Способ работы воздушно-реактивного двигателя и устройство для его реализации (варианты)
Владельцы патента RU 2654292:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) (RU)
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к организации процессов цикла и систем подготовки и подачи в камеру сгорания воздушно-реактивного двигателя горючего и воздуха в качестве окислителя с помощью генератора ударных волн. Пульсирующий двигатель детонационного горения с входным диффузором и соплом содержит две камеры сгорания. Одна из камер сгорания работает в качестве генератора детонационных ударных волн, импульсы которых с помощью детонационной трубы подают воздух в силовую камеру сгорания, в которой происходит сгорание подведенного в нее горючего при давлении близкого к давлению подаваемых импульсов генератора ударных волн, с дальнейшим разгоном потока суммарных продуктов сгорания в сопле и созданием тяги двигателя. При работе генератора ударных волн энергия продуктов сгорания при высоком давлении в конце такта в высшей мертвой точке распределяется на две части. Одна из частей отводится в детонационную трубу, а вторая часть расходуется на сжатие вновь поступившей горючей смеси. При этом осуществляют работу двух поршней со встречным движением, один из которых связан с газовыми накопителями энергии и управляет формированием импульсов ударных волн, а второй - с кривошипно-шатунным механизмом и маховиком и служит для сжатия новой порции горючей смеси. Изобретение направлено на повышение эффективности и кпд двигателя. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 14 ил.
Одним из определяющих факторов, влияющих на КПД энергетических установок с внутренним сгоранием топлива, является степень сжатия рабочего тела в компрессоре [Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е., Техническая термодинамика, М., «Энергия», 1968]. И особенно это касается реактивных двигателей для летательных аппаратов.
Сила тяги, необходимая для движения летательного аппарата, создается за счет реактивного действия рабочего тела вытекающего из сопла двигателя в сторону, противоположную направлению движения летательного аппарата.
В течение последних десятилетий проводятся исследовательские работы в области создания пульсирующих детонационных двигателей, тяга которых создается за счет детонационного сгорания горючей смеси. Генерируемые детонационной камерой сгорания импульсы ударной волны с высоким давлением и высокой скоростью истечения создают тягу.
В отличие от обычного без компрессорного прямоточного воздушно-реактивного двигателя, для работы которого необходимое давление в камере сгорания образуется за счет сжатия набегающего потока воздуха, новая силовая установка позволяет создавать тягу при нулевой скорости потока воздуха.
Принцип ее работы основан на создании периодических импульсов тяги возникающих при детонационном горении топливной смеси.
Детонационное горение топливной смеси обеспечивает создание большего по сравнению с обычным горением давления и, следовательно, имеется потенциальная возможность увеличения КПД двигателя.
Поступающий через воздухозаборник воздух смешивается в детонационной камере с впрыскиваемым топливом и образовавшаяся топливно-воздушная смесь после поджога детонирует. Возникающая при этом детонационная волна распространяется со сверхзвуковой скоростью до 2000 м/с по тракту двигателя через пульсационную трубу и выходит через реактивное сопло.
Благодаря высокой скорости движения газового импульса детонационной волны давление в камере сгорания снижается, чем обеспечивается поступление новой порции воздуха через воздухозаборник.
Периодический впрыск топлива в камеру детонационного сгорания генерирует сверхзвуковую пульсирующую струю на срезе сопла, создающую тягу двигателя.
Несмотря на кажущуюся простоту цикла, до настоящего времени не были созданы эффективные двигатели с детонационным сгоранием топлива.
Это объясняется не только особенностями детонационного характера сгорания топливной смеси, но и особенностями импульсного истечения продуктов сгорания из сопла, которые не были учтены.
В рассмотренных ниже аналогах проведен краткий анализ работы импульсных реактивных движителей с детонационным сгоранием топливной смеси и особенностей создания в них реактивной тяги.
Так в предложенных авторами способах [Патент РФ №2493399] и [Патент РФ №2429366], предпринята попытка совершенствования пульсирующих воздушно реактивных двигателей созданных в Германии еще в 40-е годы прошлого века под маркой Фау-1 [Синярев Г.Б., Добровольский М.В., Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957] и которые, из за применения низкочастотных механических клапанных систем двигателя, оказались малоэффективны и с очень малым ресурсом.
Такой двигатель состоит из входного устройства в виде диффузора, клапанной решетки, камеры сгорания и длинного цилиндрического сопла.
Горючее и воздух в камеру сгорания подаются периодически, поэтому тяга сопла создается от чередующихся импульсов ударной волны.
Если авторам удалось устранить недостаток, присущий механическим клапанам заменой их на аэродинамические с различным способом действия, главным недостатком присущий пульсирующим воздушно реактивным двигателям осталась низкая термодинамическая эффективность цикла.
Это объясняется тем, что процессы детонационного сгорания горючей смеси в камере сгорания и процессы в сопле, не обеспечивают их обратимость, поэтому не позволяют получить максимальную работу цикла, которая в данном случае представляет кинетическую энергию направленного потока газа.
Следствием этого является тот факт, что пульсирующий воздушно реактивный двигатель не позволяет создать необходимую тягу при самостоятельном старте двигателя и она (тяга) возможна только при набегающем потоке воздуха в диффузор около 100 м/с., то есть двигатель нужно разогнать до такой скорости, чтобы он создал необходимую тягу для полета.
Низкая эффективность импульсного двигателя заключена в самой природе импульсного истечения продуктов сгорания из сопла двигателя.
При импульсном истечении газа, основная масса которого находится в импульсе ударной волны при высокой температуре, образуются три зоны давления.
На фиг. 1 представлен импульс ударной волны с давлением РИ вышедший со скоростью V из сопла (пульсационной трубы) 1 в атмосферу, где:
Первая зона а - невозмущенная зона с давлением близкой к давлению окружающей среды РОС.
Вторая зона б - зона импульса ударной волны с малой протяженностью и высоким давлением газа РИ.
Третья зона с - зона разрежения, давление РР в которой ниже давления окружающей среды и которая следует за импульсом ударной волны.
Тяга такого импульсного детонационного двигателя складывается из двух составляющих и равна их алгебраической сумме;
- положительного импульса тяги, создаваемого при возникновении и движении импульса ударной волны со сверхзвуковой скоростью, взаимодействующего с камерой сгорания и атмосферным воздухом, находящимся в пульсационной трубе,
- и отрицательного импульса, который создается при обратном движении атмосферного воздуха в разреженную зону, которая образовалась за импульсом ударной волны после его выхода из пульсационной трубы.
Таким образом, тяга импульсного двигателя состоит из положительного, с высоким давлением короткого импульса, и отрицательного протяженного импульса, с давлением близким к давлению окружающей среды.
На фиг. 2 представлен идеализированный импульс F тяги импульсного двигателя за время цикла. Знаком (+) отмечен импульс с положительной тягой, знаком (-) - с отрицательной тягой.
Рассмотренный характер импульса, создающий тягу, универсален для всех двигателей с детонационным сгоранием топливной смеси.
Так в представленном аналоге [Патент РФ №2066779] реактивное сопло пульсирующего двигателя детонационного горения выполнено в виде за критической части сопла Лаваля. Двигатель генерирует импульсы, как с положительной, так и с отрицательной тягой.
Но сопло Лаваля может работать эффективно по ускорению газового потока только в условиях его стационарности с сохранением постоянными величинами давления и температуры в критическом сечении сопла, на его срезе и всей остальной поверхности.
При прохождении импульса газа через такое сопло со скоростью заведомо большей скорости звука, нет взаимодействия газа с поверхностью сопла и поэтому нет возможности создания дополнительной тяги за счет расширения массы газа, находящейся в импульсе.
Таким образом, высокое давление, созданное детонационным способом сгорания топливной смеси, не может быть реализовано для получения высокого КПД двигателя.
Это становится очевидным, если учесть что импульс газа генератора ударной волны, в котором сосредоточена основная масса продуктов сгорания при высоком давлении и высокой температуре, выбрасывается в окружающую среду. Этот факт подтверждает, как термодинамическое несовершенство цикла, так и техническое несовершенство устройства в котором этот цикл реализуется.
В рассмотренном двухступенчатом пульсирующем детонационном устройстве [Патент РФ №2357093], состоящего из двухконтурного газотурбинного двигателя и детонационных труб, установленных в потоке газовой струи продуктов сгорания газотурбинного двигателя, реактивная тяга устройства складывается из реактивной тяги газотурбинного двигателя с наложенной на нее тягой импульсов газа из детонационных труб.
Такая смешанная струя продуктов сгорания также пульсирует, поэтому сопло, типа сопла Лаваля, через которое проходит эта струя, не может работать эффективно.
Кроме того, импульс ударной волны, в котором сосредоточенна основная масса газа и которая имеет максимальную температуру, проходя детонационную трубу, выбрасывается в окружающую среду, что является прямыми потерями теплоты с высоким потенциалом.
Таким образом, детонационное сгорание топлива с дальнейшим истечением импульсов ударной волны через детонационную трубу с целью получения тяги является крайне неэффективным способом и поэтому предложенная совместная работа двух видов энергоустановок - турбовентиляторного двигателя и трубчатых пульсирующих детонационных устройств не повышает КПД единого устройства в целом, а снижает его.
В предложенном устройстве энергосиловой детонационной установки и способе его работы [Патент РФ №2285142] авторами сделана попытка достичь увеличения более высоких удельных мощностей и импульса (что авторами воспринимается как увеличения коэффициента полезного действия) по сравнению с известными энергосиловыми установками данного класса.
Здесь для достижения поставленной цели в полузакрытую камеру детонационной установки, на его днище, направлены потоки ударных волн из одной или нескольких детонационных труб генерирующие эти волны, с дальнейшим их отражением от днища, а также отражения от ударных волн детонационных труб установленных на пути продвижения в полузакрытой камере и созданием импульса тяги вытекающей общей струи.
В рассмотренном аналоге авторами не показано, как при многократных отражениях и взаимодействии ударных волн из различных детонационных труб происходит процесс расширения продуктов сгорания для повышения скорости их истечения из полузакрытой камеры.
Кроме того, для увеличения давления, на днище полузакрытой камеры детонационной установки фокусируются кумулятивные струи ударных импульсов от двух и более детонационных труб, но авторами не раскрыт механизм тепловой защиты днища от возникающей на его поверхности сверх высокой температуры.
В рассмотренном принципе действия, заявленного пульсирующего двигателя детонационного сгорания [Патент РФ №2142958], принятого за прототип, авторами представлен четырехрежимный комбинированный реактивный двигатель, состоящий из пульсирующего двигателя детонационного горения и двухрежимного прямоточного воздушно реактивного двигателя.
Режимы работы комбинированного двигателя следующие:
Режим 1. - Работа только пульсирующего детонационного двигателя, задача которого начать движение из состояния покоя и разгона летательного аппарата, на котором установлен двигатель, до скорости, на которой можно запускать прямоточный воздушно реактивный двигатель.
Режим 2. - Совместная работа пульсирующего детонационного двигателя и прямоточного воздушно реактивного двигателя с разгоном летательного аппарата до скорости близкой к 3М.
Режим 3. - Аналогичен режиму 2, но работа прямоточного воздушно реактивного двигателя осуществляется при сверхзвуковом горении топлива, а летательный аппарат приобретает скорость более 3М.
Режим 4. - Совместная работа пульсирующего детонационного двигателя и прямоточного воздушно реактивного двигателя, в котором осуществляется также детонационное горение топлива при полете летательного аппарата в разреженных слоях атмосферы с потреблением окислителя, находящегося на борту летательного аппарата.
С учетом оценок эффективности работы, касающихся низких КПД выше рассмотренных аналогов пульсирующих детонационных двигателей, можно сделать краткий вывод по отношению к выбранному прототипу.
Разгон летательного аппарата импульсным детонационным двигателем, согласно первого режима работы, для запуска прямоточного воздушно реактивного двигателя маловероятен из за малой тяги, как следствия низкого КПД импульсного детонационного двигателя.
Ввиду низкого КПД импульсного детонационного двигателя также маловероятна эффективная работа комбинированного двигателя в целом во втором, третьем и четвертом режиме.
Как было отмечено выше, в импульсном детонационном двигателе тяга создается импульсами ударной волны, имеющими высокие значения давления и температуры, возникшими в результате детонационного сгорания горючей смеси.
Таким образом, предложенный авторами комбинированный двигатель больше применим в качестве горелочного устройства для нагрева окружающей среды.
Косвенным подтверждением является также факт, что история создания пульсирующего детонационного двигателя начинает свой отсчет с 1940 г с известного Фау-1, в котором реализован цикл близкий к детонационному. И до настоящего времени эффективный двигатель, в котором реализован пульсирующий цикл в чистом виде, не создан.
Проблемы по созданию двигателей с детонационным горением заключаются, как в термодинамическом несовершенстве тепло преобразующего цикла, так и в техническом несовершенстве устройства такого двигателя в котором этот цикл реализуется.
В предложенном способе работы реактивного двигателя который содержит две камеры сгорания, одна камера работает в качестве генератора ударных волн, детонационные импульсы которого с помощью детонационной трубы подают воздух в другую - основную камеру сгорания, в которую подводится горючее и где происходит его сгорание при давлении подаваемых импульсов генератора ударных волн, с дальнейшим разгоном потока суммарных продуктов сгорания в сопле и созданием тяги двигателя.
В идеализированной постановке, импульсы ударной волны, образованные в генераторе, продвигаясь по детонационной трубе, захватывают порцию воздуха, уплотняют ее и продвигают в основную камеры сгорания таким образом, что следующие импульсы со своими порциями воздуха непрерывно подают воздух в основную камеру, выполняя роль компрессора воздуха.
Далее осуществляется впрыск горючего в основную камеру сгорания через форсунки системы подачи горючего перед входом в основную камеру, и в ее начале, где также установлена система поджога горючей смеси. Поджог горючей смеси также возможен за счет воздействия импульса ударной волны на смесь.
Горючая смесь с давлением равным давлению подаваемых импульсов генератора ударных волн в основную камеру сгорания, снабженную внутренними и внешними гофрами, продвигаясь к началу сопла, например сопла Лаваля, сгорает с дальнейшим расширением и разгоном продуктов сгорания в сопле и созданием силы тяги двигателя.
Количество внутренних и внешних гофров в основной камере сгорания определяется экспериментально с целью гарантированного разрушения подводимых импульсов в объем основной камеры сгорания при достижении ими сопла.
Таким образом, основная камера сгорания выполняет также функцию гасителя импульсов генератора ударных волн, включая их разрушение, и обеспечивает работу основной камеры при постоянном давлении.
При таком сгорании горючей смеси в сопло поступает суммарный смешанный гомогенный стационарный поток, состоящий из продуктов сгорания генератора ударной волны и продуктов сгорания, находящихся между двумя импульсами ударной волны в основной камере сгорания.
Дальнейший разгон продуктов сгорания в сопле, создает тягу двигателя.
Качественная и количественная картина разгона продуктов сгорания в сопле Лаваля близка работе сопла жидкостного ракетного двигателя.
На фиг. 3 представлено схемное решение предложенного устройства реактивного двигателя.
Двигатель состоит из трубчатого приемного устройства воздуха 6 из окружающей среды с входным диффузором, образованным центральным телом 7 в виде конуса. Трубчатое приемное устройства воздуха 6 на выходе соединено с основной камерой сгорания 5 длиной LК, которая в критическом сечении подсоединена к сверхзвуковой части сопла 8.
Генератор ударных волн 9, управляемый системой подачи горючей смеси 11 и системой поджога 17, снабжен детонационной трубой 10 для подачи импульсов ударной волны на вход основной камеры сгорания 5.
Детонационная труба 10 установлена под острым углом α к трубчатому приемному устройству 6.
Для подачи горючего в основную камеру сгорания 5 установлены форсунки двух типов. Форсунки 12 на входе в камеру и форсунки 13 в начале камеры, при этом форсунка 13 установлена в кольцевой предкамере 14. Для поджога горючей смеси установлена система поджога 18.
Основная камера 5 имеет кольцевые выпуклости, внешние гофры 15 и впадины, внутренние гофры 16 для разрушения импульсов 19 генератора ударных волн 9 и их смешения с горючим, поступившим в основную камеру сгорания от форсунок 12 и 13.
Позиции 19 схематически показывают продвигающиеся импульсы ударной волны в основной камере сгорания 5.
Количество внутренних 16 и внешних гофров 15 определяется экспериментально с целью гарантированного разрушения подводимых импульсов 19 в объем основной камеры сгорания при достижении ими сопла.
Реактивный двигатель работает следующим образом.
Включаются система 11 подачи горючей смеси в генератор ударных волн 9 и система 17 периодического ее поджога.
Образованные импульсы ударной волны поступают по детонационной трубе 10 на вход основной камеры сгорания 5.
Одновременно через форсунки 12 подается горючее. Импульсы ударной волны своими зонами разрежения захватывают воздух из приемного устройства 6 и горючее из форсунки 12 и подают эту смесь в основную камеру сгорания 5.
Из форсунки 13 осуществляется дополнительная подпитка горючим в основной камере сгорания в зоны пониженного давления между импульсами 19.
Для различных режимов работы устройства реактивного двигателя и с учетом типа применяемого горючего возможны несколько способов поджога горючей смеси в основной камере сгорания. Это возможный поджог за счет взаимодействия импульса 19 в начале образования горючей смеси на входе в основную камеру сгорания 5 и принудительный поджог системой поджога 18 в начале камеры сгорания.
Регулируя соотношение состава горючей смеси, воздух-горючее и с учетом типа применения горючего добиваются бездетонационного сгорания топлива в основной камере сгорания 5.
Факторами, влияющими на бездетонационное сгорание топлива в основной камере 5, являются степень обеднения горючей смеси горючим, применение более тяжелых углеводородных топлив с соотношением углерод - водород большим, чем у бензинов, а также применением антидетонационных присадок.
Горение смеси в основной камере сгорания 5 осуществляется при высоком давлении соответствующему максимальному давлению импульсов 19 ударной волны, поступающих на вход основной камеры сгорания.
Таким образом, импульсы, поступающие на вход в основную камеру сгорания 5, играют роль огневого днища, аналогично днищу камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, и таким образом задают давление в основной камере сгорания 5.
Импульсы ударной волны 19, с захваченными порциями горючей смеси, продвигаясь вдоль основной камеры сгорания 5 взаимодействуют с выпуклости 15 и впадинами 16 и разрушаясь, интенсивно взаимодействуют с горючей смесью, гомогенизируют ее, чем инициируют и стабилизируют ее горение при постоянным давлении.
Поток продуктов сгорания, поджатый импульсами ударной волны на входе в основную камеру сгорания 5, разгоняется в основной камере до скорости звука и поступает в расширяющуюся часть сопла 8. При расширении продуктов сгорания в этой части сопла до давления окружающей среды, создается тяга двигателя, сила которой определяется давлением в камере сгорания и реакцией сопла на разгоняемый в нем поток продуктов сгорания.
На фиг. 4 представлен вариант схемного решения устройства реактивного двигателя с одной основной камерой сгорания и с двумя генераторами ударных волн.
Такое устройство позволяет повысить мощность двигателя за счет увеличения частоты импульсов ударной волны подаваемых на вход основной камеры сгорания, так и за счет повышения в ней давления.
Второй генератор ударных волн 21 расположен симметрично первому генератору 9 под углом 2α, соединен с входом основной камеры сгорания 5 через детонационную трубу 23, имеет систему подачи горючей смеси 20 и систему поджога 22, а для подачи горючего в основную камеру сгорания 5 установлены дополнительные форсунки 24 перед ее входом и форсунки 25 в ее начале.
Работа реактивного двигателя с двумя генераторами ударных волн принципиально ничем не отличается от работы двигателя с одним генератором ударных волн представленного на фиг. 3 за исключением того, что генераторы могут работать как синхронно, так и в противофазе.
При синхронной работе генераторов детонационных волн на вход основной камеры сгорания посылаются одновременно два импульса, что увеличивает силу импульса, а при работе в противофазе повышается частота воздействия импульсов на вход в основную камеру сгорания.
Возможны варианты схемных решений реактивного двигателя с количеством генераторов ударных волн более двух, расположенных равномерно или симметрично относительно входа основной камеры сгорания 5.
На фиг. 5 представлен вариант схемного решения устройства реактивного двигателя с одним генераторам ударных волн 9 с детонационной трубой 10, расположенного соосно с основной камерой сгорания 5 и двумя трубчатыми устройствами приемников воздуха 30 и 33, расположенных симметрично относительно генератора ударных волн 9.
Такое расположение генератора ударных волн позволяет одним импульсом ударной волны более плотно закрывать вход в основную камеру сгорания 5 и обеспечить более равномерное и симметричное распределение горючего и воздуха на входе в основную камеру сгорания.
Трубчатые приемники устройства воздуха 30 и 33 - снабжены индивидуальными круглыми диффузорами (сечение А-А) фиг. 6, образованные центральными телами 31 и 32, соответственно. Подсоединение приемников воздуха к основной камере сгорания показано в сечении Б-Б, фиг. 6.
Трубчатых устройств приемника воздуха может быть 2, 3 и более, с равномерным или симметричным расположением относительно основной камеры сгорания.
На фиг. 7 представлен вариант схемного решения устройства реактивного двигателя с одним генераторам ударных волн 49, расположенным соосно с основной камерой сгорания 5 и одним кольцевым концентричным трубчатым устройством приемника воздуха с единым диффузором, образованным одним кольцевым центральным телом.
Кольцевой концентричный трубчатый приемник воздуха 41 снабжен круглым кольцевым диффузорам (сечение А-А) фиг. 8, образованным кольцевым центральным телом 40. Подсоединение приемника воздуха к основной камере сгорания показано в сечении Б-Б, фиг. 8.
Генератор ударных волн 49 снабжен системой 52 подачи горючей смеси и системой поджога 50.
С генератора ударных волн 49 импульсы поступают на вход основной камеры сгорания 5 через детонационную трубу 51.
На фиг. 9 представлен вариант схемного решения устройства реактивного двигателя с одним генераторам ударных волн 69, расположенным соосно с основной камерой сгорания 5 и находящегося внутри устройства приемника воздуха 68 с конусным центральным телом 67.
Генератор ударных волн 69 снабжен системой 71 подачи горючей смеси и системой поджога 70.
С генератора ударных волн импульсы поступают на вход основной камеры сгорания 5 через конусную детонационную трубу 53.
Поток воздуха из приемника воздуха, проточная часть которого ограничена с наружной стороны трубой 68, а с внутренней стороны поверхностями конусного центрального тела 67, конусной и цилиндрической поверхностями генератора ударных волн 69 и конусной детонационной трубой 53 поступает в камеру сгорания 5.
С целью более полного заполнения воздухом конической детонационной трубы 53 она может иметь перфорированные отверстия по окружности или быть составной, с кольцевыми зазорами между элементами трубы.
Отмеченные конструктивные особенности детонационной трубы 53 на рисунке не показаны.
Форсунки 12 и 24 подачи горючего на вход в основную камеру сгорания расположены на наружной поверхности воздуховода 68.
Форсунки 13 и 25 подачи горючего расположены в начале основной камеры сгорания 5.
На фиг. 10 представлен вариант схемного решения устройства реактивного двигателя с одним генератором ударных волн, расположенным соосно с основной камерой сгорания, входная часть которой выполнена в виде диффузора с патрубком.
Генератор ударных волн 69 снабжен системой 71 подачи горючей смеси и системой поджога 70.
С генератора ударных волн импульсы поступают на вход основной камеры сгорания 5 через детонационную трубу 73.
Поток воздуха в воздуховоде, проточная часть которого ограничена с наружной стороны трубой 68, а с внутренней стороны поверхностями конусного центрального тела 67, конусной и цилиндрической поверхностями генератора ударных волн 69 и детонационной трубой 73, поступает в основную камеру сгорания 5, входная часть которой выполнена в виде диффузора с патрубком 74.
Патрубок 74, длина которого определяется экспериментально, позволяет предотвратить обратный удар газов из основной камеры в период между двумя импульсами ударной волны, за время поступления которых обратное истечение газов из основной камеры не успевает преодолеть путь равный длине патрубка 74.
С целью более полного заполнения воздухом детонационной трубы 73 она может иметь перфорированные отверстия по окружности или быть составной с кольцевыми зазорами между элементами трубы.
Отмеченные конструктивные особенности детонационной трубы 73 на чертеже не показаны.
В представленных вариантах используются генераторы ударных волн, в которых заложены различные способы их работы.
Ниже представлены варианты устройств генераторов ударных волн, способ работы которых основаны на машинном и не машинном преобразовании химической энергии топлива в энергию направленного потока импульсов ударных волн.
Так взятый за аналог и прототип патент DE 1020140011962 А1 имеет генератор ударных волн, который можно отнести к машинному преобразованию энергии.
Здесь авторами применено свободное движение поршня в цилиндре, при котором продукты сгорания при высоком давлении, в конце такта в высшей мертвой точке, распределяются на две части, одна из которых отводится в детонационную трубу, а вторая часть расходуется на сжатие вновь поступившей топливной смеси.
Предложенный генератор ударных волн относится к поршневым машинным преобразователям энергии со свободным движением поршней.
Такой тип машин имеет ряд серьезных недостатков, что не позволяет их применение в стационарных и транспортных энергоустановках. К ним следует отнести неуравновешенность предложенного преобразователя энергии, не решенная проблема первого, особенно повторного запуска и однорежимность работы. Особенно это относится к преобразователям энергии с детонационным сжиганием топлива.
Кроме того, детонационное сгорание топлива может привести к разрушению камеры сгорания и других подвижных частей устройства, поэтому необходимо применение газового накопителя энергии и амортизатора, смягчающего удары детонационной волны.
Предложенное изобретение [заявка №2016111931/20 (018746)] лишено перечисленных недостатков.
Это достигается за счет применения двух поршней со встречным движением, один из которых связан с газовым накопителем энергии выполняющим также роль амортизатора, движение которого синхронизировано с движением другого поршня, связанного с кривошипно шатунным механизмом и маховиком. Генератор ударных волн с машинным преобразованием энергии в идеализированной постановке представляет поршневую тепловую машину по преобразованию тепловой энергии, выделившуюся при сгорании различных видов топлива, в кинетическую энергию продуктов сгорания в виде движущихся импульсов давления в одном направлении. Принцип машинного преобразования включает в себя процесс адиабатного сжатия топливной смеси поршнем в цилиндре до температуры самовоспламенения или принудительного воспламенения, в результате которого происходит сгорание топлива, как в детонационном, так и в не детонационном режиме.
Для детонационного режима сгорания газообразного топлива характерны высокие скорости протекания процесса с выделением практически всей теплоты химической реакции за короткое время с возникновением высоких температур и высоких давлений продуктов сгорания.
Отвод части газа, при максимально достигнутом давлении продуктов сгорания осуществляется через окно в регулируемое сопло и далее в детонационную трубу.
При истечении продуктов сгорания с такими параметрами через регулируемое сопло образуется ударная волна, скорость распространения которой может существенно превышать скорость звука. При детонационном сгорании топлива образуется более короткий импульс, чем при бездетонационном сгорании.
Собственно генератором ударных волн является периодическое производство таких ударных импульсов с частотой равной частоте возвратно поступательного движения поршней. Базовым вариантом при создании машинного генератора детонационных волн был принят двухтактный цикл.
Таким образом, принят способ работы генератора ударных волн, при котором энергия продуктов сгорания при высоком давлении в конце такта в высшей мертвой точке распределяется на две части, одна из которых отводится в детонационную трубу, а вторая часть расходуется на сжатие вновь поступившей горючей смеси.
При этом осуществляют работу двух поршней со встречным движением, один из которых связан с газовыми накопителями энергии, выполняющим при этом также роль амортизатора и управляет формированием импульсов ударных волн, а второй - с кривошипно шатунным механизмом и маховиком и служит для сжатия новой порции горючей смеси.
В предложенном устройстве реализована работа двух поршней со встречным движением, один из которых связан с газовыми накопителями энергии и управляет формированием импульсов ударных волн, а второй с кривошипно шатунным механизмом и маховиком.
На фиг. 11. представлен генератор ударных волн с машинным преобразованием энергии теплоты выделившейся при сгорании топлива, с газовым накопителем энергии выполняющим роль также амортизаторов в котором давление газа не меняется и равно атмосферному давлению окружающей среды, принцип действия которого основан на создании разреженного пространства в цилиндре с поршнем с дальнейшим силовым воздействием газов атмосферного давления на поршень и применим при работе на высоте до 5 км. Количество энергии накопленной разреженным пространством определяется созданным объемом этого пространства при преодолении силы давления газов атмосферы окружающей среды.
Устройство состоит из единого цилиндра 73 в, котором размещены поршни 71 и 72 и камера сгорания 74.
Поршень 71 посредство шатуна 75 соединен с коленчатым валом 76 и маховиком 77.
Открытием и закрытием окон для подачи горючей смеси через окно 78 и сброса продуктов сгорания через окно 79 управляет поршень 71, а функции накопителя энергии силового импульса сгорания горючей смеси выполняет второй поршень 72, находящийся в цилиндре 73.
Поршень 72 жестко связан со штоком 87 на котором закреплены поршни 85 и 86, находящиеся в открытых с одной стороны цилиндрах 83 и 84, соответственно.
Цилиндры 83 и 84 сверху открыты для воздействия давления газов окружающей атмосферы на находящихся в них поршни 85 и 86, соответственно.
Для выхода газовой струи в детонационную трубу 91 импульса ударной волны в цилиндре 73 имеется окно 90, открытие которого связано с газовым накопителем энергии посредством поршня 72.
Для отвода газовой струи импульса ударной волны в детонационную трубу 91 имеется регулируемое сопло 102.
Принцип действия газового накопителя энергии основан на создании разрежения в полостях 81 и 82 цилиндров 83 и 84 с размещенными в них поршнями 85 и 86 с преодолением силы давления газов атмосферы окружающей среды при их движении под действием поршня 72.
Количество поршней для создания разрежения в данном случае показано два (85 и 86), но при создании конкретного устройства их может быть 3, 4 и более.
В момент прохождения поршнем 71 высшей мертвой точки осуществляется поджог системой зажигания 101 горючей смеси, в результате чего силовой импульс сгорания горючей смеси воспринимается поршнем 72, который уходит вверх и посредством штока 87 приводит в движение поршни 85 и 86, которые, преодолевая силу атмосферного давления создают разрежение в полостях 81 и 82.
Одновременно открывается окно 90 и часть газов при высоком давлении в виде газового импульса ударной волны, через регулируемое сопло 102 уходит в детонационную трубу 91.
Под действием силы атмосферного давления поршни 85 и 86 возвращаются обратно и передают накопленную энергию и энергию расширения оставшейся части продуктов сгорания, посредством поршня 71, шатуна 75 и коленчатого вала 76, маховику 77.
Поршень 71, двигаясь вниз, открывает окно 79, через которое сбрасывается оставшаяся часть продуктов сгорания в атмосферу, и далее через открывшееся окно 78 поступает свежая порция горючей смеси в камеру сгорания 74. Накопленная энергия маховика 77 расходуется на сжатие свежей порции горючей смеси при дальнейшем движении поршня вверх.
Задача управления накопителями энергии заключается в создании необходимого разрежения и его стабилизации в полостях цилиндров накопителей энергии в зависимости от давления окружающей среды и осуществляется с помощью устройства создания предварительного разрежения включающего в себя вакуумный насос 92, соединенный с вакуумным ресивером 99, трубопроводом 93, на линии которого установлен управляемый вентиль 94, трубопровод 95 подсоединенный к полостям 81 и 82 посредством блока управления 96.
Для подачи воздуха в полости 81 и 82 имеется трубопровод 97 с управляемым вентилем 98.
Если нужно поднять давление в полостях цилиндров накопителей энергии открывается регулируемый вентиль 98, а для создания более глубокого разрежения открывается регулируемый вентиль 94.
Более точная настройка давления осуществляется с помощью блока управления 96, с подключенными к нему датчика перемещений 100 и датчика разрежения 103. При этом учитываются режимные и переходные характеристики процессов генератора ударных волн.
Подготовка горючей смеси и ее подвод в цилиндр двигателя, регулирование процессом детонационного сгорания топливной смеси, организация отвода продуктов сгорания на рисунке не показаны.
На фиг. 12 представлен генератор ударных волн с машинным преобразованием энергии теплоты, выделившейся при сгорании топлива, с устройством газовых накопителей энергии, выполняющих роль также амортизаторов, совмещающих в себе накопители энергии связанные одновременно, как с созданием разрежения, так и сжатием воздуха.
Такой накопитель энергии позволяет работать генератору ударных волн в разреженных слоях атмосферы, более 5 км.
Устройство состоит из единого цилиндра 105 разделенного перегородкой 122 и с крышкой 118, в каждой части которого находятся поршни 85 и 86 жестко соединенные со штоком 87 и с поршнем 72.
При движении поршня 72 в газовых пространствах 81, 82 цилиндра 105 происходит разрежение воздуха, а в газовых полостях 121, 120 цилиндра 105 происходит сжатие воздуха. Таким образом, роль накопителя энергии выполняет воздух под давлением созданным в полостях 120 и 121.
Управление газовыми накопителями энергии осуществляется аналогично управлению устройства, представленном на фиг. 11.
Управление накопителем энергии сжатого воздуха осуществляется с помощью создания давления в газовых полостях 121, 120 цилиндра 105 компрессором 111 по линии 110, на которой установлены газовый баллон 112 и управляемый вентиль 113. Для сброса воздуха из газовых полостей 121, 120 имеется трубопровод 126, на линии которого установлен управляемый вентиль 125.
Для контроля давления в газовых полостях 121 и 120 установлен датчик давления 114 с выводом данных на блок управления 96.
Блок управления 96 с помощью управляемых вентилей 125, 113 и компрессора 111, а также с учетом давления в полстях 81 и 82 создает и стабилизирует в полостях 120 и 121 давление воздуха. Также блок управления 96 создает и стабилизирует разрежение в полостях 81 и 82.
Ниже представлен вариант устройства генератора ударных волн, принцип действия которого основан на не машинном преобразовании химической энергии топливной смеси в энергию направленного потока импульсов ударных волн.
Так взятый за аналог и прототип патент RU 2429366 можно отнести к генератору ударных волн с не машинным преобразователем энергии, который одновременно является реактивным двигателем. Здесь представлен пульсирующий воздушно реактивный двигатель, в котором создаются условия взрывного сгорания горючей смеси в камере сгорания с дальнейшим выбросом продуктов сгорания через резонансную трубу с целью создания тяги.
Такой двигатель представляет собой генератор ударных волн и если его рассматривать только в таком виде, то представленный генератор может эффективно работать при его предварительном разгоне до скоростей больших скорости звука. При таком условии, взрывной характер горения топливной смеси позволяет осуществить выброс продуктов сгорания в резонансную трубу, так как впускной канал запирается скачком уплотнения образованным на острие центрального тела в виде конуса.
Указанного недостатка лишен предложенный генератор ударных волн, работа которого основана на взрывном характере горения топливной смеси в закрытом объеме камеры сгорания с выбросом продуктов сгорания только в детонационную трубу и не зависит от скорости его передвижения в воздушном пространстве.
На фиг. 13 представлен генератор ударных волн с преобразованием энергии теплоты, выделившейся при сгорании топливной смеси, в энергию направленного потока импульсов ударной волны без предварительного сжатия топливной смеси в камере сгорания.
Принцип действия такого генератора основан на способности топливной смеси детонировать без предварительного сжатия.
Генератор состоит из камеры 136 детонационного сгорания горючей смеси, соединенной с детонационной трубой 135 для отвода импульсов ударной волны.
Подвод газообразных горючего и окислителя в камеру детонационного сгорания 136 осуществляется раздельно с помощью трубопроводов 132 и 130 при одинаковом давлении в смеситель 131, после которого подготовленная смесь попадает через капиллярную трубную доску 133 в камеру сгорания. Для поджога горючей смеси и стабилизации частоты импульсов в камере детонационного сгорания 136 используется система поджога 134.
Капиллярная трубная доска 133 собрана из капиллярных трубок с высокой теплоаккумулирующей способностью и высокой теплопроводностью, например, из меди.
Генератор работает при близком к стехиометрическому соотношению горючего и окислителя, находящихся в газообразном состоянии. В качестве горючего может быть водород и углеводородные соединения с высоким содержанием водорода, например, метан, этан, пропан, ацетилен, а в качестве окислителя кислород или фтор.
Смеси таких составов могут детонировать при их поджоге без предварительного сжатия.
Генератор ударных волн работает следующим образом.
В первом цикле запуска газообразные горючее и окислитель через трубопроводы 130 и 132 при одинаковых давлениях поступает в камеру смесителя 131 и далее через капиллярную трубную доску в камеру детонационного сгорания 136. После поджога горючей смеси системой поджога 134 происходит ее сгорание в детонационном режиме, а возникший импульс ударной волны, отражаясь от капиллярной трубной доски, поступает в детонационную трубу 135 в которой вместе с воздухом, находящейся в трубе и, уплотняя его, выходит вместе с ним наружу.
Капиллярная трубная доска из за высокого гидравлического сопротивления каждого капилляра, а также высоких теплоаккумулирующих и теплопроводящих свойств препятствует проникновению пламени в камеру смешения 131.
После выхода ударного импульса из детонационной трубы 135 в нее устремляется воздух и происходит ее заполнение.
Одновременно со стороны капиллярной трубной доски 133, через ее капилляры поступает горючая смесь и заполняет камеру сгорания 136.
После встречи фронтов воздуха со стороны детонационной трубы и горючей смеси со стороны камеры сгорания производится следующий поджог свежей горючей смеси системой поджога 134.
Частота поджога определяется скоростью заполнения камеры сгорания 134 горючей смесью через капиллярную трубную доску 133 и скоростью заполнения воздухом детонационной трубы 135.
В качестве системы поджога могут быть применены свечи, например, с электрическим, электромагнитным и лазерным воздействием на горючую смесь.
На фиг. 14 представлены варианты исполнения труб для отвода импульсов ударной волны из детонационной камеры сгорания, где:
а - труба цельная, состоящая из одной трубы,
б - труба цельная перфорированная из одной трубы,
в - труба составная из цилиндрических элементов,
г - труба составная из конических элементов.
1. Пульсирующий двигатель детонационного горения с входным диффузором и соплом, отличающийся тем, что содержит две камеры сгорания, одна из них работает в качестве генератора детонационных ударных волн, импульсы которых с помощью детонационной трубы подают воздух в другую - основную камеру сгорания, в которой происходит сгорание подведенного в нее горючего при давлении близкого к давлению подаваемых импульсов генератора ударных волн, с дальнейшим разгоном потока суммарных продуктов сгорания в сопле и созданием тяги двигателя.
2. Пульсирующий двигатель по п. 1, отличающийся тем, что импульсы генератора ударных волн с присоединенным воздухом подаются посредством детонационной трубы на вход основной камеры сгорания под острым углом, а сам генератор ударных волн расположен вне проточной части воздушно-реактивного двигателя.
3. Пульсирующий двигатель по п. 1, отличающийся тем, что количество генераторов детонационных волн с детонационными трубами может быть 2, 3 и более с равномерным расположением детонационных труб по периметру входа в основную камеру сгорания.
4. Пульсирующий двигатель по п. 1, отличающийся тем, что основная камера сгорания снабжена внутренними и внешними гофрами, а их количество определяется экспериментально с целью гарантированного разрушения подводимых импульсов в объем основной камеры сгорания при достижении ими сопла.
5. Пульсирующий двигатель по п. 1, отличающийся тем, что основная камера сгорания снабжена форсунками подачи горючего перед входом в камеру сгорания и в ее начале, где также установлена система поджога горючей смеси.
6. Пульсирующий двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве системы поджога могут быть свечи, например, с электрическим, электромагнитным и лазерным воздействием на горючую смесь.
7. Пульсирующий двигатель по п. 1, отличающийся тем, что генератор ударных волн с детонационной трубой расположен соосно с основной камерой сгорания, а трубчатые устройства приемников воздуха, количество которых может быть 1, 2, 3 и более, расположены равномерно по окружности на входе основной камеры сгорания.
8. Пульсирующий двигатель по п. 1, отличающийся тем, что генератор ударных волн расположен соосно с основной камерой сгорания и кольцевым концентричным трубчатым устройством приемника воздуха с единым диффузором, образованным кольцевым центральным телом.
9. Пульсирующий двигатель по п. 1, отличающийся тем, что генератор ударных волн с конусной детонационной трубой расположен соосно с основной камерой сгорания и находится внутри устройства приемника воздуха с конусным центральным телом.
10. Пульсирующий двигатель по п. 1, отличающийся тем, что генератор ударных волн с цилиндрической детонационной трубой расположен соосно с основной камерой сгорания, входная часть которой выполнена в виде диффузора с патрубком.
11. Способ работы генератора ударных волн, при котором энергия продуктов сгорания при высоком давлении в конце такта в высшей мертвой точке распределяется на две части, одна из которых отводится в детонационную трубу, а вторая часть расходуется на сжатие вновь поступившей горючей смеси, отличающийся тем, что осуществляют работу двух поршней со встречным движением, один из которых связан с газовыми накопителями энергии и управляет формированием импульсов ударных волн, а второй - с кривошипно-шатунным механизмом и маховиком и служит для сжатия новой порции горючей смеси.
12. Способ работы генератора ударных волн по п. 11, отличающийся тем, что газы продуктов сгорания в виде импульса ударной волны уходят в детонационную трубу через окно в цилиндре, сила открытия которого задается газовым накопителем энергии.
13. Способ работы генератора ударных волн по п. 11, отличающийся тем, что газовая струя импульса ударной волны поступает в детонационную трубу через регулируемое сопло.
14. Способ работы генератора ударных волн по п. 11, отличающийся тем, что газовый накопитель энергии создает регулируемое усилие за счет создания разрежения в герметичных цилиндрах с поршнями при воздействии на них силы давления продуктов сжигания топлива.
15. Способ работы генератора ударных волн по п. 14, отличающийся тем, что создание начального разрежения в полостях цилиндров газового накопителя энергии осуществляется с помощью регулирующего устройства, включающего в себя вакуумный насос, вакуумно-запорную арматуру, ресивер и датчик давления.
16. Способ работы генератора ударных волн по п. 11, отличающийся тем, что при работе газового накопителя энергии в разреженных слоях атмосферы, выше 5 км, роль накопителя энергии выполняет воздух под давлением в полостях цилиндров.
17. Способ работы генератора ударных волн по п. 16, отличающийся тем, что создание начального давления в полостях цилиндров газового накопителя энергии осуществляется с помощью регулирующего устройства, включающего в себя компрессор, газозапорную арматуру, ресивер и датчик давления.
18. Способ работы генератора ударных волн с применением в качестве горючей смеси газообразных горючего и окислителя, которые способны на детонационное горение смеси при ее поджоге без предварительного сжатия с непрерывной ее подачей в камеру сгорания, отличающийся тем, что горючее и окислитель в газообразном виде поступает в смеситель, откуда образованная горючая смесь непрерывным потоком поступает в камеру сгорания через трубную решетку, собранную из капиллярных трубок с высокой теплоаккумулирующей способностью и высокой теплопроводностью, например из меди.
19. Способ работы генератора ударных волн по п. 18, отличающийся тем, что в качестве горючего могут быть водород и углеводородные соединения с высоким содержанием водорода, например метан, этан, пропан, ацетилен, а в качестве окислителя - кислород или фтор.
20. Способ работы генератора ударных волн по п. 18, отличающийся тем, что в качестве системы поджога могут быть свечи, например, с электрическим, электромагнитным и лазерным воздействием на горючую смесь.
