способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя. Бесклапанный пульсирующий двигатель


Волновой бесклапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

 

М 106500

Класс 46g 1

СССР

ОПИСАНИК ИЗОЬ КТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Д. А. Шитов

ВОЛНОВОЙ БЕСКЛАПАННЫЙ ПУЛЬСИРУЮЩИЙ

ВОЗДУШ НО-РЕАКТИВ Hbl Й ДВИ ГАТЕЛ Ь

Заявлено 25 июня !956 г. за л1е 553789 в Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели бесклапанной схемы известны. Известно также применение испарителей топлива в пульсирующих воздушно-реактивных двигателях.

Предлагаемый двигатель отличается от известных тем, что в нем сочетаются бесклапанная схема с испарителем топлива.

Н а фиг. 1 изо бр а жена схем а предлагаемого пульсирующего воздушного реактивного двигателя первого варианта. Двигатель состоит из двух основных частей: корпуса и головки.

Корпус включает: камеру сгорания 1, змеевиковый испаритель топлива 2, форсуночный коллектор 3, резонансную трубу 4, свечу зажигания 5, топливный регулировочный кран б и соединительное кольцо 7 для сочленения головки с корпусом двигателя.

Головка состоит: из входного воздушного канала 8, U-обр азного кольцевого канала 9, выполняющего роль гидравлического клапана, винта 10 для регулирования сечения воздушного канала и опоры винта 11.

Второй вариант предлагаемого двигателя отличается от первого тем, что в нем основные конструктивные элементы, выбранные на основе экспериментального исследования первого варианта, облегчены и сварены. Кроме того, в этом варианте U-образный кольцевой канал сообщен не с атмосферой, а с пространством между кожухом двигателя и ооолочкой камеры сгорания.

Работа двигателя происходит следующим образом.

Для запуска двигателя необходимо создать скоростной напор воздуха на входе.

К моменту начала воспламенения камера сгорания заполнена топливо-воздушной смесью, и давление внутри двигателя близко к атмосферному. В результате воспламенения образуется фронт пламени, который быстро распространяется на весь объем камеры сгорания. Вначале происходит непрерывное го эенке с выходом продуктов сгоранй я е рез резон ансную трубу. № 106500

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 резонансную трубу, так и по J-образному кольцевому каналv.

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

Предмет изобретения

Волновой бесклапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель для моделей и учебно-демонстрационных целей, состоящий из корпуса и головки, включающих камеру сгорания, резонансную трубу, форсуночный коллектор впрыска топлива в камеру сгорания, свечу зажигания, воздушно-всасывающую и газо-отводящую систему каналов с регулирующим зазоры винтом в головке, отличающийся тем, что он выполнен с змеевиковым испарителем топлива, установленным у форсуночного коллектора.

Волновой бесклапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель Волновой бесклапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель Волновой бесклапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям с резонансными камерами сгорания

Изобретение относится к области реактивных двигателей, а более конкретно к реактивным двигателям, обеспечивающим в одном агрегате создание подъемной силы для вертикального подъема и тяги для горизонтального движения

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к ракетным двигательным установкам

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

Изобретение относится к технике, а конкретно к двигателям летательных аппаратов

Изобретение относится к области реактивного двигателестроения и электроэнергетики и позволяет повысить эффективность энергосиловых установок, используемых на летательных аппаратах и мобильных комплексах

Изобретение относится к пульсирующим детонационным двигателям, в которых используется магнитогидродинамическое управление потоком

Изобретение относится к области авиастроения и может быть использовано при проектировании летательных аппаратов различного назначения, в двигателестроении самолетов

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к двигателестроению, и может быть использовано для создания тяги на летательных аппаратах, других транспортных средствах, а также в энергетических установках

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано в аппаратах вертикального взлета, использующих пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (далее ПуВРД)

Волновой бесклапанный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, винты для авиамоделей

www.findpatent.ru

способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя - патент РФ 2429367

Изобретение относится к бесклапанным пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, в частности к двигателям беспилотных летательных аппаратов. Способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя включает, в частности, циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха. На входе в резонаторную трубу на цикле выброса продуктов сгорания осуществляют генерацию кольцевого вихря. Генерация кольцевого вихря в начальной части резонаторной трубы приводит к последующему росту разряжения внутри камеры сгорания во время цикла продувки и, как следствие, к большему наполнению ее атмосферным воздухом, что позволяет увеличить реактивную тягу бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя. 2 ил. способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, патент № 2429367

Рисунки к патенту РФ 2429367

Изобретение относится к бесклапанным пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, в частности к двигателям беспилотных летательных аппаратов.

Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б.Синярев, М.В.Добровольский Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с.19, 20). Он представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания.

Клапанная решетка представляет собой конструкцию из несущих элементов - поперечных стержней, подвижных элементов - плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.

Набегающий на двигатель поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги двигателя.

После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру поступает очередная порция воздуха и цикл повторяется.

Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом узла, создающего тягу пульсирующего двигателя и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком двигателе могут выполнять и другие устройства.

Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостаток - плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяга, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги, но главное - низкий ресурс клапанов.

Так же известны конструкции ПуВРД, использующие аэродинамические клапаны, "Нестационарное распространение пламени"./Под ред. Дж.Г.Маркштейна, М., МИР, 1968, с.401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические, которые описаны в патентах США № 2796735, 1957; № 2796734, 1957; № 2746529, 1956; № 2822037, 1958; 2812635, 1957.

К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и, соответственно, низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия).

В качестве прототипа принят способ создания реактивной тяги бесклапанным ПуВРД, описанный в патенте США № 3035413, НКИ 60-35.6 от 22.05.1962. Суть рассматриваемого способа заключается в периодическом взрываний топливо-воздушной смеси в камере сгорания и всасывании новой порции воздуха через впускной клапан при выбросе продуктов сгорания через резонаторную трубу. Причем характерно то, что процесс всасывания воздуха должен сопровождаться генерацией воздушного кольцевого вихря. Для этого впускной патрубок снабжается профилированной впускной частью, заканчивающейся уступом в начале впускного клапана, см. прототип, фиг.1, 2, 3 и 5. Достоинством данного способа создания реактивной тяги является техническая простота его реализации. Недостатком же такого способа создания реактивной тяги является низкая амплитуда пульсаций давления и, следовательно, низкая реактивная тяга.

Характерной особенностью рабочего цикла ПуВРД является невысокая степень наполнения камеры сгорания атмосферным воздухом.

Таким образом, воздействовать на рост амплитуды пульсации давления и, следовательно, увеличить реактивную тягу ПуВРД можно путем увеличения циклового наполнения камеры сгорания.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение реактивной тяги ПуВРД.

Достижение технического результата возможно за счет увеличения степени наполнения камеры сгорания за счет увеличения разряжения в камере сгорания, происходящего на цикле продувки в случае генерации в резонаторной трубе кольцевого вихря.

Для достижения технического результата, в известном способе повышения реактивной тяги бесклапанного ПуВРД, включающем, в частности, циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха, на входе в резонаторную трубу на цикле выброса продуктов сгорания осуществляют генерацию кольцевого вихря.

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания конкретного устройства ПуВРД, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие практическую реализацию предлагаемого способа повышения реактивной тяги бесклапанного ПуВРД. На фиг.1 показана известная схема газохода ПуВРД (прототип). На фиг.2 показана схема газохода ПуВРД, в котором реализуется заявляемый способ.

ПуВРД содержит камеру сгорания 1 с впускным клапаном 2, с профилированной впускной частью 3, заканчивающейся уступом и резонаторную трубу 4, которая в зоне стыковки с камерой сгорания 1 имеет профилированную вставку 5, заканчивающуюся уступом внутри резонаторной трубы 4.

Осуществляется заявляемый способ следующим образом. При взрыве топливо-воздушной смеси в камере сгорания 1 продукты сгорания начинают выбрасываться через резонаторную трубу 4 и впускной клапан 2. Далее наступает процесс всасывания, при котором продукты сгорания, движущиеся по резонаторной трубе 4, начинают всасывать атмосферный воздух через впускной клапан 2 в камеру сгорания 1. Увеличение объема всасываемого воздуха может быть достигнуто увеличением разряжения в камере сгорания 1. Для этого предлагается перевести характер течения в резонаторной трубе 4 из пульсирующего трубного течения в пульсирующее струйное течение. То есть сформировать из продуктов сгорания при каждом цикле выброса газа кольцевой вихрь внутри резонаторной трубы 4. Имея устойчивую гидродинамическую структуру кольцевой вихрь, при движении в резонаторной трубе 4, приведет к большему разряжению в камере сгорания 1 и, соответственно, к большему наполнению. Подобное явление исследовалось на примере работы газового эжектора (см. "О работе газового эжектора в пульсирующем режиме", С.Ю.Крашенинников, В.К.Ляхов, К.В.Мигалин. Известия ВУЗов "Авиационная техника", 1990, № 1, с.40-43, Казань) и показало, что формирование кольцевого вихря в канале смесителя эжектора способно в несколько раз увеличить коэффициент эжекции, а следовательно, в данном случае, и разряжение внутри камеры сгорания 1.

Таким образом, генерация кольцевого вихря в начальной части резонаторной трубы 4 приводит к последующему росту разряжения внутри камеры сгорания 1 во время цикла продувки и, как следствие, к большему наполнению ее атмосферным воздухом, что позволяет увеличить реактивную тягу бесклапанного ПуВРД.

Разумеется, предлагаемый способ не ограничивается приведенным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фигуре 2. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающий, в частности, циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха, отличающийся тем, что на входе в резонаторную трубу на цикле выброса продуктов сгорания осуществляют генерацию кольцевого вихря.

www.freepatent.ru

способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя - патент РФ 2429366

Изобретение относится к бесклапанным пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, в частности к двигателям беспилотных летательных аппаратов. Способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя включает, в частности, циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха. Во впускном канале одновременно на цикле всасывания осуществляют генерацию двух кольцевых вихрей. Одновременная генерация на цикле всасывания двух кольцевых вихрей интенсифицирует массоперенос и горение, что приводит к росту амплитуды пульсаций давления и росту тяги двигателя. 2 ил. способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, патент № 2429366

Рисунки к патенту РФ 2429366

Изобретение относится к бесклапанным пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, в частности к двигателям беспилотных летательных аппаратов.

Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б.Синярев, М.В.Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с.19, 20). Он представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания.

Клапанная решетка представляет собой конструкцию из несущих элементов - поперечных стержней, подвижных элементов - плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.

Набегающий на двигатель поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги двигателя.

После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру поступает очередная порция воздуха и цикл повторяется.

Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом узла, создающего тягу пульсирующего двигателя и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком двигателе могут выполнять и другие устройства.

Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостаток - плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяга, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги, но главное - низкий ресурс клапанов.

Также известны конструкции ПуВРД, использующие аэродинамические клапаны, "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж.Г.Маркштейна. - М.: МИР, 1968, с.401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические, которые описаны в патентах США № 2796735, 1957; № 2796734, 1957; № 2746529, 1956; № 2822037, 1958; 2812635, 1957.

К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и соответственно низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия).

В качестве прототипа принят способ создания реактивной тяги бесклапанным ПуВРД, описанный в патенте США № 2639580, НКИ 60-35.6, от 26.05.1953, заключающийся в выбросе продуктов сгорания из камеры сгорания в резонаторную трубу и впускной раструб, см. фиг.1 названного патента. Достоинство данного способа создания реактивной тяги состоит в простоте технической реализации. Недостатком же такого способа создания реактивной тяги является низкая амплитуда пульсаций давления и, как следствие, тяга. Воздействовать на рост амплитуды пульсаций давления можно двумя путями. Первый - это модификация топлива детонирующими присадками. Второй - это воздействие на внутренние газодинамические процессы, определяющие интенсивность массообмена и соответственно скорость горения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение реактивной тяги ПуВРД.

Достижение технического результата возможно за счет интенсификации массообмена и роста скорости горения в камере сгорания в случае генерации во впускном раструбе не одного, а одновременно двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки.

Для достижения технического результата в известном способе повышения реактивной тяги бесклапанного ПуВРД, включающем, в частности, циклический выбросе продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха, во впускном канале одновременно на цикле всасывания осуществляют генерацию двух кольцевых вихрей.

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания конкретного устройства ПуВРД, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие практическую реализацию предлагаемого способа повышения реактивной тяги бесклапанного ПуВРД.

На фиг.1 показана известная схема газохода ПуВРД (прототип).

На фиг.2 показана схема газохода ПуВРД, в котором реализуется заявляемый способ.

ПуВРД содержит камеру сгорания 1 с впускным каналом 2 и топливными жиклерами 3. К камере сгорания 1 закреплена резонаторная труба 4. К впускному каналу 2 на пилонах 5 установлен конус 6.

Осуществляется заявляемый способ следующим образом. При взрыве топливо-воздушной смеси в камере сгорания 1 продукты сгорания начинают выбрасываться через резонаторную трубу 4 и впускной канал 2. Далее наступает процесс всасывания, при котором продукты сгорания, движущиеся по резонаторной трубе 4, начинают всасывать атмосферный воздух через впускной канал 2 в камеру сгорания 1. Цикличность всасывания приводит к тому, что на внутренней кромке канала 2 при каждом цикле всасывания образуется кольцевой вихрь 7. При установке конуса 6 такой же кольцевой вихрь 8 образуется и на его срезе. Далее эти два вихря, перемещаясь внутрь камеры сгорания 1, имея противоположные направления вращения, инициируют интенсивный массоперенос внутрь камеры сгорания 1. Таким образом, одновременная генерация на цикле всасывания двух кольцевых вихрей интенсифицирует массоперенос и горение, что приведет к росту амплитуды пульсаций давления и росту тяги ПуВРД.

Разумеется, предлагаемый способ не ограничивается приведенным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фиг.2. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающий, в частности, циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха, отличающийся тем, что во впускном канале одновременно на цикле всасывания осуществляют генерацию двух кольцевых вихрей.

www.freepatent.ru

Способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя

Изобретение относится к бесклапанным пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, в частности к двигателям беспилотных летательных аппаратов. Способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя включает, в частности, циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха. Во впускном канале одновременно на цикле всасывания осуществляют генерацию двух кольцевых вихрей. Одновременная генерация на цикле всасывания двух кольцевых вихрей интенсифицирует массоперенос и горение, что приводит к росту амплитуды пульсаций давления и росту тяги двигателя. 2 ил.

 

Изобретение относится к бесклапанным пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, в частности к двигателям беспилотных летательных аппаратов.

Известен пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (далее ПуВРД) немецкой крылатой ракеты времен Второй мировой войны Фау-1 (см. Г.Б.Синярев, М.В.Добровольский. Жидкостные ракетные двигатели. - Оборонгиз, 1957, с.19, 20). Он представляет собой открытый с обоих торцов канал круглого поперечного сечения, включающий последовательно расположенные входной диффузор, клапанную решетку, камеру сгорания и выходное устройство, состоящее из конфузора и выхлопной трубы, а также систему топливоподачи и систему зажигания с электрозапалом, установленным в камере сгорания.

Клапанная решетка представляет собой конструкцию из несущих элементов - поперечных стержней, подвижных элементов - плоских упругих пластин постоянной толщины, прикрепленных к боковым граням стержней попарно параллельно друг другу на расстоянии, равном толщине стержня, и опорных проставок, размещенных посредине между парами пластин параллельно им. В каждой паре между пластинами имеется глухой зазор, обращенный назад. Пластины и проставки образуют продольные каналы для прохода воздуха.

Набегающий на двигатель поток проходит через воздухозаборник и клапанную решетку в камеру сгорания. Туда же подается легкоиспаряющееся топливо, после чего топливовоздушная смесь воспламеняется искрой электрозапала. Быстро расширяющиеся во все стороны продукты сгорания, попадая в глухой зазор между пластинами, тормозятся, в результате чего давление там возрастает. Это вызывает изгиб пластин в стороны до контакта с опорными проставками или боковыми стенками. Воздушные каналы клапанной решетки оказываются перекрытыми. Продукты сгорания истекают через сопло в атмосферу, а их давление на закрытую клапанную решетку создает импульс тяги двигателя.

После падения давления пластины клапанной решетки под действием своей упругости, а также разрежения, создаваемого в камере инерцией истекающих газов, возвращаются в исходное положение. В камеру поступает очередная порция воздуха и цикл повторяется.

Клапанная решетка служит основным, но не единственным элементом узла, создающего тягу пульсирующего двигателя и включающего также боковые стенки, детали крепления и др. Кроме того, функцию создания тяги в таком двигателе могут выполнять и другие устройства.

Достоинствами ПуВРД с механическими клапанными решетками являются простота и дешевизна, небольшой вес, надежность. Их недостаток - плохие тяговые характеристики, а именно низкая удельная и лобовая тяга, высокий удельный расход топлива, импульсный характер тяги, но главное - низкий ресурс клапанов.

Также известны конструкции ПуВРД, использующие аэродинамические клапаны, "Нестационарное распространение пламени", под ред. Дж.Г.Маркштейна. - М.: МИР, 1968, с.401-407. Кроме того, ПуВРД, в которых осуществлена замена механических клапанов на аэродинамические, которые описаны в патентах США №2796735, 1957; №2796734, 1957; №2746529, 1956; №2822037, 1958; 2812635, 1957.

К недостаткам таких ПуВРД следует отнести низкую амплитуду пульсаций давления и соответственно низкий термодинамический КПД (коэффициент полезного действия).

В качестве прототипа принят способ создания реактивной тяги бесклапанным ПуВРД, описанный в патенте США №2639580, НКИ 60-35.6, от 26.05.1953, заключающийся в выбросе продуктов сгорания из камеры сгорания в резонаторную трубу и впускной раструб, см. фиг.1 названного патента. Достоинство данного способа создания реактивной тяги состоит в простоте технической реализации. Недостатком же такого способа создания реактивной тяги является низкая амплитуда пульсаций давления и, как следствие, тяга. Воздействовать на рост амплитуды пульсаций давления можно двумя путями. Первый - это модификация топлива детонирующими присадками. Второй - это воздействие на внутренние газодинамические процессы, определяющие интенсивность массообмена и соответственно скорость горения.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение реактивной тяги ПуВРД.

Достижение технического результата возможно за счет интенсификации массообмена и роста скорости горения в камере сгорания в случае генерации во впускном раструбе не одного, а одновременно двух кольцевых вихрей разнонаправленной закрутки.

Для достижения технического результата в известном способе повышения реактивной тяги бесклапанного ПуВРД, включающем, в частности, циклический выбросе продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха, во впускном канале одновременно на цикле всасывания осуществляют генерацию двух кольцевых вихрей.

Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Анализ известных технических решений в данной области техники показал, что предложенное устройство имеет признаки, которые отсутствуют в известных технических решениях, а использование их в заявленной совокупности признаков дает возможность получить новый технический результат, следовательно, предложенное техническое решение имеет изобретательский уровень по сравнению с существующим уровнем техники.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

Другие особенности и преимущества заявляемого изобретения станут понятны из следующего детального описания конкретного устройства ПуВРД, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие практическую реализацию предлагаемого способа повышения реактивной тяги бесклапанного ПуВРД.

На фиг.1 показана известная схема газохода ПуВРД (прототип).

На фиг.2 показана схема газохода ПуВРД, в котором реализуется заявляемый способ.

ПуВРД содержит камеру сгорания 1 с впускным каналом 2 и топливными жиклерами 3. К камере сгорания 1 закреплена резонаторная труба 4. К впускному каналу 2 на пилонах 5 установлен конус 6.

Осуществляется заявляемый способ следующим образом. При взрыве топливо-воздушной смеси в камере сгорания 1 продукты сгорания начинают выбрасываться через резонаторную трубу 4 и впускной канал 2. Далее наступает процесс всасывания, при котором продукты сгорания, движущиеся по резонаторной трубе 4, начинают всасывать атмосферный воздух через впускной канал 2 в камеру сгорания 1. Цикличность всасывания приводит к тому, что на внутренней кромке канала 2 при каждом цикле всасывания образуется кольцевой вихрь 7. При установке конуса 6 такой же кольцевой вихрь 8 образуется и на его срезе. Далее эти два вихря, перемещаясь внутрь камеры сгорания 1, имея противоположные направления вращения, инициируют интенсивный массоперенос внутрь камеры сгорания 1. Таким образом, одновременная генерация на цикле всасывания двух кольцевых вихрей интенсифицирует массоперенос и горение, что приведет к росту амплитуды пульсаций давления и росту тяги ПуВРД.

Разумеется, предлагаемый способ не ограничивается приведенным примером его осуществления, показанным на прилагаемой фиг.2. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.

Способ повышения реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, включающий, в частности, циклический выброс продуктов сгорания и всасывание атмосферного воздуха, отличающийся тем, что во впускном канале одновременно на цикле всасывания осуществляют генерацию двух кольцевых вихрей.

www.findpatent.ru

Способ создания реактивной тяги бесклапанного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя

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.

www.findpatent.ru

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель - это... Что такое Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель?

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель — Вариант Воздушно-реактивного двигателя. В ПуВРД используется камера сгорания с входными клапанами и длинное цилиндрическое выходное сопло. Горючее и воздух подаются периодически.

Цикл работы ПуВРД состоит из следующих фаз:

  • Клапаны открываются и в камеру сгорания поступает воздух и топливо, образуется воздушно-топливная смесь.
  • Смесь поджигается с помощью искры свечи зажигания. Образовавшееся избыточное давление закрывает клапан.
  • Горячие продукты сгорания выходят через сопло создавая реактивную тягу и технический вакуум в камере сгорания.

История

Первые патенты на пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД) были получены (независимо друг от друга) в 60-х годах XIX века Шарлем де Луврье (Франция) и Николаем Афанасьевичем Телешовым (Россия)[1].

Немецкие конструкторы, ещё накануне Второй мировой войны проводившие широкий поиск альтернатив поршневым авиационным двигателям, не обошли вниманием и это изобретение, долгое время остававшееся невостребованным. Наиболее известным летательным аппаратом (и единственным серийным) c ПуВРД Argus As-014 производства фирмы Argus-Werken, явился немецкий самолёт-снаряд Фау-1. Главный конструктор Фау-1 Роберт Люссер выбрал для него ПуВРД не ради эффективности (поршневые авиационные двигатели той эпохи обладали лучшими характеристиками), а, главным образом, из-за простоты конструкции и, как следствие, малых трудозатрат на изготовление, что было оправдано при массовом производстве одноразовых снарядов, серийно выпущенных за неполный год (с июня 1944 по март 1945) в количестве свыше 10 000 единиц.

После войны исследования в области пульсирующих воздушно-реактивных двигателей продолжились во Франции (компания SNECMA) и в США (Pratt & Whitney, General Electric), Результаты этих разработок заинтересовали США и СССР. Был разработан ряд опытных и экспериментальных образцов. Первоначально основная проблема ракет «воздух-поверхность» заключалась в несовершенстве инерциальной системы наведения, точность которой считалась хорошей, если ракета с дальности в 150 километров попадала в квадрат со сторонами 3 километра. Это привело к тому, что с боезарядом на основе обычного взрывчатого вещества данные ракеты имели низкую эффективность, а ядерные заряды в то же время имели ещё слишком большую массу (несколько тонн). Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель обладает большим удельным импульсом по сравнению с ракетными двигателями, но уступает по этому показателю турбореактивным двигателям. Существенным ограничением является также то, что этот двигатель требует разгона до рабочей скорости 100 м/с и его использование ограничено скоростью порядка 250 м/с. Когда появились компактные ядерные заряды, уже была отработана конструкция более эффективных турбореактивных двигателей. Поэтому пульсирующие воздушно-реактивные двигатели не получили широкого распространения.

Представители ракет «воздух-поверхность» с пульсирующим воздушно-реактивным двигателем.

  • Fi-103
  • 10Х · 14Х · 16Х - Благодаря использованию двух двигателей был достигнут практический предел скорости полета для ПуВРД — 980км/ч (270 м/с).
  • JB-2

Принцип действия и устройство ПуВРД

Изготовление авиамодели с ПуВРД

Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель (ПуВРД, англоязычный термин Pulse jet), как следует из его названия, работает в режиме пульсации, его тяга развивается не непрерывно, как у ПВРД или ТРД, а в виде серии импульсов, следующих друг за другом с частотой от десятков герц, для крупных двигатателей, до 250 Гц — для малых двигателей, предназначенных для авиамоделей.[2]

Конструктивно, ПуВРД представляет собой цилиндрическую камеру сгорания с длинным цилиндрическим соплом меньшего диаметра[3]. Передняя часть камеры соединена со входным диффузором, через который воздух поступает в камеру.

Между диффузором и камерой сгорания установлен воздушный клапан, работающий под воздействием разницы давлений в камере и на выходе диффузора: когда давление в диффузоре превышает давление в камере клапан открывается и пропускает воздух в камеру; при обратном соотношении давлений он закрывается.

Схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД): 1 — воздух; 2 — горючее; 3 — клапанная решётка; за ней — камера сгорания; 4 — выходное (реактивное) сопло.

Клапан может иметь различную конструкцию: в двигателе Argus As-014 ракеты Фау-1 он имел форму и действовал наподобие оконных жалюзи и состоял из наклёпанных на раму гибких прямоугольных клапанных пластинкок из пружинной стали; в малых двигателях он выглядит как пластина в форме цветка с радиально расположенными клапанными пластинками в виде нескольких тонких, упругих металлических лепестков, прижатых к основанию клапана в закрытом положении и отгибающихся от основания под действием давления в диффузоре, превышающего давление в камере. Первая конструкция намного совершеннее — оказывает минимальное сопротивление потоку воздуха, но гораздо сложнее в производстве.

Фау-1 Файл:Verpuffungsstrahltriebwerk.jpg гибкие прямоугольные клапанные пластинки

В передней части камеры имеются одна или несколько топливных форсунок, которые впрыскивают топливо в камеру, пока давление наддува в топливном баке превышает давление в камере; при превышении давлением в камере давления наддува, обратный клапан в топливном тракте перекрывает подачу топлива. Примитивные маломощные конструкции нередко работают без впрыска топлива, подобно поршневому карбюраторному двигателю. Для пуска двигателя в этом случае обычно используют внешний источник сжатого воздуха.

Для инициирования процесса горения в камере устанавливается свеча зажигания, которая создаёт высокочастотную серию электрических разрядов, и топливная смесь воспламеняется, как только концентрация горючего в ней достигает некоторого, достаточного для возгорания, уровня. Когда оболочка камеры сгорания достаточно прогревается (обычно, через несколько секунд после начала работы большого двигателя, или через доли секунды — малого; без охлаждения потоком воздуха, стальные стенки камеры сгорания быстро нагреваются докрасна), электрозажигание вовсе становится ненужным: топливная смесь воспламененяется от горячих стенок камеры.

При работе, ПуВРД издаёт очень характерный трещащий или жужжащий звук, обусловленный как раз пульсациями в его работе.

Схема работы ПуВРД

Цикл работы ПуВРД иллюстрируется рисунком справа:

  • 1. Воздушный клапан открыт, воздух поступает в камеру сгорания, форсунка впрыскивает горючее, и в камере образуется топливная смесь.
  • 2. Топливная смесь воспламеняется и сгорает, давление в камере сгорания резко возрастает и закрывает воздушный клапан и обратный клапан в топливном тракте. Продукты сгорания, расширяясь, истекают из сопла, создавая реактивную тягу.
  • 3. Давление в камере уравнивается с атмосферным, под напором воздуха в диффузоре воздушный клапан открывается и воздух начинает поступать в камеру, топливный клапан тоже открывается, двигатель переходит к фазе 1.

Кажущееся сходство ПуВРД и ПВРД (возможно, возникающее из-за сходства аббревиатур названий) — ошибочно. В действительности ПуВРД имеет глубокие, принципиальные отличия от ПВРД или ТРД.

  • Во-первых, наличие у ПуВРД воздушного клапана, очевидным назначением которого является предотвращение обратного движения рабочего тела вперёд по ходу движения аппарата (что свело бы на нет реактивную тягу). В ПВРД (как и в ТРД) этот клапан не нужен, поскольку обратному движению рабочего тела в тракте двигателя препятствует «барьер» давления на входе в камеру сгорания, созданный в ходе сжатия рабочего тела. В ПуВРД начальное сжатие слишком мало, а необходимое для совершения работы повышение давления в камере сгорания достигается благодаря нагреву рабочего тела (при сжигании горючего) в постоянном объёме, ограниченном стенками камеры, клапаном, и инерцией газового столба в длинном сопле двигателя. Поэтому ПуВРД с точки зрения термодинамики тепловых двигателей относится к иной категории, нежели ПВРД или ТРД — его работа описывается циклом Хамфри (Humphrey), в то время как работа ПВРД и ТРД описывается циклом Брайтона.
  • Во-вторых, пульсирующий, прерывистый характер работы ПуВРД, также вносит существенные различия в механизм его функционирования, в сравнении с ВРД непрерывного действия. Для объяснения работы ПуВРД недостаточно рассматривать только газодинамические и термодинамические процессы, происходящие в нём. Двигатель работает в режиме автоколебаний, которые синхронизируют по времени работу всех его элементов. На частоту этих автоколебаний оказывают влияние инерционные характеристики всех частей ПуВРД, в том числе инерция газового столба в длинном сопле двигателя, и время распространения по нему акустической волны. Увеличение длины сопла приводит к снижению частоты пульсаций и наоборот. При определённой длине сопла достигается резонансная частота, при которой автколебания становятся устойчивыми, а амплитуда колебаний каждого элемента — максимальной. При разработке двигателя эта длина подбирается экспериментально в ходе испытаний и доводки.

Иногда говорят, что функционирование ПуВРД при нулевой скорости движения аппарата невозможно — это ошибочное представление, во всяком случае, оно не может быть распространено на все двигатели этого типа. Большинство ПуВРД (в отличие от ПВРД) может работать, «стоя на месте» (без набегающего потока воздуха), хотя тяга, развиваемая им в этом режиме, минимальна (и обычно недостаточна для старта приводимого им в движение аппарата без посторонней помощи — поэтому, например, V-1 запускали с паровой катапульты, при этом ПуВРД начинал устойчиво работать ещё до пуска[4]).

Функционирование двигателя в этом случае объясняется следующим образом. Когда давление в камере после очередного импульса снижается до атмосферного, движение газа в сопле по инерции продолжается, и это приводит к понижению давления в камере до уровня ниже атмосферного. Когда воздушный клапан открывается под воздействием атмосферного давления (на что тоже требуется некоторое время), в камере уже создано достаточное разрежение, чтобы двигатель мог «вдохнуть свежего воздуха» в количестве, необходимом для продолжения следующего цикла.[5] Ракетные двигатели помимо тяги характеризуются удельным импульсом, являющимся показателем степени совершенства или качества двигателя. Этот показатель является также мерой экономичности двигателя. В приведённой ниже диаграмме в графической форме представлены верхние значения этого показателя для разных типов реактивных двигателей, в зависимости от скорости полёта, выраженной в форме числа Маха, что позволяет видеть область применимости каждого типа двигателей.

ПуВРД - Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, ТРД - Турбореактивный двигатель, ПВРД - Прямоточный воздушно-реактивный двигатель, ГПВРД - Гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель Двигатели характеризуют рядом параметров:

  • удельная тяга - отношение создаваемой двигателем тяги к массовому расходу топлива;
  • удельная тяга по весу — отношение тяги двигателя к весу двигателя.

В отличие от ракетных двигателей, тяга которых не зависит от скорости движения ракеты, тяга воздушно-реактивных двигателей (ВРД) сильно зависит от параметров полета - высоты и скорости. Пока не удалось создать универсальный ВРД, поэтому эти двигатели рассчитываются под определенный диапазон рабочих высот и скоростей. Как правило, разгон ВРД до рабочего диапазона скоростей осуществляется самим носителем либо стартовым ускорителем.

Характеристика РДТТ ЖРД ПуВРД ТРД ПВРД ГПВРД Рабочий диапазон скоростей, число Маха Удельная тяга, м/с Удельная тяга по весу
не ограничен 0.3-0.8 0-3 1.5-5 >5
2000-3000 2000-4000 ~7000 15000-30000
нет ~100 ~10

Другие пульсирующие ВРД

Бесклапанный ПуВРД Образцы бесклапанных (U-образных) ПуВРД[6].

В литературе встречается описание двигателей, подобных ПуВРД.

  • Бесклапанные ПуВРД, иначе — U-образные ПуВРД. В этих двигателях отсутствуют механические воздушные клапаны, а чтобы обратное движение рабочего тела не приводило к уменьшению тяги, тракт двигателя выполняется в форме латинской буквы «U», концы которой обращены назад по ходу движения аппарата, при этом истечение реактивной струи происходит сразу из обоих концов тракта. Поступление свежего воздуха в камеру сгорания осуществляется за счёт волны разрежения, возникающей после импульса и «вентилирующей» камеру, а изощрённая форма тракта служит для наилучшего выполнения этой функции. Отсутствие клапанов позволяет избавиться от характерного недостатка клапанного ПуВРД — их низкой долговечности (на самолёте-снаряде Фау-1 клапана прогорали приблизительно после получаса полёта, чего вполне хватало для выполнения его боевых задач, но абсолютно неприемлемо для аппарата многоразового использования).
  • Детонационные ПуВРД. (англоязычное название PDE) В этих двигателях горение топливной смеси происходит в режиме детонации (в отличие от дефлаграции, которая имеет место при горении топливно-воздушных смесей во всех ВРД, рассмотренных выше). Детонационная волна распространяется в топливной смеси гораздо быстрее, чем звуковая, поэтому за время химической реакции детонационного горения объём топливной смеси не успевает существенно увеличиться, а давление возрастает скачкообразно (до значений свыше 100 ат), таким образом имеет место изохорический (при постоянном объёме) нагрев рабочего тела. После этого начинается фаза расширения рабочего тела в сопле с образованием реактивной струи. Детонационные ПуВРД могут быть как с клапанами, так и без них.Потенциальным преимуществом детонационного ПуВРД считается термический КПД более высокий, чем в ВРД любого другого типа. Практическая реализация этого двигателя находится в стадии эксперимента[7].
Детонационный ПуВРД

Область применения ПуВРД

ПуВРД характеризуется как шумный и неэкономный, зато простой и дешёвый. Высокий уровень шума и вибрации вытекает из самого пульсирующего режима его работы. О неэкономном характере использования топлива свидетельствует обширный факел, «бьющий» из сопла ПуВРД — следствие неполного сгорания топлива в камере.

Испытания американского Мустанга P-51 с ПуВРД

Сравнение ПуВРД с другими авиационными двигателями позволяет довольно точно определить область его применимости.

ПуВРД во много раз дешевле в производстве, чем газотурбинный или поршневой ДВС, поэтому при одноразовом применении он выигрывает экономически у них (разумеется, при условии, что он «справляется» с их работой). При длительной эксплуатации аппарата многоразового использования, ПуВРД проигрывает экономически этим же двигателям из-за расточительного расхода топлива.

По простоте и дешевизне ПВРД практически не уступает ПуВРД, но на скоростях менее 0,5М он неработоспособен. На более высоких скоростях, ПВРД превосходит по эффективности ПуВРД (при закрытом клапане резко возрастает лобовое сопротивление ПуВРД и на околозвуковых скоростях оно «съедает» почти всю тягу, создаваемую этим двигателем).

Самодельный двигатель из нержавеющей стали

Совокупность этих обстоятельств и определяют ту нишу, в которой находит применение ПуВРД — беспилотные летательные аппараты одноразового применения с рабочими скоростями до 0,5М,— летающие мишени, беспилотные разведчики.[8] По тем же причинам, двигатель также применяется в авиамоделизме[9] .

Клапанные, так же, как и бесклапанные, ПуВРД имеют распространение в любительской авиации и авиамоделировании, благодаря простоте и дешевизне.

благодаря простоте и дешевизне, маленькие двигатели этого типа стали очень популярны среди авиамоделистов, и в любительской авиации, и появились коммерческие фирмы, производящие на продажу для этих целей ПуВРД и клапаны к ним (быстроизнашивающаяся запчасть). [10]

Примечания

  1. ↑ Соболев Д. А. История самолётов. Начальный период.. — М.: РОССПЭН, 1995. — 343 с.
  2. ↑ Выпускавшийся серийно в Германии (1944—1945гг) ПуВРД Argus As-014 ракеты Фау-1 работал на частоте пульсаций около 45гц
  3. ↑ Устройство и работу серийного клапанного ПуВРД модели «ДайнаДжет» можно подробно увидеть в видеофильме.
  4. ↑ См. видео о запуске V-1 с катапульты.
  5. ↑ ПуВРД Argus As-014 также мог работать в этом режиме, но развиваемая им при этом тяга была слишком мала, чтобы разогнать ракету Фау-1, поэтому она стартовала с катапульты, сообщавшей ей скорость, при которой двигатель становился эффективным.
  6. ↑ Иллюстрированное описание нескольких конструкций бесклапанных ПуВРД (на английском)
  7. ↑ Видеозаписи испытаний экспериментальных детонационных ПуВРД.
  8. ↑ Что касается получившего широкую известность боевого применения самолёта-снаряда Фау-1, оборудованного ПуВРД, нужно отметить, что даже по меркам периода Второй мировой войны он уже не отвечал требованиям к такому оружию по скорости: более половины этих снарядов уничтожались средствами ПВО того времени, главным образом, самолётами-истребителями с поршневыми двигателями, и своим умеренным успехом Фау-1 был обязан низкому уровню развития в то время средств заблаговременного обнаружения воздушных целей.
  9. ↑ Рольф Вилле "Постройка летающих моделей-копий", перевод с немецкого В.Н. Пальянова, Издательство ДОСААФ СССР, Москва 1986 (Rolf Wille "Flufahige, vorbildgetrene Nachbauten", Transpress VEB Verlag fur Verkehrswessen), ББК 75.725, глава 9 "Размещение двигателя на модели" страницы 114-118
  10. ↑ В России изготовлением беспилотных летательных аппаратов с ПуВРД занимается фирма "Эникс" в г.Казань. http://www.enics.ru/engine

Литература

Видео

brokgauz.academic.ru

Воздушно-реактивный бесклапанный пульсирующий двигатель

1. Воздушно-реактивный бесклапанный пульсирующий двигатель летательного аппарата, содержащий камеру сгорания, резонансную трубу, многоэжекторную систему впуска топливовоздушной смеси, топливную форсунку, топливную систему, змеевик-перегреватель, отличающийся тем, что вход змеевика-перегревателя, через который подают топливо из топливной системы в многоэжекторную систему впуска топливовоздушной смеси, расположен с задней по ходу движению летательного аппарата стороны; выходная часть многоэжекторной системы соединена с камерой сгорания в ее передней по ходу движения летательного аппарата части; топливная форсунка расположена во входной части многоэжекторной системы впуска; резонансная труба расположена с внешней стороны камеры сгорания; при этом выпуск выхлопных газов из резонансной трубы осуществляют в сторону, противоположную движению летательного аппарата.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что резонансная труба параллельна оси камеры сгорания.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ось многоэжекторной впускной системы направлена параллельно оси камеры сгорания.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что змеевик-перегреватель расположен в камере сгорания.

5. Двигатель по п.1 или 4, отличающийся тем, что выход камеры сгорания имеет конусообразную или коноидальную переходную часть к резонансной трубе.

6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что витки змеевика-перегревателя выполнены соприкасающимися.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что дно камеры сгорания выполнено плоским или имеет форму части сферы или конуса.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что дно камеры сгорания дополнительно имеет обратный обтекатель.

9. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что резонансная труба выполнена с переменным сечением по своей длине.

10. Двигатель по п.9, отличающийся тем, что упомянутое переменное сечение представляет собой конусное сечение с увеличением диаметра проходного сечения к месту выхлопа в атмосферу.

11. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на выходе многоэжекторной системы установлен стабилизатор пламени, выполненный в виде сетки или одной и более спиралей.

12. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что многоэжекторная система представляет собой систему, выполненную из по меньшей мере двух эжекторных систем, установленных параллельно на вход в камеру сгорания.

13. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что топливная форсунка имеет одно или более сопла для прохода топлива.

14. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что топливная форсунка устроена распылительной с распылением жидкого топлива газообразным топливом под давлением.

15. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что топливная система работает по вытеснительному типу под давлением наддува топливного бака выше, чем давление насыщенных паров жидкого топлива.

16. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что топливная система работает по насосному типу при работе насоса от электрического или механического привода.

17. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания образована змеевиком-перегревателем.

www.findpatent.ru