Способ создания реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя

Авторы патента:

F02K7/04 - с резонансными камерами сгорания

F02K7/02 - пульсирующие воздушно-реактивные двигатели

Владельцы патента RU 2639279:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГУ им. М.Ф. Решетнева) (RU)

Способ создания реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя может быть применен в двигателях летательных аппаратов. Способ включает циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха во впускном канале с осуществлением одновременной генерации двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки, которую осуществляют в передней части камеры сгорания на цикле расширения потока продуктов сгорания, идущего в направлении входного канала. Часть вышеназванного потока продуктов сгорания направляют через кольцевой торообразный суживающийся канал для обеспечения ускорения потока и создания эжектирующего эффекта на входе в камеру сгорания двигателя. Изобретение направлено на повышение реактивной тяги за счет интенсификации массопереноса, осуществляющегося генерацией двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки. 3 ил.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям (ПуВРД) летательного аппарата.

Известны пульсирующие воздушно-реактивные двигатели бесклапанной схемы, патент US №2639580, НКИ 60-35.6, опубликован 26.05.1953 г. и др. Известно также применение испарителей топлива в пульсирующих воздушно-реактивных двигателях, патент SU №106500, опубликован 01.01.1957 г.

В качестве прототипа принят способ создания реактивной тяги бесклапанным ПуВРД, описанный в патенте RU 2429366, F02K 7/02, опубликован 20.09.2011 г. При взрыве топливовоздушной смеси в камере сгорания продукты сгорания начинают выбрасываться через резонаторную трубу и впускной канал. Далее наступает процесс всасывания, при котором продукты сгорания, движущиеся по резонаторной трубе, начинают всасывать атмосферный воздух через впускной канал в камеру сгорания - эффект Каденаси (Kadenacy), такая схема организации цикла работы двигателя без подвижных частей называется «бесклапанной» или «с аэродинамическим клапаном». Цикличность всасывания приводит к тому, что на внутренней кромке впускного канала при каждом цикле всасывания образуется кольцевой вихрь. Такой же кольцевой вихрь образуется в центре впускного канала, благодаря размещенному там входному конусу. Далее эти два вихря, перемещаясь внутрь камеры сгорания, имея противоположные направления вращения, инициируют интенсивный массоперенос внутрь камеры сгорания. Таким образом, одновременная генерация на цикле всасывания двух кольцевых вихрей интенсифицирует массоперенос и горение, что приводит к росту амплитуды пульсаций давления и росту тяги ПуВРД.

Создание реактивной тяги в прототипе происходит при одновременном циклическом выбросе продуктов сгорания и всасывании атмосферного воздуха, причем во впускном канале на цикле всасывания генерируются два кольцевых вихря.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что при циклическом горении топливовоздушной смеси в камере сгорания продукты сгорания частично выбрасываются и через впускной канал, что снижает интенсивность массопереноса внутри камеры сгорания и приводит к снижению тяги.

Задачей настоящего изобретения является повышение реактивной тяги ПуВРД.

Поставленная задача достигается тем, что в способе создания реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающем циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха во впускном канале с осуществлением одновременной генерации двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки, согласно изобретению генерацию кольцевых вихрей осуществляют в передней части камеры сгорания на цикле расширения потока продуктов сгорания, идущего в направлении входного канала, причем часть названного потока направляют через кольцевой торообразный суживающийся канал, обеспечивающий ускорение потока и создание эжектирующего эффекта на входе в камеру сгорания двигателя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение реактивной тяги ПуВРД за счет осуществления генерации двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки в передней части камеры сгорания на цикле расширения потока продуктов сгорания и дополнительного наддува за счет эжекции воздуха в камеру сгорания.

Заявляемый способ поясняется с помощью чертежей.

На фиг. 1 показана схема ПуВРД, реализующая заявляемый способ.

На фиг. 2 показано конструктивное исполнение головки ПуВРД.

На фиг. 3 представлена кинограмма течения газа в газодинамическом тракте двигателя, реализующего предлагаемый способ, и ее градиентная обработка.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель состоит из корпуса 1, головки 2. В корпусе 1 расположена камера сгорания 3, змеевиковый испаритель топлива с форсуночным коллектором 4, свеча зажигания 5, торообразная стенка 6, резонаторная труба 9.

Головка 2 содержит входной кольцевой канал (диффузор) 7, образованный частью участка головки 2 и входным конусом 8. Торообразная стенка 6 и головка корпуса 2 образуют кольцевой торообразный суживающийся канал 10, который заканчивается на срезе входного канала (диффузора) 7. Кольцевой торообразный канал 10 имеет центрирующие опоры 11, 12. Входной конус 8 установлен во входном диффузоре с помощью пилона 13.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

Для запуска двигателя необходимо создать скоростной напор воздуха на входе. К моменту начала воспламенения камера сгорания 3 заполнена топливовоздушной смесью и имеет давление внутри двигателя, близкое к атмосферному. В результате воспламенения образуется фронт пламени, который быстро распространяется на весь объем камеры сгорания. Вначале происходит непрерывное горение с выходом продуктов сгорания через резонаторную трубу 9.

После прогрева двигателя топливо подается в камеру сгорания уже в газообразном состоянии, двигатель переходит на резонансно-пульсирующий режим работы.

При сгорании топлива в камере сгорания объем и, соответственно, давление продуктов сгорания в ней увеличиваются и они устремляются как в резонаторную трубу 9, так и в направлении головки 2. Часть потока продуктов сгорания, идущая в направлении головки 2, направляется в кольцевой торообразный суживающийся канал 10, ускоряется в нем и выходит у входного канала (диффузора) 7, создавая дополнительный наддув в камеру сгорания. Кольцевой торообразный суживающийся канал 10 выполняет роль впускного канала - «аэродинамического клапана» - и внутреннего эжектора.

Возникшее при этом пульсирующее колебание газового столба используется для организации процесса наполнения двигателя, предварительного сжатия рабочего тела, а также обеспечения процесса сгорания, близкого к сгоранию при постоянном объеме.

Движение потока по кольцевому торообразному каналу 10 (эжектору) осуществляется за счет разности напоров на входе и выходе из канала

Другая часть потока, идущая в направлении головки 2, направляется по торообразной стенке 6 и совместно с потоком, поступающим через входной канал (диффузор) 7, генерирует в передней части камеры сгорания 3 два кольцевых вихря разнонаправленной закрутки. Генерация двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки происходит на цикле расширения процесса горения и имеет существенно большую интенсивность по сравнению с генерацией на цикле всасывания.

Больший из генерируемых вихрей формируется стенкой торообразного канала 6 с образованием кольцевого вихря на внутренней стороне стенки со стороны камеры сгорания подхватывает и ускоряет поток газа, выходящий из кольцевого торообразного суживающегося канала, выполняющего роль эжектора.

Меньшая часть потока, отражающаяся от профилированной тыльной части входного конуса 8, образует вихрь обратного тока, дополнительно ускоряющий поток газа, выходящего из кольцевого торообразного канала (эжектора) 10.

Образующаяся в результате взаимодействия кольцевых разнонаправленных вихрей и эжектируемой струи газа область пониженного давления осуществляет подсос воздуха из диффузора 7, увеличивая наполнение и расход воздуха в камеру сгорания 3, интенсифицирует массоперенос и горение, что приведет к росту амплитуды пульсаций давления и росту тяги ПуВРД.

Конструктивно кольцевой торообразный суживающийся канал 10 (фиг. 2) выполнен расположением торообразной стенки 6 с эксцентриситетом по горизонтальной и вертикальной осям относительно центра корпуса головки 2.

Кольцевые входное и выходное сечения и длину кольцевого торообразного суживающегося канала (эжектора) подбирают исходя из результатов статистического анализа объемов и длин впускных каналов бесклапанных ПуВРД.

Наибольший диаметр конуса входа 8 равен наименьшему диаметру торообразной стенки 6 и защищает выход торообразного суживающегося канала 10 и входной канал (диффузор) 7 от действия встречного потока расширяющихся продуктов сгорания.

Для подтверждения возможности реализации заявленного способа проведены эксперименты с визуализацией процесса движения продуктов сгорания в газодинамическом тракте ПуВРД, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 3 представлены стоп-кадры кинограммы визуализации методом дымогенерации.

На стоп-кадре №2 представлен момент наполнения объема камеры сгорания - вспышка; на кадре №5 - процесс расширения потока продуктов сгорания и движения их по торообразному каналу 10, выполняющему роль «аэродинамического клапана»; на кадрах №14, 17 - процесс подсоса (наддува) за счет эжекции наружного воздуха в камеру сгорания из диффузора 7.

Генерация двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки визуализируется на кадрах №8, 11, 14.

Предлагаемый способ отличается от известных тем, что в нем сочетаются бесклапанная схема и эжекторный наддув в камеру сгорания за счет импульса давления при воспламенении продуктов топливовоздушной смеси.

Заявляемый способ позволяет повысить реактивную тягу ПуВРД за счет интенсификации массопереноса, осуществляющегося генерацией двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки в передней части камеры сгорания на цикле расширения потока продуктов сгорания и дополнительного наддува за счет эжекции воздуха в камеру сгорания. Реактивная тяга при этом увеличивается на величину потерь тяги в впускных каналах бесклапанного ПуВРД.

Способ создания реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающий циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха во впускном канале с осуществлением одновременной генерации двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки, отличающийся тем, что генерацию кольцевых вихрей осуществляют в передней части камеры сгорания на цикле расширения потока продуктов сгорания, идущего в направлении входного канала, причем часть потока продуктов сгорания, идущего в направлении входного канала, направляют через кольцевой торообразный суживающийся канал для обеспечения ускорения потока и создания эжектирующего эффекта на входе в камеру сгорания двигателя.

Изобретение относится к способам функционирования сверхзвуковых пульсирующих детонационных прямоточных воздушно-реактивных двигателей, преимущественно при полете с числом Маха больше 6.

Система и способ сжигания для поддержания непрерывной детонационной волны с нестационарной плазмой // 2537659

Система для поддержания непрерывной детонационной волны содержит кольцевую камеру сгорания и систему получения нестационарной плазмы. Система получения нестационарной плазмы расположена по отношению к камере сгорания таким образом, чтобы поддерживать вращающуюся детонационную волну путем генерирования высоковольтных импульсов низкой энергии в кольцевой камере сгорания.

Пульсирующая детонационная установка для создания силы тяги // 2526613

Пульсирующая детонационная установка для создания силы тяги содержит корпус, внутри которого установлен насадок с полузамкнутой детонационной камерой, систему подачи окислителя.

Пульсирующий детонационный двигатель // 2490498

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для создания тяги на летательных аппаратах. .

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель со стабилизацией горения на соударяющихся струйных течениях // 2468236

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.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (пуврд) // 2468235

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.

Способ функционирования пульсирующего детонационного двигателя (варианты) // 2446306

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к силовым установкам, и может быть использовано для получения тяги и обеспечения движения транспортных средств различного назначения на воде и под водой.

Сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель с пульсирующим режимом горения (спврд с прг) и способ его работы // 2446305

Изобретение относится к классам ВРД, условно называемым "пульсирующими двигателями" (ПуВРД) и «пульсирующими детонационными двигателями» (ПДД). .

Пульсирующий воздушно-реактивный детонационный двигатель // 2443893

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 зенитные, авиационные и тактические ракеты, беспилотные разведчики, летающие мишени и т.п., а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей.

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель // 2435978

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 зенитные, авиационные и тактические ракеты, беспилотные разведчики, летающие мишени, а также в качестве сбрасываемых дополнительных двигателей.

Прямоточный турбореактивный детонационный двигатель (птрдд) // 2638239

Прямоточный турбореактивный детонационный двигатель состоит из входной части, средней части и выходной части. Во входную часть входят вентилятор и компрессор.

Пульсирующий газотурбинный двигатель // 2635953

Изобретение относится к области двигателестроения. Пульсирующий газотурбинный двигатель содержит корпус, ротор, снабженный реактивными двигателями с компрессором на валу, и газовую турбину, посаженную коаксиально на вал ротора.

Способ организации рабочего процесса в турбореактивном двигателе с непрерывно-детонационной камерой сгорания и устройство для его осуществления // 2620736

Способ организации рабочего процесса в непрерывно-детонационной камере сгорания турбореактивного двигателя включает двухступенчатое преобразование химической энергии топлива в полезную механическую работу и в кинетическую энергию реактивной струи.

Пульсирующий газотурбинный двигатель // 2617222

Газотурбинный двигатель с пульсирующей работой содержит симметрично расположенные камеры сгорания с окнами входа и выхода над ними, прилегающие к торцу диска ротора.

Двигатель со стоячей детонационной волной // 2616143

Детонационный двигатель содержит первый и второй впуски, первое и второе сопла и сепаратор. Первый впуск имеет первый конец, соединенный по текучей среде с первой емкостью, и второй конец, соединенный по текучей среде с детонационным двигателем.

Способ организации горения топлива и детонационно-дефлаграционный пульсирующий прямоточный воздушно-реактивный двигатель // 2585328

Изобретение относится к аэрокосмическим двигателям. Детонационно-дефлаграционный пульсирующий прямоточный воздушно-реактивный двигатель содержит сверхзвуковой воздухозаборник, систему непрерывной подачи топлива, решеточный пластинчатый гаситель детонационных волн, расположенный так, что в него поступает хорошо перемешанная горючая смесь, камеру сгорания и выхлопное сопло.

Многотрубный бесклапанный двигатель с импульсной детонацией // 2574156

Изобретение относится к бесклапанному многотрубному двигателю с импульсной детонацией. Двигатель содержит несколько детонационных труб, причем каждая детонационная труба имеет независимое разгрузочное выпускное отверстие, несколько детонационных труб соединены друг с другом в общем отверстии впуска воздушно-топливной смеси, при этом воздушно-топливная смесь детонирует в детонационных трубах одновременно, и общее отверстие впуска воздушно-топливной смеси минимизирует обратное давление, вызванное детонацией воздушно-топливной смеси, направляя несколько обратных ударных волн друг на друга, эффективно используя обратные давления как реактивные фронты друг для друга и эффективно снижая воздействие ударных волн, распространяющихся назад, в направлении вверх по потоку.

Способ сжигания топливо-воздушной смеси и прямоточный воздушно-реактивный двигатель со спиновой детонационной волной // 2573427

Способ сжигания топливовоздушной смеси для создания реактивной тяги в прямоточном воздушно-реактивном двигателе со спиновой детонационной волной заключается в том, что набегающий высокоскоростной поток тормозят до чисел Маха в диапазоне от 3 до 4 в сверхзвуковом двухступенчатом воздухозаборнике с затупленным центральным телом.

Способ организации детонационно-дефлаграционного горения и детонационно-дефлаграционный пульсирующий прямоточный воздушно-реактивный двигатель // 2563092

Способ организации детонационно-дефлаграционного горения в воздушно-реактивном двигателе для высоких скоростей полета заключается в том, что набегающий высокоскоростной сверхзвуковой поток воздуха тормозят в криволинейном пространстве воздухозаборника, по мере продвижения, в зоне образования скорости, меньшей, чем скорость детонационной волны, возникающей при горении, но большей, чем скорость ударной волны, возникающей при гашении детонационной волны.

Способ получения тяги // 2493398

Изобретение относится к области двигателей и движителей и может быть использовано для перемещений различных объектов, например летательных аппаратов, а также наземных или водных транспортных средств, в строительстве, при погрузоразгрузочных работах, в военной технике.

Способ образования реактивных сил движения из воздушно-динамической части реактивной струи и устройство его осуществления // 2641178

Цель изобретения - повышение эффективности ВРД стабильным поступлением воздушной массы при любых режимах работы при попутном увеличении силы тяги. Цель достигается путем поперечного выдавливания необходимой воздушной массы для камеры сгорания из ускоряющегося столба воздуха реактивной струей из канала, образованного лопаточным ротором в цилиндрическом корпусе с последующей заменой ускоренной воздушной массы на вновь сформированный воздушный массив с последующей заменой уже отсеченной части реактивной струи на столб воздуха, осуществляемого в тупиковом положении канала поперечным заполнением освобождаемого пространства воздухом из окружающего пространства через винтовое окно корпуса в период его движении для захода в реактивную струю с другой стороны. Боковое выдавливание воздушной массы из ее массива возможно при образовании значительного внутреннего давления от напора реактивной струи на противодействующую силу сопротивления ускорению свободной воздушной массы в канале, что требует отсутствия начального движения в попутном направлении и ее излишков в массиве, которые идут на увеличение силы тяги. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.