Двигун із пульсуючою детонацією

1. Двигун з пульсуючою детонацією з циклічною подачею заряду палива в камеру (5) згоряння жарової труби (2) з поперечним дном (3) за допомогою пристрою (6) живлення, який відрізняється тим, що: - поперечне дно (3) жарової труби (2) встановлено рухомо відносно останньої і може займати два крайніх положення: перше положення, яке відповідає фазі детонації паливного заряду в камері згоряння (5) труби (2), і друге положення, яке відповідає фазі подачі паливного заряду в камеру (5); - в бічній стінці (4) труби (2) виконаний щонайменше один отвір (7) для впускання паливного заряду, який перекритий і відділений від камери (5) згоряння поперечним дном (3), коли останнє зайняло своє перше положення, і яке з'єднано з можливістю подачі палива з камерою (5) згоряння, коли поперечне дно (3) зайняло своє друге положення; - в першому положенні поперечне дно (3) жорстко з'єднано з трубою (2) за допомогою стопорних засобів (9; 42; 43), що розблоковуються. 2. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що рухоме поперечне дно виконано з можливістю переміщення відносно труби (2) між першим і другим положеннями. 3. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що рухоме поперечне дно виконано з можливістю повороту відносно труби (2) між першим і другим положеннями. 4. Двигун за п. 1, який відрізняється тим, що рухоме поперечне дно (3) виконано у вигляді поршня (10) з поперечною стінкою (11), направленою у бік камери, і з бічною юбкою (12), яка взаємодіє зі стінкою (4) труби (2), з можливістю перекриття впускного отвору (7) в першому положенні попе 2 (19) 1 3 79524 4 12. Двигун за п. 11, який відрізняється тим, що елемент (33) повернення бойка (31) в ударне попристрій (30) запалювання є пристроєм п'єзоелекложення внаслідок розблокування пристрою (32) тричного типу і містить рухомий бойок (31), з'єднаутримування і п'єзоелектричний орган (34), який ний з рухомим поперечним дном, пристрій (32) генерує електричний струм для запалювання паутримування, виконаний з можливістю утримуванливного заряду, коли бойок (31) приходить в ударня бойка (31) у зведеному положенні, пружний не положення. Даний винахід стосується двигуна з пульсуючою детонацією, тобто альтернативного двигуна внутрішнього згоряння з надзвуковим режимом згоряння (детонація), що дозволяє розвивати високі тягові швидкості. Такий тип двигуна може застосовуватися, зокрема, але не виключно, в авіаційній, космічній і військовій галузях для використання в літаках, космічних апаратах, ракетах і т. д. Відомо, що детонація є окремим варіантом поширення полум'я в результаті з'єднання ударної хвилі і фронту горіння, коли ударна хвиля стискає заряд палива (суміш окисника і пального), що знаходиться в камері згоряння, доводячи його тиск до значення, яке знаходиться за межами точки самозаймання, і енергія, яка вивільняється внаслідок горіння, забезпечує, в свою чергу, постійне відтворення ударної хвилі. Таким чином, робочий цикл такого двигуна може бути зведений до трьох тактів: - перший такт, відповідний фазі подачі суміші або паливного заряду; - другий такт, відповідний фазі детонації, що забезпечує стиснення і вивільнення хімічної енергії, яке генерується зарядом; і - третій такт, відповідний фазі розширення продуктів детонації. Конструктивно камера згоряння такого двигуна виконана у вигляді жарової труби, закритої з одного кінця поперечним дном (яке називають тяговим бар'єром), на яке штовхальним зусиллям діють продукти детонації паливного заряду, створюючи силу тяги, при цьому згаданий паливний заряд подається в камеру за допомогою пристрою живлення. Потенційно критичним моментом є протікання різних фаз робочого циклу двигуна, і особливе значення має керування фазою живлення, яка може дуже сильно впливати на робочі характеристики двигуна. У наш час в основному використовують два пристрої керування інжекторним живленням, а саме: аероакустичний пристрій, що використовує надвисокий тиск в камері для аеродинамічного блокування впускання палива, і електромеханічний пристрій з керованим клапаном, або звичайним, тобто виконаним з можливістю поступального переміщення, або ротаційним. Незважаючи на те, що ці пристрої живлення набули широкого поширення, вони, проте, мають ряд недоліків. Дійсно, аероакустичний пристрій залежить від умов впорскування горючої суміші, і, навіть якщо його виготовлення є дуже простим, він не дозволяє оптимізувати подачу палива на всьому діапазону роботи двигуна, що спричиняє зниження його робочих характеристик. Що ж до елек тромеханічного пристрою, то він вимагає використання звичайних клапанів, які можуть пропускати велику кількість палива за один раз і є такими, що дорого коштують, або ротативних клапанів, які добре адаптовані для ракетних двигунів, але менш ефективні в повітряно-реактивних двигуна х. Крім того, ці два типи клапанів значно ускладнюють конструкцію двигуна, одним з найважливіших критеріїв якої є простота. Аналогами даного винаходу є клапан камери згоряння з періодично повторюваним зближуваним згорянням при постійному об'ємі за [патентом DE-947655] і поворотний клапан двигунів з пульсуючою детонацією за [патентом US 2002/139106]. Задачею даного винаходу є усунення цих недоліків, і вона стосується двигуна з пульсуючою детонацією, що має просту конструкцію і забезпечує високу безпеку роботи. Задача вирішується тим, що в двигуні з пульсуючою детонацією з циклічною подачею паливного заряду в камеру згоряння жарової труби з поперечним дном за допомогою пристрою живлення згідно з винаходом: - згадане поперечне дно жарової труби встановлено рухомо відносно останньої і може займати два крайніх положення: перше положення, яке відповідає фазі детонації паливного заряду в камері згоряння згаданої труби, і друге положення, яке відповідає фазі подачі паливного заряду в згадану камеру; - в бічній стінці згаданої труби виконують щонайменше один отвір для впускання паливного заряду, який перекривається і відділяється від згаданої камери згоряння згаданим рухомим дном, коли останнє займає своє перше положення, і яке з'єднується із згаданою камерою згоряння, коли рухоме дно займає своє друге положення; і - в згаданому першому положенні згадане рухоме поперечне дно жорстко з'єднується із згаданою трубою за допомогою стопорних засобів, що розблоковуються. Таким чином, завдяки даному винаходу, немає необхідності використовувати в двигуні складні клапанні або інші пристрої живлення, оскільки саме поперечне дно, яке утворює тяговий бар'єр, забезпечує здійснення двох фаз детонації і подачі палива під час роботи двигуна за рахунок своєї рухливості, відкриваючи і закриваючи впускний отвір. Отже, рухоме дно, що забезпечує керування і нормальну роботу двох фаз і переходів між ними, може вважатися невід'ємною частиною пристрою живлення. Потрібно також зазначити, що використання рухомого поперечного дна для автономного керування впусканням суміші окисник-пальне в камеру 5 79524 6 згоряння характеризується надзвичайною механіударне положення. чною простотою і забезпечує безпеку і високу наНадалі винахід пояснюється описом варіантів дійність роботи, не вимагаючи при цьому ніякого його здійснення з посиланнями на фігури кресзовнішнього джерела енергії. лень, в числі яких: Наприклад, згадане рухоме поперечне дно Фіг.1 зображає схематичний вигляд в подовжможе переміщатися з ковзанням відносно згаданої ньому розрізі першого прикладу виконання двигутруби між двома положеннями і/або може обертана з пульсуючою детонацією відповідно до даного тися відносно згаданої труби між двома положенвинаходу, що показує р ухоме дно в першому понями. ложенні. Переважно згадане поперечне дно може бути Фіг.2 - вигляд, аналогічний Фіг.1, який показує виконане у вигляді поршня з поперечною стінкою, рухоме дно у другому положенні. направленою у бік згаданої камери, і з бічною юбФіг.3 - схематичний вигляд в розрізі і в перспекою, взаємодіючою зі стінкою згаданої труби для ктиві внутрішнього пристрою жарової труби згідно перекриття згаданого впускного отвору в першому з другим прикладом здійснення даного винаходу. положенні дна, і в цьому випадку згадані стопорні Фіг.4 і 5 зображають схематичний вигляд відзасоби, що розблоковуються, містять внутрішній повідно першого і другого положень рухомого поблок, встановлений в згаданому поршні з можливіперечного дна жарової труби, показаної на Фіг.3. стю ковзання і проходження через поперечну стінФіг.6 зображає схематичний вигляд пристрою ку, ви ходячи в камеру згоряння, а також щонаймезапалювання, який показує в нижньому і верхньонше один стопорний ролик, який залежить від му напіврозрізі два крайніх робочих положення. переміщення згаданого блока і може проходити в Двигун І з пульсуючою детонацією, схематичрадіальному напрямку через бічну юбку поршня, но і частково показаний на Фіг.1 і 2, містить цилінзаходячи в приймальне гніздо труби і блокуючи дричну жарову трубу 2 з подовжньою віссю А і дно. поперечне дно 3, підігнане і встановлене всередиЯк варіант, рухоме поперечне дно може бути ні жарової труби 2. Це поперечне дно 3 обмежує встановлене з можливістю обертання на поршні, разом з бічною стінкою 4 труби 2 частково показаякий знаходиться всередині жарової труби, і містину на Фігурі камеру 5 згоряння, виконану з можлити периферичні стопорні шипи, виконані з можливістю циклічного живлення паливним зарядом, вістю взаємодії в згаданому першому положенні зі який надходить з пристрою живлення, схематично стопорними гніздами, які виконані в згаданій жаропоказаного у вигляді прямокутника під позицією 6, вій трубі і з'єднуються з камерою згоряння, і під що забезпечує подану суміші окисник-пальне. Подією детонації рухоме поперечне дно може оберперечне дно 3 утворює тяговий бар'єр, на який татися відносно згаданого поршня, припиняючи штовхаючим зусиллям діють продукти детонації, взаємодію стопорних шипів і стопорних гнізд і доякі утворюються при згорянні палива, створюючи зволяючи поршню зайняти згадане друге полонеобхідну тягу. ження. Згідно з винаходом, поперечне дно 3 встановКрім того, в згаданій трубі виконують внутрілюють рухомо відносно жарової труби 2 двигуна І шній упор для обмеження першого положення з можливістю переміщення між двома окремими рухомого дна. Переважно згаданий внутрішній крайніми положеннями: першим положенням упор виконують у вигляді внутрішнього кільцевого (Фіг.1), ізолюючим камеру 5 згоряння від пристрою заплечика на бічній стінці труби, до якого притис6 живлення і відповідним фазі детонації паливного кається поршень рухомого дна в своєму першому заряду, і др угим положенням (Фіг.2), що забезпеположенні. чує з'єднання пристрою живлення з камерою згоЗгідно з іншою відмітною ознакою в тр убі виряння і відповідним фазі подачі паливного заряду конують пружні поворотні засоби, призначені для в камеру згоряння. переміщення рухомого дна з його другого полоДля цього в бічній стінці 4 жарової труби викоження в перше положення. Ці пружні поворотні нують отвори 7 для впускання паливного заряду з засоби містять, наприклад, щонайменше одну пристрою 6 живлення в камеру 5, які перекривапружину, діючу на внутрішній блок рухомого дна. ються, коли поперечне дно 3 знаходиться в своєму Крім того, бічний впускний отвір виконують супершому положенні, і які відкриваються, коли воно міжно з внутрішнім упором. займає своє друге положення. Таким чином, попеКрім того, двигун може містити пристрій запаречне дно 3 дозволяє перекривати і відкривати лювання, який переважно використовує зворотновпускання суміші в камеру 5 згоряння аналогічно поступальний рух згаданого рухомого поперечного клапанам з відомих технічних рішень і керувати дна для циклічного запалення паливного заряду. пристроєм живлення. У переважному, але не обмежуючому варіанті Як показано на двох Фігурах, переміщення повиконання даного винаходу згаданий пристрій заперечного дна 3 між двома положеннями в цьому палювання є пристроєм п'єзоелектричного типу і переважному варіанті виконання здійснюється містить, наприклад, рухомий бойок, з'єднаний з ковзанням вздовж подовжньої осі А, але воно морухомим поперечним дном, пристрій утримування, же бути також ротативним і навіть спіралеподібвиконаний з можливістю утримування бойка у звеним. Так, для обмеження першого положення поденому положенні, пружний елемент повернення перечного дна 3 в бічній стінці 4 труби виконують бойка в ударне положення внаслідок розблоковувнутрішній упор 8 у вигляді кільцевого заплечика, вання пристрою утримування, і п'єзоелектричний до якого притискаються скошені фаски дна в кожорган, що генерує електричний струм для запаному циклі роботи двигуна, визначаючи «верхню лення паливного заряду, коли бойок приходить в мертву точку». Для утримування поперечного дна 7 79524 8 3 в цьому першому положенні під час фази детокриває отвір 16. нації робочого циклу двигуна передбачені стопорні Коли за допомогою пристрою запалювання, засоби 9, які розблоковуються, призначені для який буде описаний з посиланням на Фіг.3, відбутимчасового з'єднання поперечного дна 3 з трувається детонація паливної суміші, яка стискаєтьбою 4. ся в камері 5, в камері різко підвищується тиск, У показаному прикладі виконання поперечне однак поршень 10 поперечного дна 3, який утводно 3 конструктивно виконане у вигляді поршня рює тяговий бар'єр, заблокований стопорними 10, який складається, як відомо, з поперечної стінроликами 17 і не може рухатися назад. Але, разом ки 11, направленої у бік камери згоряння, і бічної з тим, детонаційні гази знаходяться в контакті з юбки 12, точно підігнаної і взаємодіючої з бічною конічним кінцем 15 внутрішнього блока 14, що вистінкою 4 труби 2. Таким чином, як показано на ходить в камеру 5 через центральний отвір 16 пофіг. 1, бічна юбка 12 поршня перекриває отвори 7 перечної стінки 11 поршня, і діють на блок, який впускання або подачі паливної суміші, виконані в під дією створеного тиску відходить назад і почитрубі 2 суміжно з внутрішнім кільцевим заплечинає стискати пружину 22. Під час його поворотного ком 8. осьового руху стопорні ролики 17 переміщаються Всередині поршня 10 знаходиться внутрішній по поверхні конічного майданчика 19 блока 14 і циліндричний блок або корпус 14, який взаємодіє з залишають гнізда 20 жарової труби 2, заходячи в бічною юбкою 12 поршня і один кінець якого викорадіальні пази 18 поршня. наний конічним, щоб заходити у відповідний осьоТиск в камері 5 згоряння тимчасово падає вий отвір 16, виконаний в центрі поперечної стінки внаслідок розширення продуктів детонації в задній 11 поршня і який з'єднується таким чином з камечастині, і, оскільки поперечне дно 3 вже не засторою 5 згоряння. Зрозуміло, що блок виконаний з порене, воно може вільно переміщатися разом з можливістю осьового переміщення відносно повнутрішнім блоком 14 ліворуч на Фіг.1, долаючи ршня під дією детонаційних газів. Крім того, як дію пружини за рахунок залишкового високого тиспоказано на Фіг.1, стопорні ролики або кульки 17 ку в камері. Одночасно бічна юбка 12 поршня 10 заходять в радіальні пази 18 бічної юбки поршня і відкриває впускні отвори 7 труби 2, і поперечне під дією утворюючого похилу площадку конічного дно 3 досягає свого другого положення, показанозаплечика 19, виконаного по окружності блока 14, го на Фіг.2, стискаючи пружину 22, встановлену частково заходять в приймальні гнізда 20, відповіміж опорою 24 труби і кінцем 23 блоку. дно виконані в бічній стінці 4 труби 2. На Фіг.1 поВпускні отвори 7 жарової труби 2 повністю відказані два ролики 17, але їх число може бути і інкриваються під час фази розрідження, викликаного шим. Вузол, утворений внутрішнім блоком 14 і надмірним розширенням продуктів детонації. Внароликами 17, утворює стопорні засоби 9, признаслідок цього виникає явище автоматичного всмокчені для стопоріння поршня 10, тобто поперечного тування, яке забезпечує автономне заповнення дна 3 в його першому положенні. камери 5 згоряння двигуна сумішшю окисникКрім того, між рухомим поперечним дном 3 і пальне, яка надходить з пристрою живлення. трубою 2 зі сторони, протилежної камері 5, викоПісля цього під дією пружини 22 стиснення нують поворотні пружні засоби 21 для спонтанного внутрішній блок 14 і рухомий поршень 10 переміповернення згаданого дна з його другого полощаються в напрямку камери, при цьому поршень ження (Фіг.2) в застопорене перше положення. перекриває внускні отвори 7, приходячи в полоНаприклад, ці засоби можуть бути виконані у виження упору в заплечик 8 труби, в той час як під гляді пружини 22 стиснення, встановленої між кіндією конічного майданчика 19 стопорні ролики цем 23 блока, протилежним конічному кінцю 15, і знову заходять в гнізда 20 труби, блокуючи попепоперечною опорою 24, виконаною в трубі 2. Віречне дно 3 в його першому положенні. домими чином, із згаданою пружиною може взаєДвигун І готовий до нового робочого циклу. модіяти напрямний стрижень 25 пружини, виконаУ варіанті виконання, показаному на Фіг.3, 4 і ний на кінці 23 згаданого блока. 5, поперечне дно 3 жарової труби 2 встановлене з Цикл роботи такого, описаного вище двигуна з можливістю обертання на поршні 40, встановлепульсуючою детонацією, полягає в наступному. ному в цій трубі, наприклад, за допомогою осьовоПередусім, припустимо, що двигун І знахого вала 41, який знаходиться під пружним навандиться в конфігурації, показаній на Фіг.1, при якій таженням (засіб пружного навантаження відомий і рухоме поперечне дно 3 знаходиться в першому на кресленнях не показаний). По своїй периферії положенні, тобто: поперечне дно 3 містить стопорні шипи 42, вико- спирається на внутрішній кільцевий заплечик нані з можливістю взаємодії в першому положенні 8 труби 2 під дією пружини 22 і забезпечує герме(Фіг.4) зі стопорними гніздами 43, виконаними в тичність камери 5 згоряння за рахунок взаємодії товщі жарової труби 2. Кожне стопорне гніздо 43 скошених фасок поршня 10 і заплечика 8; має L-подібну форму з осьовим пазом 43А і попе- перекриває впускні отвори 7 труби бічною речним пазом 43Т. Кожний поперечний паз 43Т юбкою 12 поршня 10 таким чином, щоб камера 5 з'єднується з камерою 5 згоряння через канал 44, згоряння була ізольована від впускання суміші, що що ви ходить назовні в точці 45 з боку камери. надходить з пристрою 6 живлення; і Робочий цикл двигуна II, показаного на Фіг.3-5, - стопориться в цьому положенні стопорними протікає таким чином: роликами 17, що частково проходять через бічну - вузол з поперечного дна 3 і поршня 40 знаюбку 12 і що заходять в приймальні гнізда 20 труходиться в першому положенні (Фіг.4), стопорні би за рахунок дії конічної площадки 19 блока 14, шипи 42 спираються на поперечні пази 43Т стопона який діє пружина 22 і який своїм кінцем 15 зарних гнізд 43 під дією пружного навантаження 9 79524 10 осьового вала 41, і живильні отвори 7 перекриті; гою засобів 31, 32, 33, 34, зворотно-поступальний - в момент початку детонації паливного зарярух рухомого поперечного дна 3 для циклічного ду, що знаходиться в камері 5 згоряння, в камері запалення паливного заряду. різко підвищується тиск, але поперечне дно 3 і У представленому варіанті виконання пристрій поршень 40 заблоковані стопорними шипами 42 і 30 є п'єзоелектричним, але він може бути і з індукне можуть переміщатися назад; ційною котушкою або іншого типу. Конструктивно - однак, коли детонація, яка розповсюджується засоби пристрою містять рухомий бойок 31, прив камері 5 згоряння, досягає отворів 45 каналів 44, стрій 32 утримування, виконаний в даному причастина газів під тиском вловлюється і спрямовукладі у вигляді електромагніту, пружний пристрій ється до стопорних гнізд 43; 33 і п'єзоелектричний орган 34. - під дією надвисокого тиску в стопорних гнізБойок 31 містить виступ 35 для з'єднання з подах 43 шипи 42 виштовхуються в бічному напрямперечним дном 3 (на Фігурі не показаний) і встаноку з поперечних пазів 43Т, долаючи опір пружного влений між електромагнітом 32 і п'єзоелектричним навантаження осьового вала 41, при цьому попеорганом 34 з можливістю зворотно-поступального речне дно 3 обертається відносно поршня 40 і переміщення паралельно осі А між двома відповірозблоковує цей поршень; дними положеннями. - вузол з поперечного дна 3 і поршня 40 тепер Перше положення бойка 31 відповідає нижможе вільно переміщатися назад під дією залишньому напіврозрізу Фіг.3, де бойок 31, захоплювакового високого тиску, займаючи друге положення ний зворотним рухом рухомого дна за допомогою і відкриваючи живильні отвори 7, при цьому шипи виступу 35, приводиться у зведений стан і з'єдну42 переміщаються по осьових пазах 43А гнізд 43; ється з електромагнітом 32, завдяки циркулюючо- живильні отвори 7 жарової труби 2 повністю му в останньому електричним струмом. У цьому відкриваються під час фази розрідження, викликазведеному положенні, при якому рухоме дно знаного надмірним розширенням продуктів детонації, ходиться в своєму другому положенні (Фіг.2), прув результаті чого виникає явище автоматичного жний елемент 33, такий як пружина стиснення, що всмоктування, яке забезпечує автономне заповзнаходиться між електромагнітом і бойком, стискунення камери 5 згоряння двигуна сумішшю окисється, і бойок відходить від п'єзоелектричного орник-пальне; гану. У цьому прикладі пристрій 32 утримування - під дією поворотної пружини 21 (на Фіг.3-5 не бойка є пристроєм електричного типу, але воно показана) вузол з поперечного дна 3 і поршня 40 може бути і пристроєм механічного типу. переміщається вперед, стопорні шипи 42 переміДруге положення бойка 31 відповідає верхщаються по осьових пазах 43А гнізд 43 і, дійшовньому напіврозрізу на Фіг.3, де бойок від'єднується ши до положення переднього упора, заходять в від пристрою утримування і ударяє по кристалу поперечні пази 43Т під дією пружного навантаженп'єзоелектричного органу 34 внаслідок відключення осьового вала 41, примушуючи поперечне дно ня електричного струму в електромагніті 32 і за 3 здійснити обмежений поворот. рахунок дії пружного елемента 33. Внаслідок його Двигун II знову знаходиться в першому полоконтакту з п'єзоелектричним органом 34 виникає женні і готовий до нового робочого циклу. струм високого напруження, що використовується Крім вищезазначених переваг, які забезпечудля запалювання двигуна, тобто для запалювання ються рухомим дном (живлення і відключення капаливного заряду, коли поперечне дно 3 знаходимери згоряння - впускання повітря), зворотновся в своєму першому положенні (Фіг.1). поступальний рух тягового бар'єра може бути таКрім того, заявником встановлено, що рухомий кож використаний для виробництва енергії, яка тяговий бар'єр сприяє також кращому керуванню застосовується для підпалу паливного заряду або тягою, згладжуючи імпульсний характер детонації і для електричного живлення механізованого признижуючи вібраційний фон, що створюється таким строю. типом двигуна, що ще більше підвищує можлиЗокрема, таким є пристрій 30 запалювання, вість включення такого типу двигуна в авіаційні показаний на Фіг.3, який використовує, за допомогондоли. 11 Комп’ютерна в ерстка О. Гапоненко 79524 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601