RU2704431C1 - Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области воздушно-реактивных двигателей детонационного горения, эффективно работающих в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело, имеющее возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы. Воздушно-реактивный двигатель также содержит воздушный компрессор с системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник–смеситель, систему детонационного горения с расположенным внутри нее маятниковым керамическим шибером. 6 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Заявленное изобретение относится к области воздушно-реактивных двигателей детонационного горения, эффективно работающих в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей, которые могут использоваться для дальнемагистральной сверхзвуковой высокоэффективной авиации высокой экологии.

Из существующего уровня техники известны схемы устройств воздушно-реактивного детонационного горения - условно называемые «клапанная» и «бесклапанная» для пульсирующих двигателей и так называемая «спиновая» схема для ротационных детонационных двигателей отличающуюся от пульсирующих тем, что детонационное горение топливной смеси в них происходит непрерывно - фронт горения перемещается в кольцевой камере сгорания, в которой топливная смесь постоянно обновляется в «двигателях непрерывной детонации».

Основное отличие этих схем детонационного горения заключается в способе управления процессами наполнения камеры сгорания топливовоздушной смесью и освобождения от продуктов сгорания. В клапанных многокамерных схемах эти процессы управляются с помощью вращающихся клапанов или клапанов иных типов. Недостатки клапанных пульсирующих детонационных двигателей: обязательное использование дорогих материалов несгораемых стенок и клапанов, малая частота повторения циклов, связанная с трудностью обеспечения заданного ресурса работы, при котором клапаны в таком двигателе должны работать с высокой частотой (порядка 100 Гц), сложность конструкции синхронизации работы клапанов, которые отвечают за подачу топливной смеси, а также непосредственно самими циклами детонационного горения, а также отсутствие возможности эффективно работать в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей летательных аппаратов.

В известных бесклапанных схемах детонационного горения эти процессы связаны только с динамикой изменения давления в камере сгорания, Недостатки: сложность систем регулирования, поддержания или изменения детонационного горения и режимов их работы при сохранении прежней экономичности работы устройства, отсутствие «тяговой стенки», когда ударная детонационная волна, достигая тяговой стенки, рикошетирует от нее и значительно ускоряет большую часть продуктов детонации в сторону сопла для эффективного использования отраженной ударной детонационной волны, а также отсутствие возможностиэффективно работать в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей летательных аппаратов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является патент на полезную модель RU 164690 от 22.03.2016 (автор Криштоп Анатолий Михайлович (RU) и поэтому принятым за прототип, в котором описано «Маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения», характеризующееся тем, что включает в себя систему подачи воздуха, использующую, как минимум один источник предварительно сжатого воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении. Недостатки прототипа: отсутствие возможности эффективно работать в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей летательных аппаратов.

Таким образом, остается актуальной задача создания воздушно-реактивного двигателя детонационного горения, способного эффективно работать в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей летательных аппаратов и способного весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную топливовоздушную смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха в неохлаждаемой керамической камере сгорания, доведенной до «белого каления» с температурой стенки в 1300-1500°С, где в условиях запираемого (неизменного объема) на время начала «детонационного взрыва» паров топливовоздушной смеси, гарантированно и полноценно будет сгорать очень бедная топливовоздушная смесь при средней степени ее предварительного (до начала рабочего цикла) сжатия, с наличием «тяговой стенки», когда ударная детонационная волна, достигая тяговой стенки, рикошетирует от нее и значительно ускоряет большую часть продуктов детонации в сторону сопла для эффективного использования отраженной ударной детонационной волны.

Задачей достижения технического результата, на который направлено заявленное изобретение, является создание воздушно-реактивного двигателя детонационного горения, способного эффективно работать в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей летательных аппаратов и способного весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную топливовоздушную смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха в неохлаждаемой керамической камере сгорания, доведенной до «белого каления» с температурой стенки в 1300-1500°С, где в условиях запираемого (неизменного объема) на время начала «детонационного взрыва» паров топливовоздушной смеси, гарантированно и полноценно будет сгорать очень бедная топливовоздушная смесь при средней степени ее предварительного (до начала рабочего цикла) сжатия, с наличием «тяговой стенки», когда ударная детонационная волна, достигая тяговой стенки, рикошетирует от нее и значительно ускоряет большую часть продуктов детонации в сторону сопла для эффективного использования отраженной ударной детонационной волны.

Указанная задача (достижение технического результата) решается тем, что предложен широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого неизменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также, содержащее воздушный компрессор с приводом от теплового двигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложен широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого изменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также, содержащее воздушный компрессор с приводом от теплового двигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложен широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого неизменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также, содержащее воздушный компрессор с приводом от электродвигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении, а выходное сопло содержит МГД генератор.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложен широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого изменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также, содержащее воздушный компрессор с приводом от электродвигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении, а выходное сопло содержит МГД генератор.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложен широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого неизменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также, содержащее воздушный компрессор с комплексным приводом от теплового двигателя и электродвигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении, а выходное сопло содержит МГД генератор.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложен широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого изменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также, содержащее воздушный компрессор с комплексным приводом от теплового двигателя и электродвигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении, а выходное сопло содержит МГД генератор.

Другим отличием исполнения является то, что подвижный маятниковый керамический шибер работает с минимальным зазором без трения между торцевыми поверхностями керамической камеры сгорания без уплотнений.

Следующим отличием исполнения является то, что подвижный маятниковый керамический шибер работает с зазором между торцевыми поверхностями керамической камеры сгорания при наличии уплотнений.

Следующим отличием исполнения является то, что форма продольного сечения системы детонационного горения выполнена профилированной, а маятниковый керамический шибер выполнен несимметричным относительно своей оси поворотов.

Следующим отличием исполнения является то, что форма продольного сечения системы детонационного горения выполнена непрофилированной, а маятниковый керамический шибер выполнен симметричным относительно своей оси поворотов.

Следующим отличием исполнения является то, что устройства запуска процесса детонационного горения в керамической камере сгорания содержат дополнительную топливную систему с отдельным баком дополнительного легковоспламеняющегося топлива.

Следующим отличием исполнения является то, что выходное сопло содержит водяные форсунки и систему подачи воды к водяным форсункам. Сущность изобретения поясняется чертежами Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3.

На чертеже Фиг. 1 представлена общая функциональная схема широкодиапазонного воздушно-реактивного двигателя детонационного горения (далее - ШДВРДДГ) для варианта исполнения, состоящего из трансформируемого устройства подачи предварительно сжатого воздуха (далее - ТУППСВ), содержащего осесимметричный трансформируемый воздухозаборник - смеситель широкого диапазона скоростей 16, центральное тело 14 которого имеет вариант, например, неизменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также, содержащего воздушный компрессор 17 с вариантами привода 15 от электродвигателя и/или теплового двигателя с воздушным ресивером 19 и системой подачи воздуха 18 в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей 16, а также состоящего из маятниково-шиберное устройства реактивного детонационного горения (далее - МШУРДГ), содержащего форкамеру предварительно сжатого воздуха 2, топливную систему с выходной форсункой 1, динамичную камеру газогенерации 4, разделенную профилем сужения 3 на секторы (А 1, А 2, В 1, В 2), керамическую камеру сгорания 7 с секторами (С 1, С 2, D 1, D 2) и с двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения 9 и 10, выходное сопло 11 и маятниковый керамический шибер 12, жестко закрепленный на своей поворотной оси 5, подключенной к стартерному устройству, например, в виде электродвигателя постоянного тока с ограничителями поворота ротора и фиксатором среднего нейтрального положения (на чертеже не показаны), МГД генератор 13, расположенный в выходном сопле для варианта ШДВРДДГ с приводом 15, содержащим электродвигатель и вариантом исполнения ШДВРДДГ, например, в котором подвижный маятниковый керамический шибер работает с минимальным зазором без трения между торцевыми поверхностями керамической камеры сгорания без уплотнений, форма продольного сечения системы детонационного горения выполнена профилированной, а маятниковый керамический шибер выполнен несимметричным относительно своей оси поворотов. Функциональные схемы широкодиапазонного воздушно-реактивного двигателя детонационного горения (ШДВРДДГ) для других вариантов исполнения отдельных элементов конструкции аналогичны описанной. Положение на схеме подвижных элементов: центрального тела 14 соответствует сверхзвуковому режиму работы ТУППСВ при сверхзвуковых скоростях набегающего потока воздуха, а положение маятникового керамического шибера 12 предпусковому режиму работы МШУРДГ при фиксированном среднем положении подвижного маятникового керамического шибера 12, разделяющего симметрично систему детонационного горения в продольном сечении на две равные незапертые области 6 с секторами (А 2, С 1, С 2) и 8 с секторами (В 2, D 1, D 2) на схеме Фиг. 3 -с- в нерабочем предпусковом режиме.

На чертеже Фиг. 2 представлены варианты положений центрального тела 14 осесимметричного трансформируемого воздухозаборника-смесителя широкого диапазона скоростей 16 - для компрессорного режима работы ТУППСВ ка Фиг. 2 -а- при нулевых скоростях набегающего потока воздуха и для дозвукового режима работы ТУППСВ на Фиг. 2 -b- при дозвуковых скоростях набегающего потока воздуха.

На чертежах Фиг. 3 представлены схемы функционирования МШУРДГ, где Фиг. 3 -с- предпусковое положение, Фиг. 3 -d- процесс сжатия топливововоздушной смеси и Фиг. 3 -е- процесс «детонационного взрыва» с выходом продуктов детонационного горения через выходное сопло.

Работа системы детонационного горения широко диапазонного воздушно-реактивного двигателя детонационного горения (ШДВРДДГ) по схемам Фиг. 3 осуществляется следующим образом.

Перед непосредственным началом работы ШДВРДДГ ТУППСВ формирует предварительно сжатый воздух на входе форкамеры предварительно сжатого воздуха 2, а система подачи топлива с топливной форсункой 1 формирует топливовоздушную смесь при определенной степени ее предварительного сжатия (до начала рабочего цикла) на входе динамичной камеры газогенерации 4 секторы (А 1, В 1)„ где в области сужения профиля 3 при увеличении давления формируются продукты газогенерации в секторах (А 2, В 2), при фиксированном среднем положении подвижного маятникового керамического шибера 12, разделяющего симметрично систему детонационного горения в продольном сечении на две равные незапертые области 6 с секторами (А 2, С 1, С 2) и 8 с секторами (В 2, D 1, D 2) на схеме Фиг. 3 -с- предпусковое положение.

Непосредственный запуск работы МШУРДГ начинается при работе стартерного устройства, которое поворачивая в одну из сторон подвижный маятниковый керамический шибер 12 образует динамично запираемые противофазные области системы детонационного горения, и на примере схемы Фиг. 3 -d- процесс сжатия топливовоздушной смеси, первой по ходу движения воздушно-топливной смеси динамично запертой области (А 1, В 1, А 2, С 1) системы детонационного горения, которая в начале хода движения воздушно-топливной смеси формирует предварительное ее сжатие в зоне сужения (А 1, В 1) динамичной камеры газогенерации 5 и дополнительное сжатие продуктов газогенерации при торможении потока в зоне сужения области (А 2, С 1) с максимальным увеличением температуры и давления продуктов газогенерации у соответствующего устройства запуска процесса детонационного горения 10 керамической камеры сгорания 7, которое инициирует детонационную волну, например в детонационной трубке электрическим разрядом необходимой для этого мощности с последующим общим «детонационным взрывом» парой рабочей топливовоздушной смеси в запертой области (А 2, С 1) (неизменного объема) на время начала «детонационного взрыва», что приводит под действием детонационной волны к быстрому повороту подвижного маятникового керамического шибера 12 в противоположную сторону с образованием уже двух других запертых областей системы детонационного горения: область (А 2, С 1, С 2, D 2, выходное сопло 11) после произведенного «детонационного взрыва», которая обеспечивает эффективную реактивную тягу сверхзвукового выхода продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси с использованием боковой поверхности маятникового керамического шибера 12 в качестве «тяговой стенки» на схеме Фиг. 3 -е- процесс «детонационного взрыва» с выходом продуктов детонационного горения через выходное сопло 11, а при этом с противоположной стороны боковой поверхности маятникового керамического шибера 12 образуется новая первая по ходу движения обновляемой топливовоздушной смеси запертая область (А 1, В 1, В 2, D 1) системы детонационного горения со своим устройством запуска процесса детонационного горения 9 и процесс «детонационного взрыва» повторяется аналогично вышеописанному процессу в запертой об лас га (A 1, B 1, А 2, С 1) системы детонационного горения на схеме Фиг. 3 -d- а далее процесс детонационного горения переходит в автоколебательный режим с последующим отключением стартерного устройства и устройств запуска процесса детонационного горения 9 и 10 при достижении режима «белого каления» керамической камеры сгорания 7, доведенной до температуры стенки в 1300-1500°С с эффектом калильного зажигания для паров рабочей топливовоздушной смеси, что позволяет весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную рабочую топливовоздушной смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха и эффективность таких двигателей будет достаточно высока при взрывном (детонационном.) сгорании - скорость около 2000 м/сек, по сравнению с нормальным горением - фронт горения имеет скорость 20-40 м/сек и полученная, таким образом, высокая ионизация уходящих газов реактивной струи позволяет эффективно использовать МГД генератор 13; устанавливаемый в выходном сопле 11, для электроснабжения элекродвигателя, применяемого для привода 15 компрессора 17 в ТУППСВ по схеме Фиг. 1. Для варианта использования только теплового двигателя для привода 15 компрессора 17 в системе подачи воздуха МГД генератор 13 не устанавливается в выходном сопле 11. Алгоритм работы других вариантов исполнения отдельных элементов системы детонационного горения ШДВРДДГ аналогичен описанной.

Работа ТУППСВ широкодиапазонного воздушно-реактивного двигателя детонационного горения (ШДВРДДГ) эффективно работающего в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей для варианта, например, исполнения воздушного компрессора 17 с приводом 15 от теплового двигателя и электродвигателя, осуществляется по схемам Фиг. 1 и Фиг. 2 следующим образом. При нулевой скорости набегающего потока воздуха, например на старте летательного аппарата с ШДВРДДГ, центральное тело 14, имеющее возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы переводится в положение полного герметичного закрытия доступа наружного воздуха на входе осесимметричного трансформируемого воздухозаборника-смесителя широкого диапазона скоростей 16 для компрессорного режима работы ТУППСВ Фиг. 2 -а- при нулевых скоростях набегающего потока воздуха и при номинальном давлении сжатого воздуха в воздушном ресивере 19 при отключенной системе подачи воздуха 18 Фиг. 1. Затем запускается тепловой двигатель привода 15 воздушного компрессора 17 и включается система подачи воздуха 18 в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей 16 и таким образом создавая область предварительно сжатого воздуха на уходе форкамеры предварительно сжатого воздуха 2 Фиг. 1 и с дальнейшим запуском в работу МШУРДГ ЩДВРДДГ, описанным по схемам Фиг. 3. При этом электроэнергия от МГД генератора 13 используется для работы электродвигателя привода 15 воздушного компрессора 17 и давление предварительно сжатого воздуха на входе форкамеры предварительно сжатого воздуха 2 Фиг. 1 увеличивается с увеличением тяги на выходе выходного сопла i i, и таким образом, уже достаточной для эффективного взлета летательного аппарата с ШДВРДДГ. При достижении скорости набегающего воздушного потока для создания давления в камере осесимметричного трансформируемого воздухозаборника-смесителя широкого диапазона скоростей 16 соизмеримого с давлением воздуха от воздушного компрессора 17 центральное тело 14, имеющее возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы переводится в положение частичного открытия камеры осесимметричного трансформируемого воздухозаборника-смесителя широкого диапазона скоростей 16 Фиг. 1, а при достижении дозвуковых скоростей набегающего потока воздуха на входе осесимметричного трансформируемого воздухозаборника-смесителя широкого диапазона скоростей 16 в положение центрального тела 14 на Фиг. 2 -b- при дозвуковых скоростях набегающего потока воздуха с отключением привода 15 воздушного компрессора 17 и отключением системы подачи воздуха 18 и переходом в дозвуковой режим работы ТУППСВ ШДВРДДГ. При дальнейшем увеличении скорости полета до сверхзвуковых скоростей центральное тело 14, имеющее возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы ТУППСВ переводятся в положение частичного открытия камеры осесимметричного трансформируемого воздухозаборника-смесителя широкого диапазона скоростей 16 Фиг. 1, а формирование необходимых скачков давления для достижения оптимального давления в форкамере 2 системы детонационного горения Фиг. 1 может также дополнительно регулироваться изменением формы цен трального тела 14 для вариантов исполнения с изменяемой формой центрального тела 14. При уменьшении скорости полета переход на дозвукой режим и посадочный компрессорный режим работы ШДВРДДГ аналогичны вышеописанным. Алгоритм работы других вариантов исполнения ШДВРДДГ аналогичен описанному.

Общая эффективность ШДВРДДГ на взлетных режимах может быть значительно улучшена при варианте использовании водяных форсунок перед зоной сужения в области конфузора выходного сопла, когда давление рабочею тела на выходе сопла будет увеличено за счет дополнительной работы при расширении водяного пара, образованного при мгновенном испарении воды в зоне высокой температуры детонационной волны.

Для вариантов исполнения ШДВРДДГ. использующих в работе режимы разной степени предварительного сжатия основной рабочей смеси, в режиме малой степени предварительного сжатия основной рабочей смеси высокая эффективность системы запуска процесса детонационного горения может быть достигнута за счет использования комбинированных устройств запуска процесса детонационного горения в керамической камере сгорания, которые содержат дополнительную топливную систему с отдельным баком дополнительного легковоспламеняющегося топлива для возможности инициации и запуска общего процесса детонационного горения в режиме низкой степени предварительного сжатия основной топливовоздушной смеси.

Таким образом, изобретение охватывает несколько десятков возможных вариантов исполнения, которые могут быть универсально использованы в различных конструкциях широкодиапазонных воздушно-реактивных двигателей детонационного горения, эффективно работающих в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей, которые могут использоваться для дальне-магистральной экономичной сверхзвуковой авиации высокой экологии за счет эффективного и полноценного детонационного сжигания очень бедной топливовоздушной смеси при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха.

Благодаря вышеперечисленному в изобретении достигается технический результат, заключающийся в создании широкодиапазонного воздушно-реактивного двигателя детонационного горения, способного эффективно работать в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей летательных аппаратов и способного весьма эффективно и полноценно сжигать очень бедную топливовоздушную смесь при значительном и гарантированном коэффициенте избытка воздуха в неохлаждаемой керамической камере сгорания, доведенной до «белого каления» с температурой стенки в 1300-1500°С, где в условиях запираемого (неизменного объема) на время начала «детонационного взрыва» паров топливовоздушной смеси, гарантированно и полноценно будет сгорать очень бедная топливовоздушная смесь при средней степени ее предварительного (до начала рабочею цикла) сжатия, с наличием «тяговой стенки», когда ударная детонационная волна, достигая тяговой стенки, рикошетирует от нее и значительно ускоряет большую часть продуктов детонации в сторону сопла для эффективного использования отраженной ударной детонационной волны.

Список литературы

1. А.А. Васильев. Особенности применения детонации в двигательных установках, с. 129, 141-145.

2. Ф.А. Быковский и др. Инициирование детонации в потоках водородно-воздушных смесей, с. 521-539 / Импульсные Детонационные Двигатели. Под редакцией д.ф.м.н. С.М. Фролова. ТОРУС-ПРЕСС, М., 2006).

3. В.А. Левин и др. Инициирование газовой детонации электрическими разрядами / Импульсные Детонационные Двигатели. Под редакцией д.ф.м.н. С.М. Фролова. ТОРУС-ПРЕСС, 2006, М, с. 235-254.

4. Ю.Н. Нечаев. Теория авиационных газотурбинные двигателей Часть 1. 1977, с. 312.

5. Тамоян Г.С Учебное пособие по курсу "Специальные электрические машины" - МГД-машины и устройства.

Claims (12)

1. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого неизменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также, содержащее воздушный компрессор с приводом от теплового двигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя, как минимум, одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении.

2. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого изменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также содержащее воздушный компрессор с приводом от теплового двигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении.

3. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого неизменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также содержащее воздушный компрессор с приводом от электродвигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении, а выходное сопло содержит МГД генератор.

4. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого изменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также содержащее воздушный компрессор с приводом от электродвигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении, а выходное сопло содержит МГД генератор.

5. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого неизменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также, содержащее воздушный компрессор с комплексным приводом от теплового двигателя и электродвигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении, а выходное сопло содержит МГД генератор.

6. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения, характеризующийся тем, что включает в себя трансформируемое устройство подачи предварительно сжатого воздуха, содержащее осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, центральное тело которого изменяемой формы и имеет возможность перемещения вдоль оси для изменения режимов работы от полного закрытия доступа воздуха на входе до частичного открытия на сверхзвуковых режимах и полного открытия на дозвуковых режимах работы, а также содержащее воздушный компрессор с комплексным приводом от теплового двигателя и электродвигателя с воздушным ресивером и системой подачи воздуха в осесимметричный трансформируемый воздухозаборник-смеситель широкого диапазона скоростей, а также включает в себя маятниково-шиберное устройство реактивного детонационного горения, содержащее форкамеру предварительно сжатого воздуха после системы подачи воздуха, систему подачи топлива, использующую, как минимум, один вид топлива, и систему детонационного горения, состоящую из динамичной камеры газогенерации, керамической камеры сгорания, с, как минимум, двумя отдельными устройствами запуска процесса детонационного горения, работающими, как минимум, от основной топливной системы, выходного сопла и маятникового керамического шибера, расположенного внутри системы детонационного горения, ось которого имеет возможность фиксации его в среднем положении, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две равные симметричные незапертые области в нерабочем режиме, и возможность ограниченных поворотов в крайние положения керамического шибера в рабочем режиме, для разделения системы детонационного горения в продольном сечении на две поочередно динамично запираемые в противофазе области системы детонационного горения, одна из которых открыта со стороны подачи топливовоздушной смеси и заперта в сторону выходного сопла, а другая в противофазе, заперта со стороны подачи топливно-воздушной смеси и открыта в сторону выходного сопла, а также включает в себя как минимум одно стартерное устройство, которое имеет возможность ограниченно поворачивать ось маятникового керамического шибера в его крайние положения, а также фиксировать ось маятникового керамического шибера в его среднем положении, а выходное сопло содержит МГД генератор.

7. Широкодиапазонный воздушно-реактивный; двигатель детонационного горения по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что подвижный маятниковый керамический шибер работает с минимальным зазором без трения между торцевыми поверхностями керамической камеры сгорания без уплотнений.

8. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что подвижный маятниковый керамический шибер работает с зазором между торцевыми поверхностями керамической камеры сгорания при наличии уплотнений.

9. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что форма продольного сечения системы детонационного горения выполнена профилированной, а маятниковый керамический шибер выполнен несимметричным относительно своей оси поворотов.

10. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что форма продольного сечения системы детонационного горения выполнена непрофилированной, а маятниковый керамический шибер выполнен симметричным относительно своей оси поворотов.

11. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что устройства запуска процесса детонационного горения в керамической камере сгорания содержат дополнительную топливную систему с отдельным баком дополнительного легковоспламеняющегося топлива.

12. Широкодиапазонный воздушно-реактивный двигатель детонационного горения по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что выходное сопло содержит водяные форсунки и систему подачи воды к водяным форсункам.

Images