Реактивный двигатель
Полезная модель относится к области двигателестроения, преимущественно авиационного и ракетного, и может быть использована во всех областях техники, где реализуется принцип реактивного движения. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в увеличении тяги и уменьшении уровня акустических шумов. Указанный технический результат достигается путем установки соосно с соплом газогенератора реактивного двигателя дополнительно объемного резонатора с выходным реактивным соплом, герметически соединенным с корпусом газового генератора. При работе реактивного двигателя в различных режимах, устанавливается устройство изменения внутреннего объема резонатора.
Полезная модель относится к области двигателестроения, преимущественно авиационного и ракетного, и может быть использована во всех областях техники, где реализуется принцип реактивного движения.
Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель [1], содержащий воздухозаборник, камеру сгорания с топливными форсунками, в которой, с целью повышения удельной тяги и импульса двигателя, установлена система инициации плазменного поршня, электромагнит, пара противолежащих электродов, подключенных к нагрузке, и сопло. Основными недостатками указанного двигателя являются: большая металлоемкость его, большие потери реактивной тяги и высокий уровень акустических шумов из-за турбулентности газового потока, истекающего из реактивного сопла.
Реактивный двигатель [2, 3], принятый в качестве прототипа, содержит газогенератор в виде камеры сгорания, реактивное сопло для создания реактивной тяги и формирования диаграммы истекающего газового потока, воспламенитель для поджига горючего топлива. В твердотопливных реактивных двигателях (ТТРД) в качестве топлива используется порох, опресованный в виде шашек, установленных внутри камеры сгорания. Воспламенение топлива при этом производится с помощью пиропатронов или спиральной нити накаливания. В жидкостных реактивных двигателях (ЖРД) внутри камеры сгорания сгорает смесь жидкого топлива с жидким окислителем, которые подаются в камеру сгорания с помощью трубопроводов или форсунок. Образовавшийся при этом газовый поток под
большим давлением со сверхзвуковой скоростью выбрасывается через реактивное сопло, создавая реактивную тягу в сторону противоположную истечению газа. Реактивное сопло обеспечивает увеличение скорости истечения газового потока, но из-за трения между отдельными струями. внутри газового потока и в приграничном слое, - внешняя поверхность газового потока - внутренняя поверхность корпуса газогенератора [4], происходит уменьшение кинетической энергии истекающего газового потока и, следовательно, уменьшение тяги и увеличения уровня акустических шумов реактивного двигателя.
Задачи, решаемые предлагаемым реактивным двигателем, состоят в увеличении тяги и уменьшения уровня акустических шумов реактивного двигателя путем установки объемного резонатора с выходным соплом. При работе реактивного двигателя в различных режимах, необходимо установить устройство изменения объема резонатора.
Поставленная задача решается тем, что в реактивном двигателе, содержащем газогенератор с соплом для формирования диаграммы истекающего газового потока, дополнительно соосно с первым соплом установлен объемный резонатор с выходным реактивным соплом, герметически соединенный с корпусом газогенератора (пункт 1 формулы). При необходимости, для изменения объема резонатора, введен блок управления с исполнительным механизмом, обеспечивающим перемещение резонатора относительно среза первого сопла по сигналам датчиков измерения частоты пульсаций газового потока и собственной резонансной частоты колебаний стенок резонатора до тех пор, пока эти частоты не будут равны или кратны (пункт 2 формулы). При этом, для обеспечения герметичности, резонатор соединен с корпусом газогенератора посредством уплотнителя, размещенного в канавках корпуса газогенератора (пункт 3 формулы).
Указанных необходимых отличительных признаков предлагаемого реактивного двигателя достаточно для всех случаев, на которые распространяются требования правовой охраны.
Наличие дополнительно установленного полого резонатора с выходным реактивным соплом, а также блока управления, обеспечивающим перемещение резонатора относительно среза сопла по сигналам датчиков измерения частоты пульсаций газового потока и собственной резонансной частоты колебаний резонатора, позволяют изменять акустический объем резонатора, добиваясь такого положения, при котором собственная резонансная частота резонатора совпадет или будет кратна с резонансной частотой пульсаций газового потока или будет кратна ей, а регулярные волнообразные сужения и расширения поперечного сечения газового потока и стенок резонатора будут перемещаться синхронно, совпадая по фазе. При этом наступает явление резонанса, при котором исключаются трения между отдельными струями внутри газового потока и между поверхностями в приграничном слое газового потока и внутренней поверхности стенок резонатора, а составляющие энергетических спектров газового потока и резонатора равные или кратные по частоте и фазе совмещаются, в результате чего широкополосный спектр преобразуется в монохроматический, узкополосный. Это позволяет кинетическую энергию газового потока, сосредоточенную в области одной частоты, согласованной с резонансной частотой резонатора, трансформировать без потерь, значительно повысить тягу реактивного двигателя и уменьшить уровень акустических шумов.
Систему, состоящую из генератора с реактивным соплом и резонатора с выходным реактивным соплом можно рассматривать как резонансный фильтр, резонансная частота которого равна [5].
fr - резонансная частота резонатора;
Cak - акустическая гибкость;
m ak - акустическая масса выходного реактивного сопла;
При этом Cak и mak определяются по формуле:
где:
V - объем резонатора;
р - плотность газа;
с - скорость движения звука в газе;
где:
S - площадь поперечного выходного реактивного сопла.
Выигрыш такой системы пропорционален добротности Q резонатора, которая зависит от акустических потерь, массы выходного реактивного сопла и значения резонансной частоты резонатора:
где:
Q - добротность резонатора;
R ak - акустические потери, определяемые для низких частот по формуле:
где:
- вязкость газа;
l - длина резонатора;
S - площадь поперечного сечения резонатора.
Описанную полезную модель реактивного двигателя с повышенным уровнем реактивной тяги и уменьшенным уровнем акустических шумов рассмотрим на примере жидкостного реактивного двигателя (ЖРД), в котором для образования газового потока используется жидкое топливо, возгорающееся при соединении с окислителем.
На фиг.1 представлена схема заявляемого ЖРД с устройством увеличения тяги, уменьшения уровня акустических шумов для различных режимов полета.
Полезная модель содержит газогенератор 1 в виде камеры сгорания 2 с распределительной головкой 3, в которой выполнены каналы 4 для подвода в камеру 2 сгорания окислителя и встроена форсунка 5 для распыления жидкого горючего. На выходе камеры 2 сгорания установлено сопло 6 для формирования диаграммы истекающего газового потока, образующегося в результате сгорания топливной смеси в камере 2 сгорания. Газогенератор 1 размещен в корпусе 7, имеющем трубопроводы 8 и 9 для подвода окислителя и горючего. На корпусе 7 газогенератора 1 посредством уплотнителя 10, размещенного в канавках 11 корпуса 7 установлен полый резонатор 12 в виде цилиндра с выходным реактивным соплом 13. Положение резонатора 12 может изменяться относительно среза первого сопла 6 по сигналам рассогласования, которые формируются в блоке управления 14 при поступлении сигналов от датчика 16 измерения частоты пульсаций газового потока и датчика 17 измерения резонансной частоты резонатора 12. Блок управления 14 управляет исполнительным механизм 15 в виде силового гидроцилиндра двухстороннего действия, концы штоков 18 которого крепятся к объемному резонатору 12. Насос лопастный подает гидравлическое масло из бака 22 по магистральным трубопроводам 21 в силовой гидроцилиндр 15. Блок управления 14 по сигналам датчиков 16 и 17 вырабатывает сигналы рассогласования, которые поступают на следящий
золотник 20 с электроуправлением и с помощью обратных клапанов 19 изменяют направление потока гидравлической жидкости и величину хода поршня силового гидроцилиндра 15, перемещая при этом с помощью штоков 18 резонатор 12 вдоль корпуса 7 газогенератора 1.
Процесс преобразования турбулентного широкополосного газового потока в монохроматический узкополосный поясняется на примере описания функционирования заявляемой полезной модели реактивного двигателя с увеличенной тягой и уменьшенным уровнем акустических шумов.
Образующиеся в результате воспламенения топливной смеси в камере 2 продукты сгорания истекают через сопло 6 в объемный резонатор 12 в виде турбулентного газового потока, содержащего струи, амплитуды и фазы которых изменяются во времени по случайному закону распределения, в результате чего энергетический спектр газового потока распределен в широкой полосе частот, содержит большое количество частотных составляющих. Для преобразования многочастотного турбулентного газового потока необходимо изменить акустический объем резонатора 12 таким образом, чтобы его собственная резонансная частота совпала с частотой пульсаций газового потока. Для этого блок 14 управления по сигналам датчика 17 измерения собственной резонансной частоты резонатора 12 и датчика 16 измерения частоты пульсаций газового потока вырабатывает сигналы рассогласования, управляющие работой следящего золотника 20 с электроуправлением, который с помощью соответствующего обратного клапана 19 обеспечивает прохождение гидравлической жидкости по соответствующей ветви магистрального трубопровода 21, перемещает поршень гидропривода 15 и связанного с ним резонатора 12 до тех пор, пока собственная частота колебаний резонатора 12 не станет равной частоте пульсаций истекающего газового потока. При этом наступает явление резонанса, при котором составляющие энергетических спектров газового потока и резонатора равные и кратные по частоте и фазе совмещаются, в результате чего спектр газового потока из широкополосного преобразуется в
монохроматический, узкополосный. Из-за того, что частотные характеристики резонатора 12 и газового потока согласованы, потери газового потока незначительны, что позволяет существенно увеличить тягу и уменьшить уровень акустических шумов реактивного двигателя.
Основным элементом предлагаемого устройства увеличения тяги реактивного двигателя является полый резонатор, который рекомендуется устанавливать на выходе реактивного двигателя, когда турбулентный широкополосный газовый поток сформирован. Поэтому предлагаемая полезная модель реактивного двигателя может быть использована при разработке различных видов реактивных двигателей: твердотопливных, жидкостных, турбореактивных, воздушно-реактивных, а также во всех устройствах, реализующих принцип реактивного движения.
Использованные источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №1803595 А1, МКИ F 02 К 7/02, опубликованное 23.03.1993 г. бюл.11.
2. Левинсон Я.И "Аэродинамика больших скоростей.", М, Оборонгиз, 1946 г
3. Иноземцев Н.В "Основы теории реактивного движения.", М., ДОСААФ, 1952 г.
4. Бергман Л. "Ультразвук и его применение в науке и технике", / под редакцией Григорьева В.С и Розенберга Л.Д / И Л, стр.№341, 342, 382-396. 1957 г.
5. Лепендин Л.Ф "Акустика.", М., Высшая школа, 1978 г.
1. Реактивный двигатель, содержащий газогенератор с соплом для формирования истекающего реактивного газового потока, отличающийся тем, что соосно с соплом газогенератора дополнительно установлен резонатор с выходным реактивным соплом, герметически соединенный с корпусом газового генератора.
2. Реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что введен блок управления со следящей системой и исполнительным механизмом, связанный с датчиками измерения частоты пульсаций истекающего газового потока и собственной резонансной частоты колебаний резонатора таким образом, чтобы обеспечить изменение внутреннего объема резонатора.
3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что резонатор соединен с корпусом газогенератора посредством уплотнителя, размещенного в канавках корпуса газогенератора.
