Устройство реактивного двигателя с изменяемыми тяговыми усилиями

Полезная модель относится к реактивным установкам, содержащим двигатель иной, чем газовая турбина, и который приводит в действие нагнетатель и предназначено для использования на транспортных средствах с вертикальным взлетом и посадкой. Технический результат - длительная работоспособность, возможность изменения тяговых усилий за счет изменения расхода топлива, подаваемого в камеры сгорания и высокая надежность, а также отсутствие необходимости в хранении окислителя. Для этого устройство включает: топливный бак, четыре камеры сгорания, четыре сопла, а также четыре топливные насоса и два нагнетателя с входными направляющими аппаратами для окислителя - атмосферного воздуха, приводимые в движение от поршневого двигателя внутреннего сгорания, а из их корпусов, выходят трубы, расширяющиеся в конечной части для образования полостей камер сгорания, оканчивающихся сужающимся соплом для выхода потока, а топливные насосы приводятся во вращение от электродвигателей.

Полезная модель относится к реактивным установкам, содержащим двигатель иной, чем газовая турбина, и который приводит в действие нагнетатель и предназначено для использования на транспортных средствах с вертикальным взлетом и посадкой.

Известно устройство ракетного двигателя на твердом топливе, состоящее из камеры сгорания и реактивного сопла.

Недостатками устройства является кратковременность действия силы тяги, а также невозможность ее изменения. (см. Ю.В.Колесников //Детская энциклопедия. - 1974. 5. С.155-159.)

Известно устройство турбореактивного двигателя, развивающего тягу за счет силы реакции (силы отдачи) струи газов, вырывающихся из сопла, включающее: компрессор, камеру сгорания, турбину и сопло. Компрессор предназначен для сжатия воздуха и подачи его в камеру сгорания. В камеру сгорания под давлением впрыскивают горючее и поджигают его. Турбина вращает через вал компрессор.

Недостатком устройства является недолговечность турбины. (см. Л.В.Викторов// Детская энциклопедия. - 1974, 5. С.70-73.)

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является устройство жидкостного реактивного двигателя, включающее камеры сгорания, в которых смешиваются и воспламеняются компоненты топлива, насосы окислителя, насосы горючего, подающие в камеры горючее и окислитель, бак топлива, выходные сопла.

Недостатками устройства является то, что в известном устройстве имеется необходимость хранить окислитель, необходимый для окисления горючего, что увеличивает массу двигателя на величину массы окислителя. (см. Ю.В.Колесников// Детская энциклопедия. - 1974. 5. С.155-159.), принято за прототип.

Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является создание устройства реактивного двигателя, лишенного вышеизложенных недостатков, обладающего длительной работоспособностью и в котором обеспечивается возможность изменения тяговых усилий за счет изменения расхода топлива, подаваемого в камеры сгорания и высокая надежность, а также отсутствует необходимость в хранении окислителя.

Указанный технический результат достигается тем, что в разновидности известного устройства реактивного двигателя, включающей топливный бак, четыре камеры сгорания, четыре сопла, а также четыре топливные насоса и два нагнетателя с входными направляющими аппаратами для окислителя - атмосферного воздуха приводятся в движение от поршневого двигателя внутреннего сгорания, а из их корпусов, выходят трубы, расширяющиеся в конечной части, для образования полостей камер сгорания, оканчивающихся сужающимся соплом для выхода потока, а топливные насосы приводятся во вращение от электродвигателей.

На рисунке схематично изображено устройство реактивного двигателя с изменяемыми тяговыми усилиями, вид общий;

Устройство состоит из топливного бака 1, поршневого двигателя внутреннего сгорания 2, правого нагнетателя с входным направляющим аппаратом 3, левого нагнетателя с входным направляющим аппаратом 4, четырех топливных насосов 5, четырех электродвигателей 6.

При постоянных оборотах двигателя внутреннего сгорания 2, при постоянном давлении на входе в нагнетатели с поворотными входными направляющими аппаратами 3 и 4, при постоянном полном давлении в камерах сгорания, соответствующих расчетному режиму работы нагнетателей с высоким КПД и определенным расходом воздуха, а также выходу потока из сопел в расчетном режиме, когда расширение потока осуществляется до атмосферного давления и со скоростью в выходном сечении сопла близкой к скорости звука, увеличение подачи топлива в камеры сгорания, вследствие организованного в них процесса горения привело бы к возрастанию температуры, повышению давления и уменьшению расхода, вследствие более сильного расширения газов из-за повышения температуры, к выходу потока из сопел с недорасширением, т.е. с давлением выше атмосферного, вследствие чего появляется возможность вернуться к прежней величине давления воздуха в камере сгорания, но с большей температурой, а значит и к прежнему значению расхода воздуха, но не за счет снижения оборотов двигателя, а за счет расширения выходного сечения сопла, получив при этом уменьшение отрицательной тяги сопла, возникающей вследствие наличия давления на суживающихся стенках сопла, а вследствие этого и возрастание тяги двигателя, при сохранении затрачиваемой на вращение нагнетателей с поворотными входными направляющими аппаратами мощности.

Это показывает следующий сравнительный термодинамический расчет, проведенный для двух двигателей с одинаковыми давлениями в камере сгорания, с одинаковым расходом воздуха, но с различными температурами в камере сгорания, в предположении, что истечение газов из сопел осуществляется при числе Маха (M=1) и при атмосферном давлении, а скорости в камере сгорания малы и в них можно принять число Маха (М0),тогда:

В камере сгорания для М0 из формулы (1):

P - давление в сечении с некоторым числом М, Па;

P^* - давление в критическом сечении где М=1, Па;

k=1,4 для воздуха;

М - число Маха;

будем иметь, что отношение давления в камере сгорания к давлению в критическом сечении равно:

P - давление в сечении с числом М0 камеры сгорания, Па;

P^* - давление в критическом сечении с числом M=1, Па;

Из чего следует, что при наличии в критическом сечении принятого в расчете давления P^*=100000 Па, давление в камере сгорания будет составлять P=190000 Па.

Также при этом числе M=0 из формулы (3):

Т - температура в сечении с числом M, °K;

Т^* - температура в критическом сечении где M=1, °K;

k=1,4 для воздуха;

М - число Маха;

отношение принятой в камере сгорания температуры T₁=1073°K в первом случае и T₂=673°K во втором случае к температуре в критическом сечении при M=0 составляет:

Т - температура в сечении с числом М0 камеры сгорания, °K;

Т^* - температура в критическом сечении с числом M=1, °K;

Из чего следует, что температура в критическом сечении будет составлять в первом случае: , а во втором случае: .

Из чего можно определить плотность в критическом сечении в первом случае, для T₁=1073°K в камере сгорания плотность:

- плотность в критическом сечении, кг/м³;

- давление в критическом сечении, Па;

- газовая постоянная для воздуха;

а для T₂=673°K во втором случае:

- плотность в критическом сечении, кг/м³;

- давление в критическом сечении, Па;

- газовая постоянная для воздуха;

Скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе в первом случае составит:

- скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе, м/с;

k=1,4 для воздуха;

- газовая постоянная для воздуха;

- температура в критическом сечении с числом M=1, °K;

а скорость в критическом сечении составит:

- скорость в критическом сечении, м/с;

k=1,4 для воздуха;

- скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе, м/с;

Скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе во втором случае составит:

- скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе, м/с;

k=1,4 для воздуха;

- газовая постоянная для воздуха;

- температура в критическом сечении с числом M=1, °К;

а скорость в критическом сечении составит:

- скорость в критическом сечении, м/с;

k=1,4 для воздуха;

- скорость звука в адиабатически и изоэнтропически заторможенном газе, м/с;

Тогда площадь критического сечения сопла составит в первом случае:

F₁ - площадь критического сечения сопла, м²;

G - расход воздуха, кг/с;

- плотность в критическом сечении, кг/м³;

- скорость в критическом сечении, м/с;

Тогда площадь критического сечения сопла составит во втором случае:

F₂ - площадь критического сечения сопла, м²;

G - расход воздуха, кг/с;

- плотность в критическом сечении, кг/м³;

- скорость в критическом сечении, м/с;

Тогда тяга двигателя в первом случае составит не менее чем:

G - расход воздуха, кг/с;

- скорость в критическом сечении, м/с;

, а во втором случае тяга двигателя будет составлять не менее чем:

G - расход воздуха, кг/с;

- скорость в критическом сечении, м/с;

Из данного сравнительного расчета видно, что у обоих вариантов двигателей одинаковы значения расхода воздуха, одинаково давление в камерах сгорания, но имеется отличие температур в камерах сгорания, из-за чего у варианта с более высокой температурой площадь критического сечения, скорость истечения и тяга выше.

Устройство работает следующим образом.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания 2 вращает нагнетатели с поворотными входными направляющими аппаратами 3 и 4, всасывающие атмосферный воздух, топливные насосы 5 нагнетают топливо из топливного бака 1 в камеры сгорания, где осуществляется горение с образованием продуктов сгорания, и их выход в атмосферу через сужающиеся сопла.

Изменяя количество топлива, поступающего в камеры сгорания, за счет изменения оборотов электродвигателей 6 управляют возникающими тяговыми усилиями. Изменяя угол установки входных поворотных направляющих аппаратов, осуществляют управление возникающим крутящим моментом.

Устройство реактивного двигателя с изменяемым тяговым усилием, содержащее топливный бак, четыре камеры сгорания, четыре сопла, а также четыре топливные насоса и два нагнетателя с входными направляющими аппаратами для окислителя - атмосферного воздуха, отличающееся тем, что нагнетатели окислителя - атмосферного воздуха с входными направляющими аппаратами приводятся в движение от поршневого двигателя внутреннего сгорания, а из их корпусов выходят трубы, расширяющиеся в конечной части для образования полостей камер сгорания, оканчивающихся сужающимся соплом для выхода потока, а топливные насосы приводятся во вращение от электродвигателей.