двигатель с пульсирующей детонацией

Формула изобретения

1. Двигатель с пульсирующей детонацией с цикличной подачей заряда топлива в камеру (5) сгорания жаровой трубы (2) с поперечным дном (3) при помощи устройства (6) питания, отличающийся тем, что поперечное дно (3) жаровой трубы (2) установлено подвижно относительно последней и может занимать два крайних положения: первое положение, соответствующее фазе детонации топливного заряда в камере сгорания (5) трубы (2), и второе положение, соответствующее фазе подачи топливного заряда в камеру (5), в боковой стенке (4) трубы (2) выполняют, по меньшей мере, одно отверстие (7) для впуска топливного заряда, которое перекрывается и отделяется от камеры (5) сгорания поперечным дном (3), когда последнее занимает свое первое положение, и которое сообщается с возможностью подачи топлива с камерой (5) сгорания, когда поперечное дно (3) занимает свое второе положение и в первом положении поперечное дно (3) жестко соединяется с трубой (2) при помощи разблокирующихся стопорных средств (9; 42, 43).

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что подвижное поперечное дно перемещается скольжением относительно трубы (2) между первым и вторым положениями.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что упомянутое подвижное поперечное дно поворачивается относительно трубы (2) между первым и вторым положениями.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поперечное дно (3) выполняют в виде поршня (10) с поперечной стенкой (11), направленной в сторону камеры, и с боковой юбкой (12), взаимодействующей со стенкой (4) трубы (2), перекрывая впускное отверстие (7) в первом положении поперечного дна (3), причем разблокирующиеся стопорные средства (9) содержат внутренний блок (14), установленный в поршне (10) с возможностью скольжения и проходящий через его поперечную стенку (11), выходя в камеру (5) сгорания, а также, по меньшей мере, один стопорный ролик (17), который зависит от перемещения блока (14) и может проходить в радиальном направлении через боковую юбку (12) поршня (10), заходя в приемное гнездо (20) трубы (2) и блокируя поперечное дно (3).

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поперечное дно (3) устанавливают с возможностью вращения на поршне (40), находящемся внутри жаровой трубы (2), и оно содержит периферические стопорные шипы (42), выполненные с возможностью взаимодействия в первом положении со стопорными гнездами (43), выполненными в жаровой трубе (2) и сообщающимися с камерой (5) сгорания, причем под действием детонации поперечное дно (3) поворачивается относительно поршня (40), прекращая взаимодействие стопорных шипов (42) и стопорных гнезд (43) и позволяя упомянутому поршню (40) занять второе положение.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в трубе (2) выполняют внутренний упор (8) для ограничения первого положения поперечного дна (3).

7. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что внутренний упор выполняют в виде внутреннего кольцевого заплечика (8) на боковой стенке (4) трубы (2), к которому прижимается поршень поперечного дна (3) в его первом положении.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в трубе (2) выполняют упругие возвратные средства (21) для перемещения поперечного дна (3) из его второго положения в первое положение.

9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что упругие возвратные средства (21) содержат, по меньшей мере, одну пружину (22), действующую на блок поперечного дна (3).

10. Двигатель по п.6, отличающийся тем, что боковое впускное отверстие (7) выполнено смежно с внутренним упором (8).

11. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что содержит устройство (30) зажигания, включающее в себя средства (31, 32, 33, 34), использующие возвратно-поступательное движение поперечного дна (3) для цикличного воспламенения топливного заряда.

12. Двигатель по п.11, отличающийся тем, что устройство (30) зажигания является устройством пьезоэлектрического типа и содержит подвижный боек (31), соединенный с подвижным поперечным дном, устройство (32) удержания, выполненное с возможностью удержания бойка (31) во взведенном положении, упругий элемент (33) возврата бойка (31) в ударное положение в результате разблокирования устройства (32) удержания и пьезоэлектрический орган (34), генерирующий электрический ток для воспламенения топливного заряда, когда боек (31) приходит в ударное положение.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к двигателю с пульсирующей детонацией, то есть к альтернативному двигателю внутреннего сгорания со сверхзвуковым режимом сгорания (детонация), позволяющим развивать высокие тяговые скорости.

Такой тип двигателя может применяться, в частности, но не исключительно, в авиационной, космической и военной областях для использования в самолетах, космических аппаратах, ракетах и т.д.

Известно, что детонация является частным вариантом распространения пламени в результате соединения ударной волны и фронта горения, когда ударная волна сжимает заряд топлива (смесь окислителя и горючего), находящийся в камере сгорания, доводя его давление до значения, находящегося за пределами точки самовоспламенения, и высвобождаемая в результате горения энергия обеспечивает, в свою очередь, постоянное воспроизведение ударной волны. Таким образом, рабочий цикл такого двигателя может быть сведен к трем тактам:

- первый такт, соответствующий фазе подачи смеси или топливного заряда;

- второй такт, соответствующий фазе детонации, обеспечивающей сжатие и высвобождение химической энергии, генерируемой зарядом; и

- третий такт, соответствующий фазе расширения продуктов детонации.

Конструктивно камера сгорания такого двигателя выполнена в виде жаровой трубы, закрытой с одного конца поперечным дном (называемым тяговым барьером), на которое толкающим усилием действуют продукты детонации топливного заряда, создавая силу тяги, при этом упомянутый топливный заряд подается в камеру при помощи устройства питания.

Потенциально критическим моментом является протекание различных фаз рабочего цикла двигателя, и особое значение имеет управление фазой питания, которая может очень сильно влиять на рабочие характеристики двигателя.

В настоящее время в основном используют два устройства управления инжекторным питанием, а именно: аэроакустическое устройство, использующее сверхвысокое давление в камере для аэродинамической блокировки впуска топлива, и электромеханическое устройство с управляемым клапаном, либо обычным, то есть выполненным с возможностью поступательного перемещения, либо ротационным.

Несмотря на то что эти устройства питания получили широкое распространение, они, тем не менее, имеют ряд недостатков. Действительно, аэроакустическое устройство зависит от условий впрыска горючей смеси, и, даже если его изготовление является очень простым, оно не позволяет оптимизировать подачу топлива на всем диапазоне работы двигателя, что приводит к снижению его рабочих характеристик. Что же касается электромеханического устройства, то оно требует использования обычных клапанов, которые могут пропускать большое количество топлива за один раз и являются дорогостоящими, или ротативных клапанов, которые хорошо адаптированы для ракетных двигателей, но менее эффективны в воздушно-реактивных двигателях. Кроме того, эти два типа клапанов значительно усложняют конструкцию двигателя, одним из важнейших критериев которой является простота.

Задачей настоящего изобретения является устранение этих недостатков, и оно относится к двигателю с пульсирующей детонацией, имеющему простую конструкцию и обеспечивающему высокую безопасность работы.

Задача решается тем, что в двигателе с пульсирующей детонацией с цикличной подачей топливного заряда в камеру сгорания жаровой трубы с поперечным дном при помощи устройства питания согласно изобретению:

- упомянутое поперечное дно жаровой трубы установлено подвижно относительно последней и может занимать два крайних положения: первое положение, соответствующее фазе детонации топливного заряда в камере сгорания упомянутой трубы, и второе положение, соответствующее фазе подачи топливного заряда в упомянутую камеру;

- в боковой стенке упомянутой трубы выполняют, по меньшей мере, одно отверстие для впуска топливного заряда, которое перекрывается и отделяется от упомянутой камеры сгорания упомянутым поперечным дном, когда последнее занимает свое первое положение, и которое сообщается с упомянутой камерой сгорания, когда поперечное дно занимает свое второе положение; и

- в упомянутом первом положении упомянутое поперечное дно жестко соединяется с упомянутой трубой при помощи разблокирующихся стопорных средств.

Таким образом, благодаря настоящему изобретению, нет необходимости использовать в двигателе сложные клапанные или другие устройства питания, так как само поперечное дно, образующее тяговый барьер, обеспечивает осуществление двух фаз детонации и подачи топлива во время работы двигателя за счет своей подвижности, открывая и закрывая впускное отверстие. Следовательно, поперечное дно, обеспечивающее управление и нормальную работу двух фаз и переходов между ними, может считаться неотъемлемой частью устройства питания.

Следует также отметить, что использование поперечного дна, выполненного подвижным, для автономного управления впуском смеси окислитель-горючее в камеру сгорания характеризуется чрезвычайной механической простотой и обеспечивает безопасность и высокую надежность работы, не требуя при этом никакого внешнего источника энергии.

Например, упомянутое поперечное дно может перемещаться со скольжением относительно упомянутой трубы между двумя положениями и/или может поворачиваться относительно упомянутой трубы между двумя положениями.

Предпочтительно упомянутое поперечное дно может быть выполнено в виде поршня с поперечной стенкой, направленной в сторону упомянутой камеры, и с боковой юбкой, взаимодействующей со стенкой упомянутой трубы для перекрывания упомянутого впускного отверстия в первом положении дна, и в этом случае упомянутые разблокирующиеся стопорные средства содержат внутренний блок, установленный в упомянутом поршне с возможностью скольжения и прохождения через поперечную стенку, выходя в камеру сгорания, а также, по меньшей мере, один стопорный ролик, который зависит от перемещения упомянутого блока и может проходить в радиальном направлении через боковую юбку поршня, заходя в приемное гнездо трубы и блокируя дно.

Как вариант, поперечное дно может быть установлено с возможностью вращения на поршне, находящемся внутри жаровой трубы, и содержать периферические стопорные шипы, выполненные с возможностью взаимодействия в упомянутом первом положении со стопорными гнездами, выполненными в упомянутой жаровой трубе и сообщающимися с камерой сгорания, и под действием детонации поперечное дно может поворачиваться относительно упомянутого поршня, прекращая взаимодействие стопорных шипов и стопорных гнезд и позволяя поршню занять упомянутое второе положение.

Кроме того, в упомянутой трубе выполняют внутренний упор для ограничения первого положения поперечного дна. Предпочтительно упомянутый внутренний упор выполняют в виде внутреннего кольцевого заплечика на боковой стенке трубы, к которому прижимается поршень поперечного дна в своем первом положении.

Согласно другому отличительному признаку в трубе выполняют упругие возвратные средства, предназначенные для перемещения поперечного дна из его второго положения в первое положение. Эти упругие возвратные средства содержат, например, по меньшей мере, одну пружину, действующую на внутренний блок подвижного дна.

Кроме того, боковое впускное отверстие выполняют смежно с внутренним упором.

Кроме того, двигатель может содержать устройство зажигания, которое предпочтительно использует возвратно-поступательное движение упомянутого поперечного дна для цикличного воспламенения топливного заряда.

В предпочтительном, но не ограничивающем варианте выполнения настоящего изобретения упомянутое устройство зажигания является устройством пьезоэлектрического типа и содержит, например, подвижный боек, соединенный с поперечным дном, устройство удержания, выполненное с возможностью удержания бойка во взведенном положении, упругий элемент возврата бойка в ударное положение в результате разблокирования устройства удержания и пьезоэлектрический орган, генерирующий электрический ток для воспламенения топливного заряда, когда боек приходит в ударное положение.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления со ссылками на фигуры чертежей.

Фиг.1 изображает схематичный вид в продольном разрезе первого примера выполнения двигателя с пульсирующей детонацией в соответствии с настоящим изобретением, показывающий поперчное дно в первом положении.

Фиг.2 - вид, аналогичный фиг.1, показывающий поперечное дно во втором положении.

Фиг.3 - схематичный вид в разрезе и в перспективе внутреннего устройства жаровой трубы согласно второму примеру осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 и 5 изображают схематичный вид соответственно первого и второго положений поперечного дна жаровой трубы, показанной на фиг.3.

Фиг.6 изображает схематичный вид устройства зажигания, показывающий в нижнем и верхнем полуразрезе два крайних рабочих положения.

Двигатель I с пульсирующей детонацией, схематично и частично показанный на фиг.1 и 2, содержит цилиндрическую жаровую трубу 2 с продольной осью А и поперечное дно 3, подогнанное и установленное внутри жаровой трубы 2. Это поперечное дно 3 ограничивает вместе с боковой стенкой 4 трубы 2 частично показанную камеру 5 сгорания, выполненную с возможностью цикличного питания топливным зарядом, поступающим из устройства питания, схематически показанного в виде прямоугольника под позицией 6, обеспечивающего подачу смеси окислитель-горючее. Поперечное дно 3 образует тяговый барьер, на который толкающим усилием действуют продукты детонации, образующиеся при сгорании топлива, создавая необходимую тягу.

Согласно изобретению, поперечное дно 3 устанавливают подвижно относительно жаровой трубы 2 двигателя I с возможностью перемещения между двумя отдельными крайними положениями: первым положением (фиг.1), изолирующим камеру 5 сгорания от устройства 6 питания и соответствующим фазе детонации топливного заряда, и вторым положением (фиг.2), обеспечивающим сообщение устройства питания с камерой сгорания и соответствующим фазе подачи топливного заряда в камеру сгорания.

Для этого в боковой стенке 4 жаровой трубы выполняют отверстия 7 для впуска топливного заряда из устройства 6 питания в камеру 5, перекрываемые, когда подвижно поперечное дно 3 находится в своем первом положении, и открываемые, когда оно занимает свое второе положение. Таким образом, поперечное дно 3 позволяет перекрывать и открывать впуск смеси в камеру 5 сгорания аналогично клапанам из известных технических решений и управлять устройством питания.

Как показано на двух фигурах, перемещение поперечного дна 3 между двумя положениями в этом предпочтительном варианте выполнения осуществляется скольжением вдоль продольной оси А, но оно может быть также ротативным и даже спиралевидным. Так, для ограничения первого положения поперечного дна 3 в боковой стенке 4 трубы выполняют внутренний кольцевой заплечик 8, к которому прижимаются скошенные фаски дна в каждом цикле работы двигателя, определяя «верхнюю мертвую точку». Для удержания поперечного дна 3 в этом первом положении во время фазы детонации рабочего цикла двигателя предусмотрены разблокирующиеся стопорные средства 9, предназначенные для временного соединения поперечного дна 3 с трубой 4.

В показанном примере выполнения поперечное дно 3 конструктивно выполнено в виде поршня 10, состоящего, как известно, из поперечной стенки 11, направленной в сторону камеры сгорания, и боковой юбки 12, точно подогнанной и взаимодействующей с боковой стенкой 4 трубы 2. Таким образом, как показано на фиг.1, боковая юбка 12 поршня перекрывает отверстия 7 впуска или подачи топливной смеси, выполненные в трубе 2 смежно с внутренним кольцевым заплечиком 8.

Внутри поршня 10 находится внутренний цилиндрический блок или корпус 14, который взаимодействует с боковой юбкой 12 поршня и один конец которого выполнен коническим, чтобы заходить в соответствующее осевое отверстие 16, выполненное в центре поперечной стенки 11 поршня и сообщающееся таким образом с камерой 5 сгорания. Понятно, что блок выполнен с возможностью осевого перемещения относительно поршня под действием детонационных газов. Кроме того, как показано на фиг.1, стопорные ролики или шарики 17 заходят в радиальные пазы 18 боковой юбки поршня и под действием образующего наклонную площадку конического заплечика 19, выполненного по окружности блока 14, частично заходят в приемные гнезда 20, соответственно выполненные в боковой стенке 4 трубы 2. На фиг.1 показаны два ролика 17, но их число может быть и другим. Узел, образованный внутренним блоком 14 и роликами 17, образует стопорные средства 9, предназначенные для стопорения поршня 10, то есть поперечного дна 3 в его первом положении.

Кроме того, между поперечным дном 3 и трубой 2 со стороны, противоположной камере 5, выполняют возвратные упругие средства 21 для спонтанного возврата упомянутого дна из его второго положения (фиг.2) в застопоренное первое положение. Например, эти средства могут быть выполнены в виде пружины 22 сжатия, установленной между концом 23 блока, противоположным коническому концу 15, и поперечной опорой 24, выполненной в трубе 2. Известным образом, с упомянутой пружиной может взаимодействовать направляющий стержень 25 пружины, выполненный на конце 23 упомянутого блока.

Цикл работы такого, описанного выше, двигателя с пульсирующей детонацией состоит в следующем.

Прежде всего, предположим, что двигатель I находится в конфигурации, показанной на фиг.1, при которой поперечное дно 3 находится в первом положении, то есть:

- опирается на внутренний кольцевой заплечик 8 трубы 2 под действием пружины 22 и обеспечивает герметичность камеры 5 сгорания за счет взаимодействия скошенных фасок поршня 10 и заплечика 8;

- перекрывает впускные отверстия 7 трубы боковой юбкой 12 поршня 10 таким образом, чтобы камера 5 сгорания была изолирована от впуска смеси, поступающей из устройства 6 питания; и

- стопорится в этом положении стопорными роликами 17, частично проходящими через боковую юбку 12 и заходящими в приемные гнезда 20 трубы за счет действия конической площадки 19 блока 14, на который действует пружина 22 и который своим концом 15 закрывает отверстие 16.

Когда при помощи устройства зажигания, которое будет описано со ссылкой на фиг.3, происходит детонация топливной смеси, сжимаемой в камере 5, в камере резко повышается давление, однако поршень 10 поперечного дна 3, образующий тяговый барьер, заблокирован стопорными роликами 17 и не может двигаться назад. Но, вместе с тем, детонационные газы находятся в контакте с коническим концом 15 внутреннего блока 14, выходящим в камеру 5 через центральное отверстие 16 поперечной стенки 11 поршня, и действуют на блок, который под действием созданного давления отходит назад и начинает сжимать пружину 22. Во время его возвратного осевого движения стопорные ролики 17 перемещаются по поверхности конической площадки 19 блока 14 и покидают гнезда 20 жаровой трубы 2, заходя в радиальные пазы 18 поршня.

Давление в камере 5 сгорания временно падает по причине расширения продуктов детонации в задней части, и, поскольку поперечное дно 3 уже не застопорено, оно может свободно перемещаться вместе с внутренним блоком 14 влево на фиг.1, преодолевая действие пружины за счет остаточного высокого давления в камере. Одновременно боковая юбка 12 поршня 10 открывает впускные отверстия 7 трубы 2, и поперечное дно 3 достигает своего второго положения, показанного на фиг.2, сжимая пружину 22, установленную между опорой 24 трубы и концом 23 блока.

Впускные отверстия 7 жаровой трубы 2 полностью открываются во время фазы разрежения, вызванного избыточным расширением продуктов детонации. В результате этого возникает явление автоматического всасывания, обеспечивающее автономное заполнение камеры 5 сгорания двигателя смесью окислитель-горючее, поступающей из устройства питания.

После этого под действием пружины 22 сжатия внутренний блок 14 и подвижный поршень 10 перемещаются в направлении камеры, при этом поршень перекрывает впускные отверстия 7, приходя в положение упора в заплечик 8 трубы, в то время как под действием конической площадки 19 стопорные ролики снова заходят в гнезда 20 трубы, блокируя поперечное дно 3 в его первом положении.

Двигатель I готов к новому рабочему циклу.

В варианте выполнения, показанном на фиг.3, 4 и 5 поперечное дно 3 жаровой трубы 2 установлено с возможностью вращения на поршне 40, установленном в этой трубе, например, при помощи находящегося под упругой нагрузкой осевого вала 41 (средство упругой нагрузки известно и на чертежах не показано). По своей периферии поперечное дно 3 содержит стопорные шипы 42, выполненные с возможностью взаимодействия в первом положении (фиг.4) со стопорными гнездами 43, выполненными в толще жаровой трубы 2. Каждое стопорное гнездо 43 имеет L-образную форму с осевым пазом 43А и поперечным пазом 43Т. Каждый поперечный паз 43Т сообщается с камерой 5 сгорания через канал 44, выходящий наружу в точке 45 со стороны камеры.

Рабочий цикл двигателя II, показанного на фиг.3-5, протекает следующим образом:

- узел из поперечного дна 3 и поршня 40 находится в первом положении (фиг.4), стопорные шипы 42 опираются на поперечные пазы 43Т стопорных гнезд 43 под действием упругой нагрузки осевого вала 41, и питающие отверстия 7 перекрыты;

- в момент начала детонации топливного заряда, находящегося в камере 5 сгорания, в камере резко повышается давление, но поперечное дно 3 и поршень 40 заблокированы стопорными шипами 42 и не могут перемещаться назад;

- однако, когда детонация, распространяющаяся в камере 5 сгорания, достигает отверстий 45 каналов 44, часть газов под давлением улавливается и направляется к стопорным гнездам 43;

- под действием сверхвысокого давления в стопорных гнездах 43 шипы 42 выталкиваются в боковом направлении из поперечных пазов 43Т, преодолевая сопротивление упругой нагрузки осевого вала 41, при этом поперечное дно 3 поворачивается относительно поршня 40 и разблокирует этот поршень;

- узел из поперечного дна 3 и поршня 40 теперь может свободно переместиться назад под действием остаточного высокого давления, занимая второе положение и открывая питающие отверстия 7, при этом шипы 42 перемещаются по осевым пазам 43А гнезд 43;

- питающие отверстия 7 жаровой трубы 2 полностью открываются во время фазы разрежения, вызванного избыточным расширением продуктов детонации, в результате чего возникает явление автоматического всасывания, обеспечивающее автономное заполнение камеры 5 сгорания двигателя смесью окислитель-горючее;

- под действием возвратной пружины 21 (на фиг.3-5 не показана) узел из поперечного дна 3 и поршня 40 перемещается вперед, стопорные шипы 42 перемещаются по осевым пазам 43А гнезд 43 и, дойдя до положения переднего упора, заходят в поперечные пазы 43Т под действием упругой нагрузки осевого вала 41, заставляя поперечное дно 3 совершить ограниченный поворот.

Двигатель II опять находится в первом положении и готов к новому рабочему циклу.

Кроме вышеупомянутых преимуществ, обеспечиваемых подвижным дном (питание и отключение камеры сгорания - впуск воздуха), возвратно-поступательное движение тягового барьера может быть также использовано для производства энергии, применяемой для поджига топливного заряда или для электрического питания механизированного устройства.

В частности, таким является устройство 30 зажигания, показанное на фиг.6, использующее, при помощи средств 31, 32, 33, 34, возвратно-поступательное движение поперечного дна 3 для цикличного воспламенения топливного заряда.

В представленном варианте выполнения устройство 30 является пьезоэлектрическим, но оно может быть и с индукционной катушкой или другого типа. Конструктивно средства устройства содержат подвижный боек 31, устройство 32 удержания, выполненное в данном примере в виде электромагнита, упругое устройство 33 и пьезоэлектрический орган 34.

Боек 31 содержит выступ 35 для соединения с поперечным дном 3 (на фигуре не показано) и установлен между электромагнитом 32 и пьезоэлектрическим органом 34 с возможностью возвратно-поступательного перемещения параллельно оси А между двумя соответствующими положениями.

Первое положение бойка 31 соответствует нижнему полуразрезу на фиг.6, где боек 31, увлекаемый возвратным движением подвижного дна при помощи выступа 35, приводится во взведенное состояние и соединяется с электромагнитом 32, благодаря циркулирующему в последнем электрическому току. В этом взведенном положении, при котором подвижное дно находится в своем втором положении (фиг.2), упругий элемент 33, такой как пружина сжатия, находящийся между электромагнитом и бойком, сжимается, и боек отходит от пьезоэлектрического органа. В этом примере устройство 32 удержания бойка является устройством электрического типа, но оно может быть и устройством механического типа.

Второе положение бойка 31 соответствует верхнему полуразрезу на фиг.6, где боек отсоединяется от устройства удержания и ударяет по кристаллу пьезоэлектрического органа 34 вследствие отключения электрического тока в электромагните 32 и за счет действия упругого элемента 33. В результате его контакта с пьезоэлектрическим органом 34 возникает ток высокого напряжения, используемый для зажигания двигателя, то есть для воспламенения топливного заряда, когда поперечное дно 3 находится в своем первом положении (фиг.1).

Кроме того, заявителем установлено, что подвижный тяговый барьер способствует также лучшему управлению тягой, сглаживая импульсный характер детонации и снижая вибрационный фон, создаваемый таким типом двигателя, что еще больше повышает возможность включения такого типа двигателя в авиационные гондолы.