Детонаційний пульсуючий двигун

1. Детонаційний пульсуючий двигун, який працює з паливно-повітряною детонуючою сумішшю і містить: щонайменше одну жарову трубу (2) з поперечним дном (3), виконаним рухомим відносно останньої, щоб займати перше і друге граничне положення, закриту поперечним упорним елементом (5), що є протилежним рухомому дну (3); пружний поворотний засіб, що впливає на рухоме дно (3) і виконаний з можливістю, з одного боку, штовхання останнього з першого положення у друге положення і, з іншого боку, сповільнення останнього в кінці переміщення з другого положення в перше положення; щонайменше один паливний бак (4); і засіб подачі палива для подачі палива в камеру (7) згоряння жарової труби (2); причому засіб подачі палива містить: передавальну камеру (9), яка змінюється в об'ємі, обмежену бічною стінкою (6) жарової труби (2), рухомим дном (3) і поперечним упорним елементом (5) і виконану з можливістю одержання палива з бака (4); засіб (10) передачі палива, виконаний з можливістю передачі палива з бака (4) в передавальну камеру (9); і засіб (11, 21) вприскування палива в камеру (7) згоряння з передавальної камери (9); при цьому пружний поворотний засіб складається, щонайменше частково, з палива, що міститься в передавальній камері (9). 2. Двигун за п. 1, в якому пружний поворотний засіб додатково містить щонайменше одну допоміжну пружину (18), яка працює на стиснення і виконана з можливістю сприяння штовханню рухомого 2 (19) 1 3 94203 4 рухомого дна (3) з другого положення в перше положення. 9. Двигун за п. 1, який містить тимчасовий блокуючий засіб (20) для рухомого дна (3), коли воно знаходиться в першому положенні. Даний винахід стосується детонаційного пульсуючого (повітряно-реактивного) двигуна, який працює з паливно-повітряною детонуючою сумішшю. Застосування такого типу двигуна включають в себе забезпечення повітряних суден, ракет, снарядів і тому подібного в галузі космічної і військової аеронавтики, хоча і не обмежуються цим. Потенційно критичною точкою є періодичність різних фаз робочого циклу двигуна, і, особливо, керування фазами подачі і детонації, які можуть вплинути сильним чином на ефективність такого двигуна. З патенту EP 1482162 вже відомий детонаційний пульсуючий двигун, що має конструкцію, яка визначена жаровою трубою, закритою з одного кінця рухомим поперечним дном, що є тяговою стінкою, на яку спираються продукти детонації детонаційної суміші для утворення тяги. У такому відомому детонаційному пульсуючому двигуні рухоме дно альтернативно переміщується між двома граничними положеннями, і пружний поворотний засіб типу пружини впливає на дно для штовхання його з одного з положень в інше в результаті стиснення пружини. Отже, таке рухоме дно вимагає здійснення двох фаз подачі і детонації двигуна через свою рухливість, таким чином, закриваючи і відкриваючи щонайменше один впускний канал. Проте, при робочому циклі двигуна, що складається з прямого ходу (відповідного стисненню пружини) і зворотного ходу рухомого дна (відповідного штовханню останнього), пружина схильна до двох несумісних обмежень: - при прямому ході вона повинна бути гнучкою (тобто, мати низьку жорсткість), щоб не обмежувати переміщення рухомого дна, щоб не здійснювати невигідний вплив на його швидкість (і, отже, на робочу частоту двигуна), в той же час, забезпечуючи мале сповільнення в кінці ходу останнього; і - при зворотному ході вона повинна прикладати максимальну силу до останнього, щоб досягнути хорошого прискорення для обмеження часу робочого циклу. Задачею даного винаходу є поліпшення згаданого вище детонаційного пульсуючого двигуна для усунення такого недоліку. Для рішення цієї задачі, згідно з винаходом розроблений детонаційний пульсуючий двигун, який працює з паливно-повітряною детонуючою сумішшю і, який містить: щонайменше одну жарову трубу з поперечним дном, виконаним рухомим відносно останньої, щоб займати перше і друге граничне положення, і закриту поперечним упорним елементом, що є протилежним рухомому дну; пружний поворотний засіб, що впливає на ру хоме дно, і виконаний з можливістю, з одного боку, штовхання останнього з першого положення у друге положення і, з іншого боку, сповільнення останнього в кінці переміщення з другого положення в перше положення; щонайменше один паливний бак; і засіб подачі палива для подачі палива в камеру згоряння жарової труби; причому засіб подачі палива містить: передавальну камеру, яка змінюється в об'ємі, обмежену бічною стінкою жарової труби, рухомим дном і поперечним упорним елементом і виконану з можливістю одержання палива з бака; засіб передачі палива, виконаний з можливістю передачі палива з бака в передавальну камеру; і засіб вприскування палива для вприскування палива в камеру згоряння з передавальної камери; при цьому пружний поворотний засіб складається щонайменше частково, з палива, що міститься в передавальній камері. Таким чином, стиснення палива, що міститься в передавальній камері, рухомим дном дозволяє пружному поворотному засобу поступово сповільнювати його хід при його переміщенні з другого положення в перше положення, результатом чого є зміни швидкості і вібрації, які можуть бути утворені при зменшенні такого двигуна, таким чином, полегшуючи його об'єднання з елементами аеронавтики. Більш того в результаті присутності в передавальній камері палива, стиснутої рухомим дном, пружний поворотний засіб може прикладати максимальну силу до рухомого дна для одержання хорошого прискорення при переміщенні останнього з першого положення у друге положення. Таким чином, час робочого циклу двигуна обмежений. У випадку, якщо пружний поворотний засіб складається тільки з палива, що зберігається в баку в газоподібному або рідкому стані, кількість механічних елементів, що використовуються при роботі двигуна, меншає, таким чином поліпшуючи надійність конструкції двигуна. Переважно, пружний поворотний засіб додатково містить щонайменше одну допоміжну пружину, яка працює на стиснення, і виконана з можливістю сприяння штовханню рухомого дна з першого положення у друге положення і сповільненню останнього в кінці переміщення з другого положення в перше положення. Таким чином, дія допоміжної пружини може виявитися корисною, коли тиск в камері згоряння не досить високий для забезпечення штовхання і сповільнення рухомого дна. Згідно з іншою особливістю даного винаходу бак розташований позаду поперечного упорного 5 елемента співвісно з жаровою трубою, причому поперечний упорний елемент містить засіб передачі палива. Більш того засіб передачі палива складається з щонайменше одного редуктора тиску, що містить сопла, або з щонайменше одного карбюратора Вентурі. Таким чином, наприклад, у випадку, якщо паливо в баку зберігається в рідкому стані, карбюратори можуть забезпечити випаровування останнього в передавальній камері. Переважно щонайменше один впускний канал розташований в бічній стінці жарової труби, причому рухоме дно, що ковзає між першим положенням і другим положенням, має форму поршня з поперечною, спрямованою у бік камери згоряння, і бічною юбкою, взаємодіючою з бічною стінкою жарової труби; і кільце виконане як єдине ціле з поперечною стінкою поршня і взаємодіє з бічною стінкою жарової труби, щоб закривати впускний канал у другому положенні рухомого дна. Згідно з варіантом здійснення винаходу засіб вприскування складається з щонайменше однієї форсунки, розташованої на бічній стінці жарової труби, і перший отвір якої відкривається на рівні впускного каналу; причому щонайменше один канал вприскування розташований в бічній стінці жарової труби, при цьому канал вприскування взаємодіє з другим отвором форсунки; причому бічна юбка поршня містить щонайменше одне вікно вприскування, що взаємодіє з каналом вприскування після переміщування рухомого дна з першого положення у друге, щоб забезпечувати вприскування палива в камеру згоряння з передавальної камери. Альтернативно, засіб вприскування складається з щонайменше одного зворотного клапана з пружиною, розташованого в поперечній стінці поршня, який забезпечуює вприскування палива в камеру згоряння після переміщення рухомого дна з другого положення в перше положення. З іншого боку, детонаційний пульсуючий двигун згідно з даним винаходом переважно містить тимчасовий блокуючий засіб для рухомого дна, коли він знаходиться в першому положенні, яке забезпечуючує зміну робочої частоти двигуна. Таким чином, збільшення часу витримування рухомого дна в першому положенні призводить до зменшення робочої частоти двигуна (і, отже, його тяги). Навпаки, при обмеженні часу витримування рухомого дна в першому положенні може бути досягнута робота на повній швидкості, частота якої залежить тільки від динаміки поршня. Здійснення даного винаходу буде краще зрозуміло з прикладених креслень. На цих кресленнях однакові компоненти позначені однаковими посилальними позиціями. На кресленнях: Фіг. 1A - частковий схематичний вигляд в подовжньому розрізі варіанта здійснення детонаційного пульсуючого двигуна згідно з даним винаходом, на якому зображене рухоме дно в першому граничному положенні; Фіг. 1B - аналогічна фіг. 1А, причому рухоме 94203 6 дно двигуна знаходиться в проміжному положенні між першим і другим граничними положеннями; Фіг. 1С - аналогічна фіг. 1А, причому рухоме дно двигуна займає друге граничне положення; і Фіг. 2 - частковий схематичний вигляд в подовжньому розрізі альтернативного варіанта здійснення детонаційного пульсуючого двигуна даного винаходу з фіг. 1А. Детонаційний пульсуючий двигун І, схематично і частково зображений на фіг. 1A-1С, містить, як відомо, циліндричну жарову трубу 2 з подовжньою віссю А, поперечне дно 3, встановлене із забезпеченням відповідної посадки всередині жарової труби 2, і циліндричний паливний бак 4 з подовжньою віссю А (зображений частково) вище по потоку жарової труби (на кресленнях зліва). Жарова труба 2 відділена від паливного бака 4 поперечним упорним елементом 5. Поперечне дно 3 разом з бічною стінкою 6 жарової труби 2 обмежує частково зображену камеру 7 згоряння, виконану з можливістю одержання на циклічній основі заряду палива. Воно визначає тягову стінку, до якої додаються продукти детонації заряду палива для того, щоб утворювати тягу. Більш того поперечне дно 3 встановлене рухомо відносно жарової труби 2 двигуна І і може переміщуватися, наприклад, ковзаючи між двома граничними положеннями. Згідно з даним винаходом перше граничне положення (див. фіг. 1A) відповідає подачі повітря з повітроприймачів (не показано) камери згоряння 7, а друге граничне положення (див. фіг. 1C) відповідає фазі детонації заряду палива. 3 цією метою, як зображено на фіг. 1A-1С, в бічній стінці 6 жарової труби 2 передбачені впускні канали 8 для впускання повітря і заряду палива. Такі впускні канали 8 відкриваються, коли рухоме дно 3 займає перше положення, і закриваються, коли воно займає друге положення. Більш того жарова труба 2 містить яка змінюється в об'ємі передавальну камеру 9 позаду рухомого дна 3, обмежену бічною стінкою 6 жарової труби 2 і поперечним упорним елементом 5. Передавальна камера 9 виконана з можливістю одержання палива з бака 4. Більш того в проілюстрованому варіанті здійснення поперечний упорний елемент 5 містить передавальний засіб 10 для забезпечення, наприклад, на циклічній основі, передачі палива від бака 4 до передавальної камери 9. Такий передавальний засіб може містити редуктори тиску подвійної дії, що містять сопла, трубки Вентурі і т. д. Детонаційний пульсуючий двигун І додатково містить форсунки 11, передбачені на бічній стінці 6 жарової труби 2. Вони забезпечують вприскування палива з передавальної камери 9 в камеру 7 згоряння за допомогою першого отвору 11А, що відкривається на рівні впускних каналів 8. Для того, щоб забезпечити вприскування палива з передавальної камери 9 в камеру 7 згоряння, в бічній стінці 6 жарової труби 2 передбачені канали 12 вприскування з можливістю взаємодії з другим отвором 11B форсунок 11. Рухоме дно 3 структурно має форму поршня 13, що містить поперечну стінку 14, спрямовану у 7 бік камери 7 згоряння, з бічною спідницею 15, взаємодіючою із забезпеченням відповідної посадки з бічною стінкою 6 жарової труби 2. В бічній юбці 15 поршня 13 розташовані вікна 16 вприскування для забезпечення вприскування палива з передавальної камери 9 в камеру 7 згоряння через форсунки 11. Рухоме дно 3 додатково містить кільце 17, виконане як єдине ціле з поперечною стінкою 14 поршня 13 і взаємодіюче із забезпеченням відповідної посадки з бічною стінкою 6 жарової труби 2 для повного закриття, з одного боку, впускних каналів 8, коли рухоме дно 3 займає друге положення, і, з іншого боку, каналів 12 вприскування, коли рухоме дно 3 займає перше положення. Згідно з винаходом в передавальній камері 9 між рухомим дном 3 і поперечним упорним елементом 5 передбачений пружний поворотний засіб. Переважно, такий пружний поворотний засіб полягає в паливі, що міститься в передавальній камері 9. Сила протитиску, що утворюється за допомогою стиснення палива, присутнього в передавальній камері 9, забезпечує, з одного боку, поступове сповільнення рухомого дна 3 в кінці переміщення з другого положення в перше положення, і, з іншого боку, штовхання його з його першого положення в його друге положення. Як зображено на фіг. 1A-1С, вони також можуть бути з'єднані допоміжною пружиною 18, працюючою на стиснення (показаної пунктирними лініями на кресленнях), що розташована між боком поперечної стінки 14 поршня 13 і поперечним упорним елементом 5, щоб сприяти штовханню рухомого дна 3, коли тиск в передавальній камері 9 не є достатнім. З пружиною 18 зв'язаний напрямний стрижень 19 для пружини 18, закріплений на поперечній стінці 14 поршня 13. Згідно з винаходом двигун І додатково містить тимчасовий блокуючий засіб 20 для рухомого дна 3, коли воно знаходиться в своєму першому положенні (див. фіг. 1А), щоб модифікувати робочу частоту двигуна І. Такий блокуючий засіб 20, наприклад, розташоване в бічній стінці 6 жарової труби 2, може бути механічного або електромеханічного типу. Більш того згідно з іншим альтернативним варіантом здійснення, проілюстрованим на фіг. 2, вприскування палива з передавальної камери 9 в камеру 7 згоряння може відбуватися за допомогою пружинних зворотних клапанів 21, розташованих в поперечній стінці 14 поршня 13, під час переміщення рухомого дна 3 з другого в перше положення. Як показано на фіг. 2, бічна юбка 15 поршня 13 не містить будь-якого вікна 16 вприскування. Більш того в бічній стінці 6 жарової труби 2 не розташований канал 12 вприскування. Інша конструкція двигуна І подібна до конструкції, описаної раніше з посиланням на фіг. 1A-1С. Згідно з даним винаходом детонаційний пульсуючий двигун І може працювати згідно з обома наступними робочими циклами: - робочим циклом в режимі відкритого впускання і - робочим циклом в режимі закритого впускання. 94203 8 Як показано на фіг. 1A-1С, робочий цикл в режимі відкритого впускання такого детонаційного пульсуючого двигуна І являє собою наступне. По-перше, передбачається, що двигун І спочатку знаходиться в конфігурації, як зображено на фіг. IA5 в якій рухоме поперечне дно 3 займає перше положення, тобто: - канали 12 вприскування закриті кільцем 17 рухомого дна 3; - вікна 16 вприскування закриті бічною стінкою 6 жарової труби 2; - паливо, що являє собою стиснутий газ, присутнє в передавальній камері 9. Тиск в передавальній камері 9 вищий атмосферного тиску (Рt>Ратм); - впускні канали 8 повністю відкриті, таким чином, забезпечуючи продування камери 7 згоряння потоком повітря (зображеним стрілкою 22), що йде від повітроприймача. Тиск всередині камери 7 згоряння дорівнює атмосферному тиску (Рс=Ратм); і - поворотна пружина 18 стиснута рухомим поперечним дном 3. Під дією поворотної сили пружини 18 і тиску в передавальній камері 9 рухоме поперечне дно 3 переміщується уперед. Одночасно з цим вікна 16 вприскування і канали 12 вприскування відкриваються і взаємно сполучаються. Результатом різниці тиску між передавальною камерою 9 і камерою 7 згоряння є вприскування палива (позначене стрілкою 23) в камеру 7 згоряння за допомогою форсунок 11, при цьому впускні канали 8 відкриті. Результатом продовження переміщення уперед рухомого дна 3 є закриття впускних каналів 8 за допомогою кільця 17, вприскування палива в камеру 7 згоряння поступово закінчується до повного закриття впускних каналів 8. Зменшення тиску в передавальній камері (РКРатм) може, переважно, забезпечити поступове сповільнення рухомого дна 3 доти, доки воно не досягне другого положення, в якому: - впускні канали 8 і канали 12 вприскування повністю закриті, відповідно, кільцем 17 рухомого дна 3 і бічною юбкою 15 поршня 13; - вікна 16 вприскування повністю закриті бічною стінкою 6 жарової труби 2; - повітряно-паливна детонуюча суміш присутня в камері 7 згоряння; і - тиск в камері 7 згоряння вищий атмосферного тиску (Рt>Ратм). Коли за допомогою запалювального пристрою (не показаний) відбувається детонація паливноповітряної суміші, тиск в камері 7 згоряння значно збільшується, штовхаючи рухоме дно 3 назад (наліво на фіг. 1С). Під час цієї фази зворотного переміщення рухомого дна 3 паливо, що є стиснутим газом, передається з бака 4 в передавальну камеру 9 за допомогою передавального засобу 10. Результатом зменшення об'єму в передавальній камері 9, пов'язаного з передачею палива в останню, є збільшення тиску в передавальній камері 9, що призводить спільно з дією поворотної сили пружини 18 до сповільнення рухомого дна 3 доти, доки воно знов не досягне першого положення (див. фіг. 1А). 9 Переважно, регуляторний тиск редуктора тиску може бути відрегульований за допомогою зміни тиску в системі керування або калібрування пружини за допомогою переміщення стінки так, щоб змінювати заряд палива, що вводиться при кожному циклі в передавальну камеру 9, і, таким чином, тиск вприскування і, отже, тягу. Далі може початися новий робочий цикл двигуна І в режимі відкритого впускання. До того ж, робочий цикл в режимі відкритого впускання такого детонаційного пульсуючого двигуна І являє собою наступне. По-перше, передбачається, що двигун І спочатку знаходиться в конфігурації, як показано на фіг. 1 С, в якій рухоме поперечне дно 3 займає описане раніше друге граничне положення. Додатково передбачається, що в передавальній камері 9 присутнє паливо, і додатковий засіб забезпечує подачу палива в детонаційну камеру. Коли за допомогою запалювального пристрою відбувається детонація детонуючої суміші, тиск в камері 7 згоряння значно збільшується, штовхаючи рухоме дно 3 назад (наліво на фіг. 1С). Під час такої фази зворотного переміщування рухомого дна 3 впускні канали 8 і канали 12 вприскування відкриваються. Під дією зменшення об'єму тиск в передавальній камері 9 збільшується, результатом чого є поступове сповільнення рухомого дна 3. Результатом різниці тиску між передавальною камерою 9 і камерою 7 згоряння додатко 94203 10 во є вприскування палива в останню через форсунки 11. Вприскування припиняється незадовго до того, як рухоме дно 3 досягне першого положення. На відміну від описаного раніше режиму відкритого вприскування, під час фази зворотного переміщування рухомого дна 3 в режимі закритого вприскування передача палива з бака 4 в передавальну камеру 9 не відбувається, досягається тільки вприскування палива з передавальної камери 9 в камеру 7 згоряння за допомогою форсунок 11 (палива, спочатку присутнього в передавальній камері). Дія поворотної сили стиснутої пружини 18 забезпечує зворотне посилання рухомого дна 3 уперед (направо на фіг. 1А). При цьому поворотному переміщенні результатом розширення, створеного в передавальній камері 9 рухомим дном 3, є те, що паливо, що міститься в баку 4, витягується і випаровується в передавальній камері 9 за допомогою передавального засобу 10. Під час наближення до другого положення (див. фіг. 1С) рухоме дно 3 сповільнюється і потім зупиняється у другому положенні за допомогою детонації детонуючої суміші, присутньої в камері 7 згоряння, таким чином починаючи новий робочий цикл двигуна І. У режимі закритого впускання зворотне переміщення рухомого дна 3 наліво забезпечує роботу по вприскуванню палива з передавальної камери 9 в камеру 7 згоряння. 11 94203 12 13 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 94203 Підписне 14 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601