EA015726B1 - Комбинированный реактивный многорежимный двигатель - Google Patents

Abstract

Техническое решение относится к двигателестроению, в частности к реактивным двигателям. Состоит из камер реактивных и сгорания, воздухозаборника, сопл, компрессора, размещенного поверх передней реактивной камеры, топливного и компрессорного насосов, находящихся на одном статоре с двухтактным роторно-поршневым двигателем (РПД) и имеющих техническое сходство с ним, позволяющим быть приводом при отсутствии источника окислителя извне, имеющего вид ротора в виде плоских колец, со вставленными между ними поршневыми стаканами и поршнями, скрепляемыми со штоками, а также подачу рабочих компонентов через топливные и компрессионные форсунки для нагнетания их в частично освобождаемую рабочую камеру, и вместе с компрессионным и топливным насосами механически связан через приёмные шестерни на внешней его стороне, а также распределительного механизма, размещенного в середине РПД, через который проходят все газожидкостные потоки, входящие через компрессор и топливно-газовые патрубки, также проходящие через компрессорный и топливный насосы и выходящие на две камеры сгорания, размещенные на одной оси противоположно, выходящие на реактивные камеры, вариативность использования которых наряду с внутренним характером работы определяет многорежимность двигателя.

Description

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к реактивным двигателям. Двигатель предлагается применять в авиации, космонавтике. Состоит из воздухозаборника, компрессора, двухтактного роторно-поршневого двигателя с повторным применением рабочего тела, топливного и компрессионного насосов, механизма распределения вещества, камер сгорания задней и передней тяги, реактивных камер, сопл, регулирующих направление и плотность выпускных газовых потоков, системы зажигания, системы управления.

Уровень техники

Известны различные двигательные установки, функция которых - создание реактивной тяги, обеспечивающей передвижение летательного аппарата в пространстве, разделяемые на две группы - ракетные и воздушно-реактивные (Кулагин В.В. Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергических установок, Москва, Машиностроение, 2002 г.). Например, турбореактивные, роторнореактивные, прямоточные, ракетные жидкостные и твёрдотопливные, пульсирующие и др. Недостатками таких конструкций являются у некоторых низкий КПД, использование турбины или потолок применения (в слоях атмосферы, не содержащих кислород, не могут применяться). Различные варианты реактивных двигателей, например турбореактивный, описанный в патенте РФ № 2237185 С1, Р02К 3/00, Р02С 7/06, используют похожую схему работы двигателя, а именно захват кислорода из окружающей среды, поступающего в двигатель через воздухозаборник в компрессор, вместе с другими газами (азотом и другими), использующимися в качестве нагреваемого рабочего тела и участвующими в образовании реактивной тяги, далее смешивание кислорода с топливом и окисление последнего с выделением тепловой энергии в камерах, и выход продуктов сгорания и не участвующих в процессе горения газов через сопло. В итоге производится реактивная тяга за счёт отбрасывания продуктов сгорания и газов, только нагреваемых, с большой скоростью и небольшой массой. Эта схема решается у разных реактивных двигателей поразному, например использование механического привода - у турбореактивных механизмы двигателя приводятся в движение за счёт турбины, у роторно-реактивных - за счёт ротора, у других отдельным механизмом в виде двигателя внутреннего сгорания; или смешивание воздуха с топливом - либо распылением последнего или превращения его в газообразное состояние и затем смешивание и другие варианты; или конструкторским решением размещения механизмов для улучшения КПД двигателя. В общем, один из режимов работы реактивного многорежимного двигателя имеет сходство с применяемой схемой в воздушно-реактивных двигателях. При работе двигателя только по такой схеме невозможно его применение в среде, не содержащей кислорода.

Ракетные же двигатели по сравнению с воздушно-реактивными двигателями работают и в среде, не содержащей кислорода, но в плотных слоях атмосферы всё-таки более эффективнее использовать воздушно-реактивные. Разделяются ракетные на твёрдотопливные и житкостные (Алемасов В.Е. Теория ракетных двигателей, Москва, Машиностроение, 1989 г.), например, в патенте РФ 2148181 Р02К 9/48 описан ракетный двигатель с топливом в жидком состоянии, однако при этом имеют ряд недостатков, среди них низкий КПД, необходимость применять ступенчатую систему размещения двигателей (если задачей является вывод полезной нагрузки на орбиту), применение дополнительных механизмов для запуска ракет, сложность управления.

А также существует отдельный класс реактивных двигателей - комбинированный, к которому относится предлагаемое техническое решение, соединяющее в себе как признаки воздушно-реактивного, так и ракетного двигателя. Известные комбинированные двигатели представляют из себя сочетание турбинного и прямоточного (ТПД), либо ракетного и прямоточного (РПД) или ракетного и турбинного (РТД) двигателей (Кулагин В.В. Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергических установок, Москва, Машиностроение, 2002 г.). Реактивный многорежимный двигатель имеет отличие от перечисленных применением двигательного механизма (двигателя внутреннего сгорания) в качестве механического привода, вырабатывающего механическую энергию не только в условиях приёма окислителя из окружающей среды, но и при его отсутствии, используя его из дополнительных баков.

Известно различное множество двигательных установок, целью которых является преобразование энергии расширяющихся газов во вращательное механическое движение. Например, такие как роторные, турбинные, поршневые, лопастные, роторно-поршневые двигатели и различные их комбинации, отличающиеся механизмом преобразования давления расширяющихся газов во вращательное движение, тактностью протекания циклов, способу образования воспламеняемой смеси, строением рабочих камер и взаимным размещением механических деталей. Целью же их применения не является их использование в условиях отсутствия внешних источников окислителя, а также в ходе их работы рабочее тело при каждом цикле меняется. Тогда как в роторно-поршневом двигателе (РПД) с повторным применением рабочего тела, применяемым в качестве механического привода в реактивном многорежимном двигателе, предусмотрена возможность его работы в условиях отсутствия внешнего окислителя. Роторнопоршневой двигатель имеет такой же механизм работы поршня, как и в поршневых двигателях, а именно возвратно-поступательный. Воспламеняемая смесь образуется через впрыскивание. Но в отличие от других наряду с топливной форсункой имеет ещё и форсунку, которая инжектирует в рабочую камеру сдавленный воздух или кислород. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения во враща

- 1 015726 тельное имеет схожесть с механизмом, описанным в поршневой машине из патента РФ 2157892 С2, Р01В 9/06, Р02В 75/32, Р16Н 21/28, в котором, как и в РПД, поршень крепится неподвижно к штоку, выполняющему возвратно-поступательные движения за счёт изменения изгиба ротора. В случае с РПД повторного применения рабочего тела поршни и поршневые стаканы размещаются в роторе, а шток закрепляется на дорожках неподвижного распределительного кольца, выполненного в форме эллипса, и за счёт этого изгиба обеспечивается возвратно-поступательное перемещение поршня.

Задачей изобретения является возможность использования реактивного многорежимного двигателя выше потолка применения воздушно-реактивных двигателей, в более разрежённых слоях, содержащих небольшое количество кислорода, и в пространстве, не содержащем атмосферы, при переключении с режима работы, схожего с тем, который применяется в воздушно-реактивных двигателях, на режим, при котором окислитель для работы двигателя берётся с дополнительных баков, а также возможность летательного аппатата, использующего эти двигатели, вертикального подьёма и спуска.

При первом режиме двигатель работает в атмосферных слоях содержащих кислород, который поступает через воздухозаборник в компрессор, сдавливается в нем, и, пройдя воздушные каналы, смешивается с инжектируемой горючей смесью, поступая в камеру сгорания для воспламенения.

Двигатель имеет кроме основной тяги - переднюю, для торможения летательного средства, например, при спуске в атмосферные слои земли. А снизив скорость до необходимого уровня, при вхождении в плотные слои, нет необходимости иметь специальные системы торможения и жаростойкие слои на аппарате, что дополнительно позволяет использовать летательному средству крылья для улучшенных аэродинамических характеристик аппарата, тогда как в ракетной технике использование крыльев для вывода на орбиту полезного груза ограничено из-за сопротивляемости воздуха плотных слоёв при вертикальном разгоне и спуске аппарата в атмосферу и малоэффективно. Сочетая одновременно переднюю и заднюю тяги, можно обеспечить вертикальный подъем и спуск летательного аппарата в условиях применения специальных гибких сопл, управляя ими, изменение направления газовых потоков на достаточный угол, чтобы образовать ими подъемный импульс. Переднее сопло при применении летательным аппаратом только задней тяги, как в обычных самолетах, сужается до минимума, обеспечивая обтекаемость конструкции при полете в атмосферных слоях.

Второй режим предназначен для работы двигателя в разряжённом воздухе, содержащем незначительное количество кислорода, или в безвоздушном пространстве и включается на высотах, являющимися потолком применения воздушно-реактивных двигателей. При этом подача через воздушный компрессор воздуха прекращается, а вместо воздуха поступает в двигатель кислород из дополнительных баков.

Недостатком данного технического решения является необходимость применять более эффективную систему охлаждения, а также сложность некоторых узлов двигателя.

Техническим результатом является использование встроенного роторно-поршневого двигателя (РПД) в реактивном для привода его механизмов. Особенностью этого двигателя является одновременная подача в рабочие камеры сдавленного воздуха или кислорода из компрессионного насоса и топлива из топливного насоса и повторного использования рабочего тела (сгоревших газов) при частичном выводе излишних газов после завершения рабочего хода через выпускные клапаны, оставляя в рабочих камерах необходимое количество компрессионных газов для дальнейшего впрыскивания в них топлива и окислителя. Это даёт РПД возможность работать в пространстве не содержащем кислород, приводя в движение реактивные топливные и компрессорные насосы высокого давления и другие механизмы.

Роторно-поршневой двигатель представляет собой ротор в виде плоских колец, соединенных между собой, со вставленными в него поршнями, выполняющими возвратно-поступательные движения, вращающийся на цилиндрическом корпусе, ядре реактивного двигателя, на котором в центре также вращаются роторы топливного и компрессионного насосов, приводящиеся в движения роторно-поршневым двигателем, и питающие не только реактивный двигатель, но и его (РПД), через систему распределения веществ, размещенной в ядре реактивного двигателя. РПД является двухтактным. Рабочий цикл: инжекция сдавленного воздуха или окислителя и топлива в рабочую камеру со сжатыми газами после их сжатия поршнем и их воспламенение, рабочий ход при отводе поршня, в конце которого через выпускной клапан выводятся излишки рабочего тела, сдавливание оставленных сгоревших газов поршнем с последующим началом другого цикла.

Сущность изобретения заключается в режимах работы реактивного двигателя, позволяющих работать двигателю в разных средах. Общий вид двигателя изображен на фиг. 1.

При первом режиме (режим использования окислителя из окружающей среды) через воздухозаборник 1 воздух поступает в компрессор 2 (фиг. 2) и сдавливается, затем часть идет по воздушным каналам 3, поступая в камеру сгорания 4, где смешивается с инжектируемым топливным потоком для горения, другая часть по другим воздушным каналам 5 поступает в реактивную камеру 6. Часть сдавленного воздуха, проходя через воздушные каналы 5, идёт к кислородному переключателю 7 (выполняющему функцию переключения или закрытия потоков (воздушных, кислородных), и далее по воздушнокислородному патрубку 8 к компрессионному насосу 9, который закачивает воздух в РПД 10, подаваемый уже под высоким давлением, вместе с топливом. Работая РПД 10 приводит в движение все механизмы реактивного двигателя. Сгоревшие газы от РПД 10 выводятся в реактивную камеру 6. Топливо по

- 2 015726 топливным патрубкам 11 поступает под некоторым давлением к топливному насосу 12, затем под высоким давлением распределяется по патрубкам высокого давления 13, большая часть идет на реактивную топливную форсунку 14 (инжектирующую топливо в камеру сгорания 4) через топливный переключатель высокого давления 15, остальное поступает в РПД 10.

При втором режиме (режиме использования окислителя из баков) воздухозаборник 1 и компрессор 2 выключаются. Воздушные каналы 3, 5 (фиг. 3) закрываются дисковыми переключателями 16, 17 (фиг. 4, 5). Из баков по кислородным патрубкам 18 в двигатель поступает окислитель, направляясь в компрессионный насос 9 через кислородные переключатели 7, которые при первом режиме были переключены на сдавленный воздух. Компрессионный насос 9 при этом уже подводит окислитель не только к РПД 10, но и к камере сгорания 4 на реактивные кислородные форсунки 19, в результате чего необходимо увеличить подачу компрессионного насоса 9, что решается переключением на определённый уровень подачи сразу при включении второго режима. Подача окислителя из компрессионного насоса 9 на кислородную реактивную форсунку 19 идёт через кислородные переключатели высокого давления 20, ранее закрывающие проход. Движение топлива протекает так же, как и при первом режиме работы.

Реактивная камера 6 передней тяги находится в середине по отношению к воздухозаборнику 1 и воздушному компрессору 2.

Применяя один из режимов, можно менять тягу (включение передней, задней или одновременная их работа) при направлении потоков топлива и окислителя топливными переключателями высокого давления 15 и кислородными переключателями высокого давления 20, связывающими топливный 12 и компрессионный 9 насосы и реактивные топливные и кислородные форсунки 14, 19; а также при использовании дисковых переключателей 16, 17, закрывающими или открывающими воздушные потоки в переднюю или заднюю реактивные камеры.

В обоих из режимов двигателя возможна одновременная работа передней и задней тяги для вертикального подъёма или спуска, при этом необходимо изменение направления реактивных сопл 21 вниз на определённый угол. Что может быть решено изменением положения переключателей 15, 20 с однопоточного на разнопоточное положение, положение, при котором топливное и кислородное вещество направляется одновременно на реактивные форсунки 14, 19, относящиеся к заднему и переднему ходу.

Работая, топливный 12 и компрессионный 9 насосы питают одновременно РПД 10 и реактивные форсунки 14, 19 и при уменьшении или увеличении подачи топлива и окислителя распределение веществ будет равномерно соответствовать пропускным способностям патрубков. Увеличивая подачу топлива в топливном насосе 12, при одновременном увеличении подачи в компрессионном насосе 9 мощность РПД 10 возрастает, увеличивая и мощность реактивного двигателя.

На фиг. 6 изображён роторно-поршневой двигатель повторного применения рабочего тела, представляющий собой ротор 22 (фиг. 7) в виде двух плоских колец, скреплённых между собой, с закреплёнными между ними поршневыми стаканами 23. Ротор вставляется на статор (ядро реактивного двигателя) 24 на роторную дорожку 25 (фиг. 8), плотно закрытую перегородками 26 (фиг. 10). Между ротором 22 и статором 24 устанавливаются подшипники 27, на другой стороне дисков ротора 22 размещены шестеренчатые венцы 28 для передачи механической энергии на приёмные шестерни 29 и далее от них на передаточные валы 30, которые связаны с топливным 12, компрессионным 9 насосами и другими механизмами. Через передаточные валы 30 осуществляется привод и на компрессор 2.

Работа роторно-поршневого двигателя

В РПД рабочий цикл состоит из двух тактов. За один оборот ротора поршень 31 (фиг. 11) делает два рабочих хода и два возвратно-поступательных движения. Головка поршня 32 направлена в центр реактивного двигателя, юбка поршня 33 наклонена по ходу движения ротора 22. К поршню 31 крепится неподвижно шток 34, на котором закреплены внешний 35 и внутренний ролики 36, которые вставляются на распределительное кольцо 37, по которому они ходят. Распределительное кольцо 37 крепится к внешнему корпусу двигателя и имеет эллиптическую форму. После начала рабочего хода, в начале которого в рабочую камеру 38 впрыскиваются топливной 39 и компрессорной 40 форсунками (фиг. 13) топливо и окислитель, газы, воспламеняясь, давят на поршень 31, который отводится внутрь соответственно изгибу распределительного кольца 37, передавая движение ротору 22. Пройдя четверть оборота ротора, заканчивается первый такт цикла отводом поршня 31, в конце которого лишние газы выводятся выпускным клапаном 41 (клапаном, открывающимся при превышении определённого давления) из рабочей камеры 38.

Второй такт начинается со сжатия рабочего тела (сгоревших газов). Распределительное кольцо 37 сужается и это приводит к возврату штока 34 с поршнем 31, рабочая камера 38 сжимается, сдавливая рабочее тело в ней, поршневое окно 42 подходит к инжекторному окну 43 (выемке, где размещаются топливная 39 и компрессионная 40 форсунки). Второй такт завершается сжатием рабочего тела. После совпадения окон 42, 43 начинается следующий цикл, впрыскиванием топлива и окислителя в камеру сгорания.

На фиг. 12 показаны соединения штока 32.

Между поршневыми окнами 42 размещаются компрессионные ролики 44, для герметизации рабочих камер 38, которые ходят по внутренней части роторной дорожки 25, на которой размещены инжек

- 3 015726 торные 43 и выпускные окна 45 (фиг. 10, 11).

Устройство топливного 12 и компрессионного 9 насосов аналогично и похоже на устройство РПД 10 (фиг. 14), хотя и имеет некоторое отличие от РПД 10. Состоят из топливного и компрессионного роторов 46 вставленных на роторные дорожки 25 (фиг. 15), закрываемые перегородками 26, между роторами 46 и статором 24 размещены подшипники 27. Роторы, также как и в РПД 10, имеют вид плоских колец, соединённых с собой и вставленными между ними поршневыми топливными или компрессионными стаканами 47. Регулировка подачи топлива, воздуха или кислорода в насосы 9, 12 производится за счёт изменения изгиба топливных и компрессионных распределительных колец 48, показанных на фиг. 16, 17.

Ход работы топливного и компрессионного насосов 12, 9.

Поршень насоса 49 за один оборот топливного и компрессионного роторов 46 делает два возвратнопоступательных движения, производя две инжекции, распределение топлива, воздуха и кислорода идёт в зависимости от режимов работы. Вещество в камеру сжатия 50 поступает из впускного окна 51 (фиг. 9) после завершения впрыска вещества при отводе поршня 49, который отводится до уровня, который позволяет расширение распределительного кольца 48, затем при сужении распределительного кольца 48, вещество сжимается в камере сжатия 50. Когда топливное или компрессионное поршневое окно 52 дойдёт до клапанного окна 53 (фиг. 9), вещество из камеры сжатия 50 направится к клапану высокого давления 54 (клапан, через который пропускается вещество выше определённого высокого давления) и вещество проходит через него до тех пор, пока давление в камере сжатия 50 не снизится ниже пропускной способности клапана 54.

На фиг. 23 и 24 дополнительно показаны соединения клапанов высокого давления с распределительным механизмом 55.

Распределительный механизм 55, изображенный на фиг. 2, 18, 19, 20, 21, 22, управляет потоками топлива, воздуха и кислорода в реактивном двигателе. Он состоит из кислородных переключателей 7, топливных и кислородных переключателей высокого давления 15, 20, патрубков 8, 11, 13, 18, дисковых переключателей 16, 17.

Дисковые переключатели 16, 17 выполняют функцию закрытия прохода от воздушных каналов 3, 5 к камере сгорания 4 и реактивной камере 6 двигателя и переключаются при изменении либо режима работы двигателя, либо изменении направления тяги. При первом режиме они открыты, при включении второго закрываются, а также закрываются при отключении одной из реактивных камер. Они имеют вид полого цилиндра с проделанными по бокам отверстиями для прохода через них воздуха, вращая переключатели, можно смещать отверстия, тем самым закрывая проход воздуха через них, либо открывая.

Кислородные переключатели 7 (фиг. 21) имеют вид диска с проделанным в нём изогнутым проходом, изменяя его положение, блокируется один патрубок и открывается другой, переключается при смене режимов работы двигателя, при первом режиме пропускает воздух, при втором кислород.

Кислородные и топливные переключатели высокого давления 15, 20 (фиг. 19, 20), также как и кислородные переключатели 7 имеют вид диска, но уже со сделанными в нём тремя входами, соединенными посередине, два входа размещены ближе друг к другу, по отношению к третьему под углом 45°. Изменение положения диска приводит к изменению направления потока вещества или к его закрытию. У переключателей 15, 20 имеются 4 положения, включение которых зависит как от режима работы реактивного двигателя, так и от направления тяги двигателя. Кислородные переключатели высокого давления 20 при первом режиме работы закрывают проход к кислородным реактивным форсункам 19. При включении второго режима могут направлять поток либо к одной из реактивных кислородных форсунок 19 камер сгорания 4 переднего или заднего хода, либо к обоим одновременно. Топливные переключатели высокого давления 15 направляют топливо к реактивным топливным форсункам 14 задней и передней тяги в зависимости от необходимости использования одной из них, так же как и кислородные переключатели высокого давления 15.

Переключая режимы работы реактивного двухрежимного двигателя, можно использовать двигатель в условиях, более подходящих к одному из режимов. Так в плотных слоях атмосферы, содержащих кислород, более удобно применять режим работы, в котором двигатель работает по принципу воздушнореактивного, характерный относительно малым затратам топлива (по отношению в ракетным двигателям), при этом летательное средство разгоняется до звуковой скорости, поднимаясь на достаточную высоту и менее плотную, до границ, где использование этого режима малоэффективно. Далее на высотах, более разрежённых и следовательно более эффективных для ракетных двигателей, лучше использовать режим работы реактивного многорежимного двигателя, при котором окислитель берётся из дополнительных баков. Двигатель может быть применен при спуске с низких орбит с первой космической скорости, для торможения аппарата и вследствие смягчения сопротивления атмосферы.

Источники информации, принятые во внимание

1. Кулагин В.В. Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергических установок, Москва, Машиностроение, 2002 г.

2. Алемасов В.Е. Теория ракетных двигателей, Москва, Машиностроение, 1989 г.

3. Патент РФ № 2237185 С1, Е02К 3/00, Е02С 7/06, 2003 г.

- 4 015726

4. Патент РФ № 2148181, Р02К 9/48, 1998 г.

5. Патент РФ № 2157892 С2, Р01В 9/06, Р02В 75/32, Р16Н 21/28, 1999 г.

Claims (1)

1. Комбинированный воздушно-реактивно-ракетный двигатель, содержащий воздушный компрессор, роторно-поршневой двигатель, топливный и воздушно/окислительный насосы, распределительную систему, камеры зажигания и сгорания, при этом роторно-поршневой двигатель выполнен в виде ротора, состоящего из дисков, установленных на цилиндрическом статоре, на его дорожках с подшипниками, и размещенными между ними цилиндрами с поршнями, соединенными со штоками и наклоненными в сторону движения ротора, при этом штоки на другом конце снабжены роликами, которые передвигаются по установленной отдельно от ротора на корпусе реактивного двигателя эллипсоидной дорожке; при этом топливный и воздушно/компрессионный насосы, приводимые в движение роторно-поршневым двигателем, обеспечивают подачу топлива, сжатого воздуха или окислителя для роторно-поршневого двигателя в камеры зажигания и сгорания, а также топливный и воздушно/окислительный насосы выполнены, как и роторно-поршневой двигатель, в виде дисков с содержащимися между ними цилиндрами и поршнями, направленными в обратную сторону хода движения ротора, с дополнительным роликом на штоке, примыкающим к еще одной эллипсоидной дорожке, что обеспечивает возможность оттягивать поршень для закачки топлива, воздуха или окислителя; а у роторно-поршневого двигателя в статоре на цилиндрической поверхности имеются каналы подачи топлива, сжатого воздуха или окислителя и окна выпуска отработанных газов; а также в статоре на цилиндрической поверхности у топливного и воздушно/окислительного насосов размещены удлиненные каналы подачи топлива, сжатого воздуха или окислителя и окна выпуска указанных веществ из насосов; также распределительная система выполнена с возможностью переключения режимов работы реактивного двигателя между воздушно-реактивным и ракетным и содержит переключатели потоков и заглушку, изменяющие подачу компрессионного воздуха на окислитель из баков и закрывающие окна, через которые подается воздух от компрессора в камеру сгорания, при этом распределительная система устроена так, что связывает снабжение горючим и окислителем роторно-поршневой двигатель и камеру зажигания, камера сгорания которой является продолжением.