Ежекторний прямоструминний повітряно-реактивний двигун

1 Ежеісгорний прямоструминний повітрянореаісгивний двигун для літальних апаратів, який містить ввід з відносно малою площею перерізу, змішувач, ежектор, дифузор, камеру згоряння, систему постачання палива, вихлопне сопло та центральний обтічник, встановлений аксіально уздовж повздовжньої осі у камері згоряння та вихлопному соплі, який відрізняється тим, що змішувач розташований у вводі перед дифузором, в зоні перетину змішувача із вводом розташований блок інжектора, утворюючи ежектор та систему постачання потоку, з'єднану з блоком інжектора, дифузор розташований за змішувачем по ходу потоку, площа перерізу дифузора розширюється відносно змішувача по потоку, камера згоряння має більшу площу перерізу, ніж змішувач, вихлопне сопло має площу перерізу, яка розширюється відносно камери згоряння, далі за камерою згоряння по ходу потоку, з точкою стискання дроселя між камерою згоряння та вихлопним соплом, а на центральному обтічнику у вихлопному соплі змонтована перемінна система регулювання вихлопного сопла 2 Ежекторний прямоструминний повітрянореактивний двигун за п 1, який відрізняється тим, що блок інжектора містить кільце інжектора з кількома вихлопними соплами інжектора, причому головні осі вихлопних сопел інжектора паралельні повздовжній осі двигуна, а сусідні сопла інжектора розташовані навперемінно радіально під кутом, спрямованим у бік повздовжньої осі двигуна та у протилежний бік ВІДПОВІДНО, а кільця інжектора спираються на кілька розпірок, прикріплених до внутрішньої стінки двигуна 3 Ежекторний прямоструминний повітрянореактивний двигун за п 2, який відрізняється тим, що вихлопні сопла інжектора являють собою прорізи й мають пряму та зсунуту грані, що утворюють між собою горловину 4 Ежекторний прямоструминний повітрянореактивний двигун за п 1, який відрізняється тим, що система постачання палива являє собою камеру згоряння інжектора, розташовану ззовні ежектора 5 Ежекторний прямоструминний повітрянореактивний двигун за п 4, який відрізняється тим, що має теплообмінну систему для зрідження та зберігання зрідженого повітря, яке слугує окислювачем у камері згоряння інжектора 6 Ежекторний прямоструминний повітрянореактивний двигун за п 1, який відрізняється тим, що блок інжектора містить кільце інжектора, оснащене кількома камерами впорскування, кожна з яких з'єднана з вихлопним соплом інжектора, причому кільце інжектора спирається на кілька розпірок, прикріплених до внутрішньої стінки двигуна, а система постачання палива постачає плинні паливо та окислювач 7 Ежекторний прямоструминний повітрянореактивний двигун за п 6, який відрізняється тим, що головна вісь вихлопного сопла інжектора паралельна повздовжній осі двигуна, а сопла розташовані навперемінно радіально під кутом, спрямованим у бік повздовжньої осі двигуна та у протилежний бік ВІДПОВІДНО 8 Ежекторний прямоструминний повітрянореактивний двигун за п 7, який відрізняється тим, що вихлопні сопла інжектора являють собою прорізи й мають пряму та зсунуту грані, що утворюють між собою горловину 9 Ежекторний прямоструминний повітрянореактивний двигун за п 6, який відрізняється тим, що має теплообмінну систему для зрідження та зберігання зрідженого повітря, яке слугує окислювачем у камері згоряння інжектора 10 Ежекторний прямоструминний повітрянореактивний двигун за п 1, який відрізняється тим, що містить блок напрямних лопаток, що складається з напрямної лопатки з опорою на кілька розпірок, прикріплених до внутрішньої стінки двигуна, та центрального обтічника, який вставлений до дифузора в зоні течи плину, а система поста О C O О 1 ю 57103 чання палива на зверненому по течи плину КІНЦІ що перемінна система регулювання вихлопного напрямної лопатки має кілька сопел для випуску сопла містить рухому засувку, встановлену аксіапалива, з'єднаних із джерелом палива льно на центральному обтічнику в камері згорян11 Ежекторний прямоструминний повітряноня, та засіб регулювання положення рухомої засуреактивний двигун за п 1, який відрізняється тим, вки Винахід стосується силового пристрою для літальних апаратів, як от літаків, аерокосмічних апаратів, керованих та некерованих ракет Удосконалений двигун являє собою сполучення ежекторних та прямоструминних елементів, що забезпечує ефективність роботи двигуна у широкому діапазоні швидкостей - від нульової до гіперзвукових У літературі описано чимало варіантів конструкції прямоструминних повітряно-реактивних двигунів та використання інжекторів у таких двигунах з утворенням ежектора, який співпрацює з прямоточним циклом двигуна Втім, досі не створено реально працюючих ежекторних прямоструминних повітряно-реактивних двигунів, здатних діяти в інтервалі швидкостей польоту від нульової до гіперзвукових Ежекторний прямоструминний повітрянореактивний двигун обіцяє переваги поряд зі звичайним повітряно-реактивним двигуном, наприклад, у величині статичної тяги на рівні моря та тяги двигуна у польоті на малих висотах За однакових умов польоту ежекторний прямоструминний повітряно-реактивний двигун забезпечує більшу тягу двигуна, ніж звичайний Це набуває особливого значення при надзвуковому розгоні літального апарату та у польоті на гіперзвукових швидкостях, коли тяга прямрструминного двигуна може виявитися недостатньою Поліпшене згоряння завдяки підвищеному тиску та вищій температурі у камері згоряння дозволяє політ на більших висотах, ніж зі звичайним двигуном Ежекторний прямоструминний повітряно-реактивний двигун дозволяє також впорскувати надлишок окислювача, збагачуючи ним камеру згоряння, що додатково посилює тягу Пропонувалися різні шляхи форсування реактивних або прямоструминних реактивних двигунів, які описані, наприклад, у патенті США № 5129227 від 14 липня 1992 р та у патенті США № 5327721 від 12 липня 1994 р У патенті США № 5129227 пропонується подавати збагачене паливо до зони змішування у паливопроводі, утворюючи таким чином ежектор Ступінь еквівалентності та температура впорскуваного газу регулюються, аби уникнути згоряння у змішувальному паливопроводі Швидкісний ПОТІК уздовж стінок паливопроводу також керується конструкцією інжектора, не дозволяючи поширенню згоряння за межі камери згоряння Патент США № 3327721 пропонує досить складну систему, яка поліпшує захоплення плинного середовища порівняно з відомими рішеннями Керований інжектор чередує напрямок потоку первинного палива до ежектора так, що захоплюється вторинне плинне середовище Коливання первинного струму створюють обмін енергією між первиннім та вторинним потоками у тяговому ка налі у майже невязкому режимі Способи змішування плинних середовищ або пперзмішування описані в патенті США № 4257224 від 24 березня 1981 р та у статті Річарда Б Фанчера "Ежектори для посилення тяги з низьким співвідношенням площ" у журналі Journal of Aircraft, vol 9, No 3, March 1972, pp 243-248 У патенті США № 4257224 запропоновано спосіб та пристрій для поліпшення змішування двох плинних середовищ із застосуванням активного елементу біля початку зони змішування Обидва середовища приводять у коливання навколо осі, по суті перпендикулярної осі потоку в зоні змішування У статті Фанчера обговорюються різні способи пперзмішування та описується конструкція експериментального ежектора У цій конструкції використовується первинне сопло, розділене на 24 елементи завдовжки 1 1/2 дюйми (37мм) кожний Кожний з елементів надає масі, що виходить з нього, складову швидкості, перпендикулярну як головній осі сопла, так і осі потоку плину, напрямок цієї бокової складової швидкості у кожного елементу різний У цьому винаході запропоновано сполучення прямрструминного повітряно-реактивного двигуна, який має рухому засувку у вихідному соплі, інжектор, що складається з прорізних сопел з поперемінною орієнтацією відносно повздовжньої осі або осі плину двигуна й розташований на вхідному КІНЦІ зони змішування, та можливість створювати зовнішню або внутрішню відносно прямрструминного двигуна камеру згоряння, де виробляється газ для інжектора Щоб ежекторний прямоструминний повітряно-реактивний двигун міг працювати на літальних апаратах, які оперують в інтервалі швидкостей від нульової до гіперзвукових, можна застосувати цикл зрідженого повітря, коли інжектор використовує охолоджувальні властивості рідкого водню, який зберігається в апараті, для охолодження атмосферного повітря, котре слугує окислювачем у камері згоряння Накопичений надлишок зрідженого повітря може застосовуватися для підсилення повітряного потоку, який надходить з атмосфери, на висоті, де тиск потоку атмосферного повітря недостатній для підтримання горіння у камері згоряння Головною метою винаходу є створення конструкції ежекторного прямрструминного повітрянореактивного двигуна, здатного працювати в діапазоні швидкостей від нульової до гіперзвукових Інша ціль полягає в тому, щоб такий двигун міг працювати на висотах від рівня моря до 150000 футів (30км) Інші ЦІЛІ даного винаходу стануть очевидними з вивчення докладного опису та креслень, що наводяться нижче 57103 Нафіг 1 представлений вид у перспективі гоління дозволяє оптимізувати потрібну площу та ловних елементів потоку плинних середовищ ежемісце нормального стрибку ущільнення так, щоб кторного прямрструминного повітряно-реактивного поліпшити коефіцієнт корисної дії та корисну тягу двигуна у розрізі, щоб показати внутрішню будову, На фіг 1-3 ежекторний прямоструминний повіта із встановленим ззовні зсувним вводом тряно-реактивний двигун 1 має ввід 2, змішувач 4 з ежектором 3, дифузор 5 , камеру згоряння 6, Фіг 2 показує схематичний розріз ежекторного точку стиску дроселя 7 та вихлопне сопло 8, які прямоструминного повітряно-реактивного двигуна поєднані між собою уздовж повздовжньої осі або зі зрізаним вводом осі течи плину У найбільш прийнятному варіанті На фіг 3 представлений вид у плані інжектора, здійснення винаходу всі елементи розташовані в набраного з багатьох кілець, з прорізними вихідцілому симетрично уздовж повздовжньої осі двиними соплами гуна 9 Втім, у залежності до розташування прямоНа фіг 4 зображена частина кільця інжектора з струминного двигуна 1 у конкретному літальному вихлопними соплами, які то відсунуті від осі голоапараті такі елементи, як вихлопне сопло 8, мовного потоку, то наближені до неї жуть бути скошені, викривлені або зігнуті відносно Фіг 4 зображує розріз кільця інжектора, де каінших елементів так, щоб спрямовувати вихідний мера впорскування та вихлопне сопло інжектора потік У типовому прямоточному повітряновідсунуті від центру змішувача реактивному двигуні 1 за межами шляху течи плиФіг 6 представляє переріз кільця інжектора, де ну виконані кільця жорсткості, фланці та затяжки в камера впорскування та вихлопне сопло наближеОДНОСТІННІЙ вісесиметричній конструкції, надаючи ні до центру змішувача необхідної жорсткості для стримування конструкФіг 7 - вид у плані напрямних лопаток дифузоційних зусиль та міцного закріплення двигуна у ра з інжекторами палива літальному апараті В залежності від робочого На фіг 8 схематично зображений генератор середовища та часу праці двигуна може стати негарячого газу ежектора, розташований у блоці інобхідним охолодження його елементів та ізолюважектора льна плівка на ЗОВНІШНІЙ або внутрішній СТІНЦІ двиНа фіг 9 показано, як приховане тепло палива гуна Наприклад, камера згоряння 6 та точка - рідкого водню - використовується для виробленстиску дроселя 7 можуть мати засоби охолодження окислювача - зрідженого повітря ня, як от ДІЛЬНИЦІ на СТІНЦІ двигуна, де паливо Фіг 10 схематично зображує варіант здійсненрідкий водень - може завертатися з метою охолоня винаходу, в якому генератор гарячого газу ежедження двигуна й водночас розігріву палива для ктора розташований ззовні блоку інжектора і гаряполіпшення згоряння чий газ спрямовується до камери інжектора Ежекторний прямоструминний повітряноВ ежекторній ДІЛЬНИЦІ 3 змішувача 4 знахореактивний двигун - то вдосконалений прямострудиться інжекторний блок 10 з одного чи кількох минний двигун, що складається з вводу, змішуваінжекторних кілець 11, встановлених на шляху ча, дифузора, камери згоряння та вихлопного соптечи плину за допомогою розпірок 12 Інжекторні ла, тобто елементів чи блоків, розташованих у кільця 11 можуть являти собою прямоточні порожпевному порядку від вводу до вихлопного сопла нисті трубки з вихлопними соплами 13 впорскуДвигун може мати будь-яку форму, придатну для вання або прорізи в них, але найкраще інжекторне встановлення на літальному апараті та забезпекільце 11 являє собою кільцеву конструкцію з розчення праці його елементів у робочому циклі У ташованими навкруги інжекторних кілець 11 каменайбільш прийнятному варіанті здійснення винарами впорскування 25, як показано на фіг 4 - 6 ходу двигун має круглий переріз з прямокутним Головна вісь вихлопного сопла 13 інжектора провхідним обтічником Кільцевий блок інжектора з ходить паралельно повздовжній осі течи плину в камерами впорскування розташований на вхіднодвигуні, скеровуючи середовище, яке виходить з му КІНЦІ змішувача перпендикулярно до повздовжсопла, до загального потоку Втім, вихлопні сопла ньої осі двигуна, утворюючи ежекторний елемент 13 інжектора розташовані навперемінно одне до Кільцевий елемент інжектора може бути поєднаодного під кутом, зсунутим або скошеним від паний з камерою згоряння інжектора або з генераторалелі до повздовжньої осі двигуна, як показано ром гарячого газу ззовні змішувача, який виробляє на фіг 4 - 6 газ для впорскування крізь - сопла інжектора або Щодо фіг 2 - 6, в одному ДОСВІДІ ВИХЛОПНІ соппрорізи у КІЛЬЦІ інжектора до змішувача ла 13 інжектора були виконані у вигляді прорізів таким чином, що в сусідніх прорізах повздовжні осі Інжектори подачі палива до камери згоряння спрямовані під кутом 15° радіально у бік та протизнаходяться на вихідному КІНЦІ напрямних лопалежно повздовжній осі 9 двигуна навперемінно ток, встановлених у дифузорній секції Напрямні Проріз виконано так, що вихлопне сопло 13 інжеклопатки допомагають швидше розігнати потік газу тора має грань 37, паралельну до повздовжньої у дифузорі так, щоб плин не відривався від поверосі 9 двигуна, та зсунуту грань 38, отже, сопло хні дифузора На обтічнику центрального корпусу утворює горловину 39 потрібного перерізу для встановлена рухома заглушка, яка дозволяє регуроботи ежектора 3 Це додає газові, що виходить, лювати по осі вихідний отвір камери згоряння та складову швидкості, перпендикулярну до повздоплощу вихлопного сопла відносно точки стиску вжньої осі 9 двигуна та вводу 2 плину В результаті дроселя Рухома заглушка управляє режимом тисплин з сусідніх сопел навперемінно впорскується у ку двигуна, регулюючи місце нормального стрибку напрямку до внутрішньої стінки 14 двигуна та його ущільнення на вході з метою оптимального згоповздовжньої осі 9 у зоні змішування 4 Попереряння у двигуні шляхом визначення точки мінімамінне розташування вихлопних сопел 13 інжектора льної площі течи крізь дросель Методика управ 57103 8 забезпечує прискорене змішування плину, що виправильну геометрію забирання у робочому діапаходить з кілець 11 інжектора, із захопленим або зоні швидкостей, включаючи елементи корпусу розкрученим повітрям з вводу 2 Це дозволяє сколітального апарату, з метою підготовки повітря, ротити довжину зони змішування 4 ежекторного що забирається Центральний обтічник 17 признапрямоструминного повітряно-реактивного двигуна чений для дифузора 5, камери згоряння 6 та вихі1 В одному з ДОСВІДІВ використовувалося одне дного сопла 8 з метою підвищення КПД, хоча гликільце інжектора 11 на змішувач довжиною 13 бина його входження до дифузора 5 залежить від дюймів (330мм) та діаметром 8 дюймів (203мм), призначення Щоб сприяти швидкому розширенню що дозволило суттєво зменшити довжину двигуна плину в дифузорі 5, можна використати блок наУ цьому ДОСВІДІ інжектор-камера згоряння 15 чи прямних лопаток 18 Блок напрямних лопаток 18 генератор гарячого газу знаходився ззовні змішускладається з однієї чи кількох конічновача 4, а гази згоряння відводилися до кільця інциліндричних напрямних лопаток 19, аксіально жектора 11 й випускалися крізь вихлопні сопла 13 встановлених на шляху течи плину в дифузорі 5 на інжектора або прорізи у ньому (фіг 10) розпірках 20 У цьому варіанті паливні інжектори 21 можуть являти собою паливні сопла 22 на виНа фіг 8 - 10 показано, що для створення ході 23 напрямних лопаток 19 Паливні сопла 22 струму енергетичного газу до блоку інжектора 11 можуть впорскувати паливо паралельно повздовйого поєднано з будь-яким джерелом плину з межній осі 9 двигуна або бути поперемінно зсунутими тою утворення струму плину з вихлопних сопел 13 так, щоб забезпечити змішування середовищ таінжектора для забезпечення роботи ежектора З, ким чином, як описано для вихлопних сопел 13 який захоплює повітря для достатньої КІЛЬКОСТІ інжектора плину, щоб змішати його з паливом у камері згоряння 6 і таким чином підвищити ефективність праці ежекторного прямоструминного повітрянореактивного двигуна 1 При нормальній роботі паливо, наприклад, водень, та окислювач, наприклад, повітря, можна використовувати у стехіометричних співвідношеннях у камері згоряння 15 інжектора ззовні ежекторного прямоструминного повітряно-реактивного двигуна 1, утворюючи потік стиснутого енергетичного газу, який газоходами ЗО скеровується до блоку інжектора 10, або ж згоряння може проходити усередині блоку інжектора 10, у камерах 15 інжектора, куди допливають паливо та окислювач Як видно з фіг 9, рідкий водень може зберігатися в літальному апараті, оснащеному ежекторним прямоточним повітряно-реактивним двигуном 1 Для найбільш ефективного використання літального апарату повітря може надходити з довкілля Рідкий водень може використовуватися у теплообмінній системі 36 для зрідження повітря з метою тимчасового зберігання та використання під час роботи літального апарату замість того, щоб завантажувати та зберігати величезну КІЛЬКІСТЬ зрідженого повітря або іншого окислювача на апараті перед польотом Теплообмінна система 36 одержує рідкий водень 34 або паливо з паливного бака апарату за допомогою паливного насосу 26, який нагнітає стиснуте паливо до блоку зрідження повітря 27 Повітря надходить до вхідної камери 31 зрідженого повітря й відкачується до блоку зрідженого повітря 27, де конденсується та надходить до збірника Насос 35 збірника підвищує тиск та закачує зріджене повітря 33 до баку або до вхідної камери 28 рідкого повітря двигуна Водень 32, що відходить, звичайно подається до приймача 29 палива двигуна Як зображено на фіг 1 - 2, ежекторний прямоструминний повітряно-реактивний двигун 1 має вхідний обтічник 16 та ввід 2, які забезпечують З метою подальшого підвищення ефективності змішування та згоряння на центральному обтічнику 17 встановлена рухома засувка 24, яка має спеціальний засіб або дозволяє регулювання положення засувки 24 за допомогою тяги, поєднаної зі штоком (не показаний) у центральному обтічнику 17 її положення управляється системою керування двигуна Засувка пересувається уздовж повздовжньої осі 9 двигуна При регулюванні положення засувки 24 відносно точки стиску дроселя 7 змінюється площа перерізу камери згоряння 6, а відтак міняється площа перерізу та місцезнаходження ділянки мінімальної площі течи дроселя, що дозволяє регулювати аеродинамічне місце стрибка ущільнення Очевидно, при цьому також змінюється геометрія вихлопного сопла 8 На фіг 2 рухома засувка 24 показана розрізаною, щоб було видно два положення Рухома засувка 24 є одним з засобів забезпечення перемінної геометрії для регулювання місцезнаходження точки мінімальної площі течи в горловині сопла, при цьому також регулюються аеродинамічне місцезнаходження нормального вхідного стрибка ущільнення, а швидкість плину та його тиск усередині двигуна залежать від умов роботи ежекторного прямоструминного повітряно-реактивного двигуна 1 Звичайно рухома засувка 24 охолоджується набігаючим паливом, наприклад, рідким воднем, крізь охолоджувальні канали в засувці 24 перед впорскуванням палива до камери згоряння 6 Застосування вихідного сопла 8 з перемінною площею дроселя дозволяє двигунові працювати за максимальної ефективності вводу 2, що забезпечує у змішувачі 4 наближення до значення числа Маха, але не досягнення його Застосування вихідного сопла 8 з перемінною площею дроселя гарантує відсутність локального дроселювання у змішувачі 4 або дифузорі 5 57103 10 Фіг 2 дро- вихідне 3 1 ФІГ. 6 12 57103 камера , 'згоряння^ ВИХ]Дне сопло Фіг. 7 І згоряння і в и а д н е сопло 28/ Комп'ютерна верстка С Волобуєва 29 І Фіг 10 Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна