 г. Прототип содержит камеру сгорания с соплом Лаваля. Тяга образуется за счет сгорания топлива в камере при высокой температуре и сверхзвуковом истечении продуктов сгорания из сопла Лаваля. Недостатками его являются:
1. Большие расходы топлива увеличивают размеры и массу двигателя.
2. Сравнительно низкий коэффициент использования топлива, так как большая масса продуктов сгорания при высокой температуре выбрасывается в окружающую среду.
3. Применение высоких степеней расширения сопла, вызванных высокими скоростями истечения, приводят к увеличению длины и массы сопла и осевого габарита двигателя.
4. Использование в камере и сопле высокотемпературного рабочего тела - продуктов сгорания.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение влияния указанных недостатков и повышение экономичности.
Поставленная задача в предлагаемом решении выполняется двигателем, содержащим систему агрегатов формирования и подачи рабочего тела в сопло, отличающимся тем, что сопло имеет входную часть, выполненную в виде полого цилиндра с тангенциальными подводами рабочего тела, расположенными равномерно в поперечной плоскости, а выходная часть имеет конический раструб, переходящий в полый цилиндр.
Образуются окружная и осевая скорости. Окружная скорость, благодаря центробежному полю, создает в полости сопла избыточное давление, которое в сочетании с площадью среза сопла образует основную долю тяги. Осевая скорость по известному уравнению создает дополнительную долю тяги, меньшую основной.
Таким образом, предлагаемое решение отличается от известного тем, что основная доля тяги образуется за счет площади среза сопла и давления в нем при дозвуковом вихревом движении потока, а в известном за счет расхода топлива, высокой скорости и температуры при сверхзвуковом, плоско-параллельном и осевом истечении потока из сопла.
Для кратности изложения вводим следующие понятия по характеру скорости: для известного решения - «сверхзвуковой двигатель», «сверхзвуковое сопло» и т.д.; для предлагаемого решения - «дозвуковой двигатель», «дозвуковое сопло» и т.д.
Теоретическое обоснование создания тяги при дозвуковых скоростях истечения рабочего тела изложено Абрамовичем Г.Н. в издании «Прикладная газовая динамика», изд. Наука, Москва, 1969 г.
График зависимости удельного импульса тяги от коэффициента скорости представлен на фиг. 1.
, где
J - удельный импульс тяги;
k - адиабатический коэффициент расширения;
Wкp - критическая скорость тангенциального подвода;
λ - коэффициент скорости истечения.
Из графика фиг. 1 следует:
- участок кривой 
определяется сверхзвуковым соплом, а участок 
- дозвуковым соплом;
- предельное значение удельного импульса тяги сверхзвукового двигателя (точка 1) ограничено диаметром среза сопла, а дозвукового двигателя (точка 3) ограничено давлением у среза сопла.
- в дозвуковом решении возможно получение более высокого удельного импульса тяги (точка 3). Расчеты эффективности подтверждают это.
Эффективность предлагаемого решения оценивается сравнительным расчетом, выполненным по известным уравнениям, приведенным Абрамовичем Г.Н. в своем издании:
1. Исходные данные сверхзвукового двигателя-прототипа:
- тяга двигателя (основное уравнение);
- расход через двигатель;
Wa=3644 м/сек - скорость на срезе сопла;
Wкр=1179 м/сек - скорость в критике;
Ра=594 кгс/м2 - давление на срезе сопла;
Fa=0,4642 м2 - площадь среза сопла;
- газодинамическая функция;
- коэффициент скорости на срезе сопла.
2. Условия сравнения Ra=Rн=8036 кгс, Fa=Fн=0,4642 м2. Индекс «а» относится к сверхзвуковому двигателю, «н» - дозвуковому.
3. Расчет диапазона изменения давления у среза сопла и определение среднего давления дозвукового двигателя.
Минимальное давление определяется расходом 
, коэффициентом скорости истечения 
; 
; Wна=380 м/сек, где индекс «на» означает параметр дозвукового двигателя на срезе сопла.
; 
; 
Максимальное давление 
- из условия
; 
.
4. Расчет коэффициента скорости 
при среднем давлении:
; 
; 
; Wна ср=263 м/сек.
5. Расчет среднего расхода: 
Снижение расхода от применения дозвукового двигателя - 25%.
6. Проверка: 
Таким образом, из графика фиг. 1 и расчета эффективности следует, что при одной и той же пустотной тяге и площади среза сопла дозвуковой двигатель имеет более низкий расход топлива и более низкую скорость истечения у среза сопла. Физически это объясняется тем, что основная доля тяги дозвукового двигателя создается за счет площади среза сопла и давления, а не расхода и скорости в сверхзвуковом двигателе.
При разработке использовался опыт научно-исследовательских и экспериментальных работ, приведенных в источниках - Абрамович Т.Н. «Прикладная газовая динамика». «Наука», Москва, 1969 г; Вуколович М.П. «Техническая термодинамика». «Энергия». Москва, 1968 г.; Меркулов А.П., Колмыков Н.Д. «Экспериментальная проверка гипотезы взаимодействия вихрей». Доклад Всесоюзной конференции, ОГИПХН, Одесса, 1962 г. и др. Кроме того, проведены «холодные» продувки упрощенной модели сопла на установке фиг. 4, которые показали необходимость продолжения работ.
Сущность предлагаемого двигателя иллюстрируется кинематическими схемами фиг. 2 и 3, где
rb, rba - радиус распространения вихря в приосевую область входной и выходной части раструба;
1 - система подачи топлива;
2 - агрегат формирования рабочего тела (камера сгорания);
3 - сопло;
4 - входная часть сопла;
5 - подводы рабочего тела в сопло;
6 - раструб выходной части сопла;
7 - полый цилиндр выходной части сопла;
A1 - зона минимального значения давления в полости сопла, равная давлению окружающей среды.
Принципиальная конструкция предлагаемого двигателя состоит из агрегатов системы подачи топлива 1, агрегатов формирования рабочего тела 2 и сопла 3, состоящего из входной части сопла 4 с несколькими, например, восьми подводами 5 продуктов истечения, расположенными в поперечной плоскости равномерно и тангенциально относительно оси сопла, раструба 6, переходящий в полый цилиндр 7.
Такая комплектация целесообразна для двигателей средних и больших тяг. Для двигателей небольших тяг агрегат формирования рабочего тела (камера) 2 может отсутствовать. Источником газообразных продуктов может служить газогенератор или запасы сжатого рабочего тела на борту PH, например воздуха.
В предлагаемом изобретении большинство узлов можно использовать из известного аналога, а оригинальный узел - сопло конструктивно уплощено и не требует значительных затрат и дополнительного оснащения производства.
Работа газа по образованию тяги. Рабочее тело поступает во входное сопло 4 через тангенциально расположенные подводы 5 с критической скоростью и, закручиваясь, движется с большой окружной и малой осевой скоростями. Закрутка создает в полости сопла центробежное силовое поле, которое приводит к созданию в полости сопла избыточного давления. Затем поток поступает в конический раструб 6 и далее в полый цилиндр 7, где притормаживается, увеличивая давление и тем самым увеличивая основную долю тяги. Торможение потока в раструбе обеспечивается сохранением постоянства момента окружной скорости в вихревом движении Wφa=WφH·rн/ra, где Wφa, WφH - окружные скорости на входе и выходе раструба;
rн, ra - радиусы на входе и выходе раструба.
Исходя из того, что окружные скорости не влияют на потери тяги от угла раскрытия раструба, а осевые скорости малы (5% от окружных), то нет необходимости в профилировании сопла. Поэтому в целях сокращения его длины целесообразно уширение его, например, на угол 45° (фиг. 3), что упростит конструкцию и снизит массу сопла.
Результатом внедрения предлагаемого решения является следующее.
1. Исключение высоких скоростей истечения рабочего тела снижает температуру, расход топлива и упрощает конструкцию.
2. Снижение расходов увеличит коэффициент использования топлива, так как меньше его выбрасывается в окружающую среду.
3. Применение окружной и малой осевой скоростей уменьшает сопротивление газового тракта и исключает необходимость профилирования сопла, что уменьшает его длину, упрощает конструкцию.
Таким образом, техническим результатом является разработка дозвукового двигателя с конструктивно несложным вихревым соплом и дозвуковыми скоростями истечения рабочего тела, которые улучшат энергомассовые характеристики и упростят конструкцию.
Это решение открывает широкие возможности использования нового двигателя во многих отраслях народного хозяйства.
1. Двигатель, содержащий систему агрегатов формирования и подачи рабочего тела в сопло, отличающийся тем, что сопло имеет входную часть, выполненную в виде полого цилиндра с тангенциальными подводами рабочего тела, расположенными равномерно в поперечной плоскости.
2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что выходная часть сопла имеет конический раструб, переходящий в полый цилиндр.
