Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель
Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям (ПуВРД) и может быть использована в качестве силовой установки авиационного летательного аппарата. Задачей полезной модели является увеличение удельной тяги двигателя и снижение удельного расхода топлива по отношению к известным ПуВРД. Поставленная задача решена тем, что в ПуВРД содержащем, камеру сгорания, выполненную в виде цилиндра с передней и задней стенками, выхлопную трубу, состоящую из цилиндрической части и конуса, аэродинамические клапаны, в виде трубок встроенные в заднюю стенку камеры сгорания, свечу зажигания и топливопроводы с соплами на конце - задняя стенка выполнена плоской, а сопла топливопроводов размещены у обрезов аэродинамических клапанов, расположенных внутри камеры сгорания и направлены по их оси внутрь, на конце расширяющегося конуса выхлопной трубы установлено цилиндрическое сопло, а общая длина двигателя, включая длину камеры сгорания, выхлопной трубы с соплом, составляет 10-12 диаметров камеры сгорания. Длина камеры сгорания составляет 1,5-2,0 ее диаметра, диаметр сопла выхлопной трубы не более диаметра камеры сгорания, угол раскрытия конуса выхлопной трубы выбран 5-6°, а количество аэродинамических клапанов составляет один или более. Предлагаемая полезная модель обеспечивает увеличение удельной тяги в 2,8-3,4 раза и уменьшение расхода топлива в 1,4 раза по отношению к известному ПуВРД взятому за прототип.
Полезная модель относится к двигателестроению, в частности к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям (ПуВРД) и может быть использована в качестве силовой установки авиационного летательного аппарата.
Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, включающий камеру сгорания цилиндрической формы, клапан, установленный в передней стенке камеры сгорания, реактивное сопло, сопрягающееся с камерой сгорания, выхлопную трубу, передним концом соединенную с реактивным соплом и имеющую расширяющееся сопло на другом конце. (В.Бородин, «Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели летающих моделей самолетов», Издательство ДОСААФ. Москва 1958 г.)
Недостатком известного ПуВРД является небольшой ресурс, составляющий несколько часов работы двигателя (1-2 часа). Низкий ресурс двигателя обусловлен быстрым выходом из строя пластинчатых клапанов, которые испытывают большие динамические и термические нагрузки в процессе работы двигателя.
Наиболее близким к заявленному ПуВРД, как по принципу действия, так и по техническому устройству является двигатель, включающий цилиндрическую камеру сгорания, имеющую плоскую переднюю стенку и в виде сужающегося конуса заднюю стенку, цилиндрическую выхлопную трубу соединенную с задней стенкой и переходящую на заднем конце в небольшое расширяющееся коническое сопло. В задней стенке размещены на равном расстоянии и параллельно оси камеры сгорания аэродинамические клапаны с воздухозаборниками в виде цилиндрических трубок для подачи воздуха, так что они образуют равноугольную фигуру и топливопровод (патент США, №3517510, F 02 K 7/04) 1968 г.) прототип.
Однако, существенными недостатками прототипа ПуВРД являются большой удельный расход топлива (0,44-0,55 кг/N×час) и малая удельная тяга - тяга на единицу площади сечения камеры сгорания (0,4-0,54 N/см2 ) (Janes all the world's aircraft, 1977-78, стр.834). Указанные недостатки обусловлены нерациональным выбором относительных геометрических пропорций основных его элементов, размещением сопла топливопровода относительно клапанов и конструкцией задней стенки камеры сгорания.
Задача полезной модели состоит в повышении экономичности и увеличении удельной тяги двигателя за счет усовершенствования его конструкции путем выбора оптимальных геометрических пропорций и за счет совершенствования системы образования топливо -воздушной смеси.
Поставленная задача достигается тем, что в пульсирующем воздушно-реактивном двигателе, включающем камеру сгорания, выполненную в виде цилиндра круглого сечения с передней и задней стенками, выхлопную трубу, состоящую из цилиндрической части и расширяющегося конуса, передним концом цилиндрической части сопряженную с задней стенкой камеры сгорания,
аэродинамические клапаны в виде цилиндрических трубок для образования в них и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, с воздухозаборником на одном конце, встроенные в заднюю стенку другим концом, оси которых расположены параллельно оси камеры сгорания, свечу зажигания и топливопроводы с соплами на концах - задняя стенка камеры сгорания выполнена плоской, сопла топливопроводов размещены у обреза аэродинамических клапанов, расположенных внутри камеры сгорания и направлены по их оси внутрь клапанов, на конце расширяющегося конуса выхлопной трубы установлено цилиндрическое сопло, общая длина камеры сгорания и выхлопной трубы с соплом взятых вместе составляет 10-12 диаметров камеры сгорания, длина камеры сгорания составляет 1,5-2,0 ее диаметра, угол раскрытия конуса выхлопной трубы составляет 5-6°, диаметр сопла не более диаметра камеры сгорания, общая площадь сечений трубок аэродинамических клапанов к площади поперечного сечения камеры сгорания составляет 1:4, а количество аэродинамических клапанов составляет один или более.
Благодаря оптимизации геометрических размеров элементов двигателя и их компоновке обеспечена возможность увеличения удельной тяги и снижения удельного расхода топлива.
Полезная модель иллюстрируется схемой. На фиг1 - представлен продольный разрез пульсирующего воздушно-реактивного двигателя в варианте с двумя аэродинамическими клапанами, на фиг2 - сечение по А-А фигуры 1, фиг-3 - узел В на фиг-1. ПуВРД включает в себя камеру сгорания 1 длиной 1,5-2,0 ее диаметра, имеющей цилиндрическую форму круглого сечения с плоской или специальной формы передней стенкой 2 и плоской задней стенкой 3, выхлопную трубу 4 диаметром 0,5 диаметра камеры сгорания, состоящую из цилиндрической части и расширяющегося конуса 5, передним концом сопряженную с задней стенкой 3 камеры сгорания 1, на расширяющемся конусе 5, с углом раскрытия 5-6°, установлено цилиндрическое сопло 6 диаметром не более диаметра камеры сгорания, аэродинамические клапаны, в виде цилиндрических трубок 7, для приготовления и подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания, с воздухозаборником 8 на одном конце, встроенные в заднюю стенку 3 другим концом, оси которых расположены параллельно оси камеры сгорания. Общая площадь сечения аэродинамических клапанов 7 составляет Уд части площади поперечного сечения камеры сгорания 1, топливопроводы 9 с соплами на концах, для распыления топлива, размещены у обрезов аэродинамических клапанов 7 внутри камеры сгорания 1 и направлены по их оси внутрь клапанов, свечу зажигания 10, установленную на стенке камеры сгорания. Общая длина камеры сгорания и выхлопной трубы с соплом вместе взятых составляет 10-12 диаметров камеры сгорания.
Со стороны передней стенки может быть установлен носовой обтекатель 11. ПуВРД содержит один или более аэродинамических клапанов.
Двигатель работает следующим образом.
От внешнего источника со стороны воздухозаборников (на схеме не показано) аэродинамических клапанов подают сжатый воздух. Одновременно с
этим по топливопроводам 9 через сопла в них впрыскивают навстречу воздушному потоку топливо, образуя топливо - воздушную смесь, которая наполняет камеру сгорания 1.
В первоначальный момент топливовоздушную смесь воспламеняют от свечи зажигания 10. После выхода двигателя на рабочий режим, когда вновь поступающая в камеру сгорания топливовоздушная смесь воспламеняется от горячих газов, отключается электрическая свеча и подача сжатого воздуха в аэродинамические клапаны. В процессе сгорания топливовоздушной смеси резко повышается давление в камере сгорания после чего газы устремляются из камеры сгорания в сторону выхлопной трубы и аэродинамических клапанов, создавая реактивную тягу. Движение газов показано сплошными стрелками на рис.1. Под действием повышенного давления в камере сгорания горячие газы движутся в выхлопной трубе в сторону сопла в виде газового «поршня», который по мере выхода основной массы газов из камеры сгорания создает в ней разряжение.
С другой стороны скорость газового «поршня» под действием разряжения падает до нуля, а затем получает обратное значение, газы начинают двигаться в сторону камеры сгорания. Вслед за ними в сопло поступает воздух из атмосферы (см. рис.1 пунктирные стрелки). К этому времени камера сгорания уже наполнилась очередной порцией топливовоздушной смеси через аэродинамические клапаны, т.к. их длина меньше, чем длина выхлопной части двигателя и движущиеся в обратном направлении газы поджимают и воспламеняют ее.
После того как воспламенится очередная порция топливовоздушной смеси цикл повторяется.
Таким образом, в рабочей трубе двигателя в процессе его работы происходит колебание газового потока: в период повышенного давления в камере сгорания газы движутся в сторону выхода, а в период пониженного давления - в сторону камеры сгорания. И чем интенсивнее колебание газового столба в рабочей трубе, тем глубже величина разряжения в камере сгорания и тем больше в нее поступает топливовоздушной смеси, что в свою очередь приводит к повышению давления, и следовательно, и к увеличению тяги развиваемой двигателем за цикл.
Увеличение уровня разряжения в заявленном устройстве двигателя осуществляется за счет установки в выхлопной трубе двигателя конуса, угол раскрытия которого выбран из условия минимальных потерь давления при движении выхлопных газов по нему. Цилиндрическое выхлопное сопло установлено для увеличения объема всасываемого в двигатель воздуха в момент разряжения. В последующем цикле поступивший в сопло воздух выталкивается из сопла с большой скоростью, увеличивая тягу двигателя.
Выполнение задней стенки плоской, а не конической как у прототипа во-первых, позволяет уменьшить объем газов, который необходимо удалить из камеры сгорания в момент разряжения и во-вторых, улучшается нагрев топливовоздушной смеси за счет образования вихревых течений при внезапном
расширении газов втекающих в камеру сгорания из выхлопной трубы.
Улучшение смесеобразования происходит за счет соударения встречных струй воздуха из аэродинамических клапанов и топлива из форсунок топливопроводов.
Предлагаемая полезная модель ПуВРД работает как на бензине и дизельном топливе, так и на сжиженном газе, как пропан, бутан.
Опытный образец предлагаемой полезной модели был изготовлен и испытан в ОАО ОКБ «Сокол».
Результаты испытаний показали, что двигатель развивает удельную тягу в 2,8-3,4 раза большую, чем известный двигатель - прототип, а удельный расход топлива уменьшился в 1,4 раза.
Предлагаемая полезная модель, в результате оптимизации геометрических параметров и рациональной компоновке элементов конструкции позволяет улучшить тягово-экономические характеристики ПуВРД.
1. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, включающий камеру сгорания, выполненную в виде цилиндра круглого сечения с передней и задней стенками, выхлопную трубу, состоящую из цилиндрической части и расширяющегося конуса, передним концом цилиндрической части сопряженную с задней стенкой камеры сгорания, аэродинамические клапаны, в виде цилиндрических трубок для образования в них и подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, с воздухозаборником на одном конце, встроенные в заднюю стенку другим концом, оси которых расположены параллельно оси камеры сгорания, свечу зажигания, топливопроводы с соплами на концах, отличающийся тем, что задняя стенка камеры сгорания выполнена плоской, сопла топливопроводов размещены у обреза аэродинамических клапанов, расположенных внутри камеры сгорания и направлены по их оси внутрь клапанов, на конце расширяющегося конуса выхлопной трубы установлено цилиндрическое сопло, а общая длина камеры сгорания и выхлопной трубы с соплом взятых вместе составляет 10-12 диаметров камеры сгорания.
2. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что длина камеры сгорания выполнена равной 1,5-2,0 ее диаметра.
3. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что угол раскрытия конуса выхлопной трубы составляет 5-6°, а диаметр сопла не более диаметра камеры сгорания.
4. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что общая площадь сечений трубок аэродинамических клапанов взятых вместе к площади сечения камеры сгорания составляет 1:4.
5. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что он содержит один или более аэродинамических клапанов.
