Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель - RU2391528C2
Код документа: RU2391528C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям и к другим его аспектам.
Пульсирующие воздушно-реактивные двигатели множества различных конструкций известны на протяжении столетия. Как правило, они содержат четвертьволновый газовый резонатор, в который топливо и воздух вводятся в антиузле давления, во время его фазы низкого давления. Некоторые пульсирующие воздушно-реактивные двигатели содержат полуволновые резонаторы с выходом мощности в узле давления или узлах давления.
Воспламенение может достигаться за счет смеси остающихся горячих выхлопных газов с поступающим топливом и воздухом, так что, когда двигатель работает, не требуется другой системы зажигания.
Такой двигатель может быть исключительно эффективным ввиду такой простоты, но создаваемый им уровень шума совершенно неприемлем, и он не может быть устранен простыми средствами. В основном по этой причине пульсирующие воздушно-реактивные двигатели используются очень редко.
Жидкотопливные пульсирующие воздушно-реактивные двигатели трудно запускать, хотя после запуска они имеют наибольшую эффективность.
Еще недавно имелся интерес к родственным детонационным пульсирующим воздушно-реактивным двигателям, в которых топливно-воздушная смесь сжигается на фронте детонационной волны, что приводит к большей эффективности. Однако они не являются по настоящему пульсирующими воздушно-реактивными двигателями, поскольку топливно-воздушная смесь вводится для каждого импульса, в котором отдельно создается воспламенение или детонация с помощью тщательно разработанного и управляемого детонационного инициатора. В детонационном пульсирующем воздушно-реактивном двигателе нет четвертьволнового резонанса.
Одной из целей настоящего изобретения является создание пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, который устраняет или, по меньшей мере, существенно ослабляет недостатки известных реактивных двигателей, описанных выше.
Согласно одному объекту настоящего изобретения создан пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, содержащий четвертьволновый газовый резонатор, выполненный с возможностью функционирования на ультразвуковой частоте, при этом указанный резонатор является закрытым или по существу закрытым для газового потока в его антиузле давления.
Четвертьволновый газовый резонатор может быть выполнен в форме трубы, канала или ряда труб, соединенных, по меньшей мере, одним каналом.
Предпочтительно, чтобы четвертьволновый газовый резонатор заметно уменьшался в поперечном сечении от его узла давления газа у сопловой части к месту антиузла давления с другого конца, так чтобы входящие газы у сопловой части попадали в очень сильно сходящийся поток. Степень схождения таких газов может управляться с помощью профиля стенок резонатора.
Таким способом сходящийся поток газов производит очень эффективное адиабатическое сжатие переднего края газового потока перед воспламенением.
Предварительно смешанные топливо и воздух могут подаваться в резонатор из внешнего карбюратора через отверстие, окружающее узел давления сопловой части резонатора. Вентильный эффект может быть достигнут за счет разделения потока. Таким образом, выхлопные реактивные импульсы испускаются без существенного уноса газов, окружающих сопловую часть резонатора.
Во время фазы низкого давления цикла двигателя топливно-воздушная смесь всасывается в резонатор через узел давления, его сопловую часть, и поскольку реактивные выхлопные импульсы имеют тенденцию продолжаться в направлении их движения, топливно-воздушная смесь будет втекать сбоку, эффективно выдувая выхлопные газы.
Зажигание топливно-воздушной смеси может происходить в или вблизи узла давления, инициируясь горячими стенками резонатора.
Как вариант, между стенками резонатора может быть вставлен нагревательный элемент для инициирования воспламенения вблизи антиузла давления. Локальное увеличение давления, следующее за воспламенением, может быть использовано для инициирования быстрого горения, желательно со скоростью и давлением, более высокими, чем скорость Чепмена-Жуге, соответствующая устойчивой детонации.
Альтернативно, схождение стенок резонатора может быть использовано для создания детонации непосредственно или с помощью удара и отражения сходящегося потока газовоздушной смеси в конце антиузла давления четвертьволнового резонатора.
Схождение резонатора по направлению к его концу антиузла давления может быть устроено так, чтобы детонация могла быть достаточно стабильной для подрыва всей газовоздушной смеси, несмотря на расхождение потока выхлопных газов в направлении конца выхлопного сопла резонатора.
Схождение резонатора может обеспечивать то, что выхлопные реактивные импульсы будут проходить расходящееся сопло. Такое расхождение может быть сделано так, чтобы расходящийся реактивный импульс ускорял большой объем воздуха второго контура в окружающем кожухе форсажной камеры для увеличения тяги.
Стартер двигателя может содержать нагревательный элемент, например электрический нагревательный элемент, который испаряет жидкое топливо внутри, например, топливоподающей трубы, так что создается газообразная струя топлива. Эта струя может быть турбулентной, или же турбулентность может создаваться при ее взаимодействии с электрическим нагревательным элементом. Таким образом, струя газообразной топливной смеси может переноситься и смешивается с окружающими газами.
Может использоваться любой нагревательный элемент для нагревания топливно-воздушной смеси до температуры, большей, чем температура ее самовоспламенения, для создания пламени. Нагревательный элемент может затем обеспечивать эффективное поддержание стенок резонатора горячими, так что пламя сможет оставаться внутри резонатора. Пламя и нагревательный элемент могут дополнительно нагревать стенки резонатора, так что пламя может стабильно удерживаться внутри границ резонатора. Тепло будет проводиться от пламени через нагревательный элемент и стенки резонатора к трубе подачи жидкого топлива, так что топливо будет продолжать испаряться, и получающаяся струя газообразного топлива будет поддерживаться, пока питание нагревательного элемента не будет выключено. Далее пламя будет самоподдерживающимся. Стенки стартера двигателя могут быть так подобраны, что длина пламени и интенсивность будут осциллировать с сильным нарастанием, причем такая осцилляция будет иметь тенденцию к быстрому увеличению, достаточному для обеспечения функционирования пульсирующего воздушно-реактивного двигателя. Эта конструкция может использоваться в качестве простого автономного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя или может быть соединена, например, с четвертьволновым резонатором канального типа, который может обеспечить намного большую мощность вместе с большей эффективностью.
Источником топлива стартера может быть простая осевая подающая труба, инертная к жидкому топливу в более холодной части подающей трубы и обеспечивающая эффективное газонепроницаемое уплотнение в антиузле давления газа четвертьволнового резонатора.
Как вариант, источником топлива стартера может быть подводящая труба от карбюратора, проходящая внутри конструкции двигателя и имеющая длину, достаточную для того, чтобы, когда жидкое топливо внутри нее испарится посредством тепла двигателя, труба была на достаточном расстоянии от резонанса двигателя и была непроницаемой для газов. Жидкое топливо в таком внешнем карбюраторе может испаряться с помощью тепла двигателя таким образом, чтобы газообразное топливо отмерялось в карбюраторной струе и не требовалась установка поплавковой камеры.
Во внешнем карбюраторе может быть установлен усилитель турбулентности потока для обеспечения тесного перемешивания топлива и воздуха ниже трубки Вентури карбюратора, перед входом топливно-воздушной смеси в четвертьволновый резонатор.
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель может быть выполнен целиком или частично из керамического материала или предпочтительно из частично стабилизированной двуокиси циркония.
При работе пульсирующие воздушно-реактивные двигатели преобразуют значительную часть своей мощности в звук, что наиболее неприятно, если не опасно, для находящихся вблизи него. Несмотря на их простоту и низкую стоимость, это качество делает их совершенно не пригодными для использования в качестве силовых установок общего назначения. Вибрации на частотах свыше 20 кГц неразличимы для человеческого уха, и они называются ультразвуком. Если рабочая частота двигателя превышает 20 кГц, то есть является ультразвуковой, двигатель становится бесшумным для человеческого уха. Помимо бесшумной работы, использование ультразвуковых рабочих частот имеет важные практические последствия.
Для данной мощности рабочий объем двигателя внутреннего сгорания уменьшается вместе с величиной, обратной к его рабочей частоте. Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, работающий на ультразвуковой частоте, например на 30 кГц, будет в шестьсот раз меньше, чем обычный пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, работающий на 50 Гц. Четверть длины волны будет менее 10 мм, и, следовательно, двигатель будет чрезвычайно компактным и легким, также имея сравнительно высокое отношение мощности к весу.
Тот факт, что ультразвуковой пульсирующий воздушно-реактивный двигатель является таким маленьким, означает, что он может быть полностью помещен в кожух без существенного утяжеления и увеличения аэродинамического сопротивления. Высокоскоростные газовые импульсы могут использоваться для ускорения большого объема воздуха второго контура в кожухе, таким образом существенно увеличивая реактивную силу и улучшая аэродинамическую эффективность.
Поскольку возможна очень высокая степень двухконтурности, а для того, чтобы этого достичь требуется тесное перемешивание выхлопной струи и воздуха второго контура, температуры выхлопных газов помещенного в кожух ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя будут близки к окружающей, приводя к намного более безопасной работе при обычном использовании.
Процесс ускорения воздуха второго контура внутри любого кожуха также действует как эффективный глушитель ультразвука, создаваемого двигателем. Несмотря на чрезвычайно высокий уровень ультразвука в двигателе, любой кожух или воздух второго контура будут существенно снижать его уровни в выхлопных газах.
Дополнительно, ослабление звука в воздухе пропорционально квадрату частоты звука. В описанном выше примере ослабление любого вырывающегося ультразвука будет в пятьдесят тысяч двести раз больше, чем для обычного двигателя внутреннего сгорания. Поэтому акустический выброс в большом диапазоне будет мал для причинения беспокойства животным или обитателям дикой природы с высокочастотными диапазонами слуха, превосходящими человеческий. Конечно, ультразвуковой пульсирующий воздушно-реактивный двигатель в соответствии с изобретением должен быть в значительной степени бесшумным.
Далее, ультразвуковой пульсирующий воздушно-реактивный двигатель в основном является четвертьволновым резонатором с резонансом энергии, которая циклически преобразуется между кинетической энергией выходящего реактивного импульса, кинетической энергией входящей топливно-воздушной смеси и потенциальной энергией топливно-воздушной смеси, статически сжатой перед воспламенением. Потери энергии в реактивном выхлопе соответствуют потерям при воспламенении топлива. Циклическое преобразование резонансной энергии обеспечивает эффективное осуществление цикла двигателя.
Четвертьволновый резонатор уменьшается в поперечном сечении от узла давления газа у его выхлопного сопла к противоположному антиузлу давления, с помощью чего вбрасываемая топливно-воздушная смесь попадает в сходящийся поток. Профиль стенок резонатора обеспечивает очень точный контроль за степенью схождения в каждой точке вдоль резонатора. Если степень уменьшения поперечного сечения значительна, происходит очень существенное адиабатическое сжатие переднего края втекающих газов. Такое предварительное сжатие приводит к значительному увеличению термодинамической эффективности.
Если резонатор выполнен в форме трубы, его длина может находиться в диапазоне от 4 до 10 мм для того, чтобы добиться его функционирования на ультразвуковых частотах. Возможно, диаметр трубы может уменьшаться с 4 мм до 0,1 мм с уменьшением площади поперечного сечения как 1600:1. Если задано давление топливно-воздушной смеси на входе в выхлопную сопловую часть резонатора в 1 бар, давление в антиузле давления в другом конце резонатора вследствие адиабатического сжатия при таком схождении может превышать 20 бар. Эту степень сжатия можно сравнить со сжатием поршнем турбореактивного двигателя. Степень схождения может точно управляться профилем стенок четвертьволнового резонатора, и это будет существенно влиять на достигаемую степень сжатия, режим горения и расходимость реактивного выхлопного импульса.
Согласно другому объекту настоящего изобретения создан реактивный двигатель, содержащий камеру сгорания, имеющую стенки, которые при использовании двигателя нагреваются или допускают нагревание до температуры, достаточной для воспламенения или усиления воспламенения топлива, подаваемого в камеру сгорания. Предпочтительно двигатель является ультразвуковым пульсирующим воздушно-реактивным двигателем, включающим в себя признаки описанного выше первого объекта настоящего изобретения.
Далее будут описаны примеры вариантов осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, приведенные со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - схематический вид в перспективе четвертьволнового газового резонатора согласно первому варианту осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя;
фиг.2 - схематический вид в перспективе четвертьволнового газового резонатора согласно второму варианту осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя;
фиг.2А - вид в сечении резонатора с фиг.2;
фиг.3 - схематический вид в перспективе множества четвертьволновых газовых резонаторов согласно третьему варианту осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя;
фиг.4 - схематический вид в перспективе четвертого варианта осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, подобный виду с фиг.3 и показывающий множество соединенных вместе резонаторов;
фиг.4А - вид в сечении одного из резонаторов с фиг.4;
фиг.5 - схематический вид в перспективе пятого варианта осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя с множеством соединенных вместе резонаторов;
фиг.5А - вид в сечении одного из резонаторов с фиг.5;
фиг.6А - схематический вид шестого варианта осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, использующего воспламенение от горячих стенок;
фиг.6В - схематический вид седьмого варианта осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, использующего воспламенение от нагревательного элемента;
фиг.6С - схематический вид восьмого варианта осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, использующего воспламенение от волны детонации;
фиг.7А и 7В - схематические ортогональные поперечные сечения конструкции стартера для девятого варианта осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя соответственно;
фиг.7С - схематический вид топливоподающей конструкции для десятого варианта осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя;
фиг.8А и 8В - пояснительные виды в перспективе режима всасывания и режима выхлопа согласно одиннадцатому варианту осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя соответственно;
фиг.8С - схематический вид двенадцатого варианта осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, использующего детонационное воспламенение.
Как показано на фиг.1, первый вариант осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя содержит четвертьволновый газовый резонатор 1 в виде трубы 2 с уменьшающимся круговым поперечным сечением для схождения от реактивного сопла 3 на его более широком конце узла давления к закрытому антиузлу 4 давления на другом конце. Поперечное сечение трубы 2 может быть треугольным, квадратным, прямоугольным или любой другой подходящей формы, которая может меняться вдоль ее длины. Схождение уменьшающегося поперечного сечения трубы резонатора 2 может иметь любой профиль. Однако каким бы ни был конкретный профиль трубы резонатора 2, он обеспечивает относительно малый рабочий объем, что приводит к ограничению достижимой двигателем мощности. Может использоваться множество независимых резонаторных труб 2, но более подходящей конструкцией является резонатор с канальным поперечным сечением, такой как обозначенный ссылочной позицией 2 на фиг.2.
Во втором варианте осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, показанном на фиг.2 и 2А, четвертьволновый газовый резонатор 21 выполнен в виде замкнутого контура, причем кольцевой канал 22 содержит кольцевое выходное отверстие реактивной струи 23 с конца узла давления, которое уменьшается для схождения к закрытому антиузлу 24 давления. Поперечное сечение канала 22 показано на фиг.2А.
Второй вариант осуществления обеспечивает намного больший рабочий объем. Однако может быть использован любой подходящий канальный резонатор, например линейный канальный резонатор. Однако недостатком этой конкретной конструкции является то, что схождение входящей топливно-воздушной смеси из-за уменьшения поперечного сечения кольцевого канала резонатора 22 эффективно снижается с двумерного до одномерного. Это влияет на коэффициент адиабатического сжатия топливно-воздушной смеси, достижимый в закрытом антиузле 24 давления.
Компромиссное решение обеспечено в третьем варианте осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, показанном на фиг.3, согласно которому множество параллельных резонаторов со сходящимися поперечными сечениями 31 соединены вместе частично общим каналом 32, который эффективно образуется реактивными соплами 33 резонаторов 31 и который образует общее реактивное сопло 35 двигателей. Каждый резонатор 31 имеет сильно уменьшенное поперечное сечение в его антиузле 34 давления.
Альтернативное или дополнительное соединение может быть получено соединением антиузлов 44 давления в четвертом варианте осуществления ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя трубкой с отверстием небольшого диаметра 46, как показано на фиг.4 и 4А. Это имеет то преимущество, что горячие газы могут распространяться по трубке 46 к антиузлам 44 давления трубных резонаторов 41, таким образом вызывая воспламенение топливно-воздушной смеси и запуская соседние резонаторы 41 быстрее, чем это происходило в третьем варианте осуществления двигателя, описанном выше со ссылкой на фиг.3. В этом варианте осуществления каждый четвертьволновый генератор 41 имеет реактивное сопло 43, которое образует согласованно с другими соплами 43 общее реактивное сопло 45 двигателя.
Еще одним вариантом могло бы быть выполнение прорезей 56 в разделяющих стенках 52 соседних трубных резонаторов 51, как показано на фиг.5 и 5А согласно пятому варианту осуществления изобретения. Таким образом, прорези 56 выполняют, по существу, те же функции, что и трубка 46 в четвертом варианте осуществления, описанном выше со ссылкой на фиг.4 и 4А, для обеспечения компактного ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя высокой мощности, который обеспечивает более высокую степень сжатия, с единственным стартером для инициирования начальных осцилляций газа в области четвертьволнового антиузла 54, посредством одной или более конструкций соединения резонаторов, описанных выше со ссылкой на фиг.4, 4А, 5 и 5А.
Все известные на сегодня пульсирующие воздушно-реактивные двигатели имеют запас топлива для двигателя, который отделен от воздуха, сжигаемого с топливом. Это создает две главные проблемы. Во-первых, контроль топливно-воздушной смеси является непрямым и до некоторой степени грубым. Для обеспечения возгорания обычно используется обогащенная горючая смесь, и таким образом топливная эффективность является излишне низкой. Во-вторых, смешивание топлива с воздухом происходит внутри камеры сгорания в короткий период времени между введением и воспламенением. Этого недостаточно, чтобы достичь полного сгорания даже в пульсирующих воздушно-реактивных двигателях с медленным циклом, причем это невозможно в двигателях, работающих на ультразвуковых частотах. Это также приводит к необходимости использования сверхобогащенных смесей для компенсации неэффективности использования топлива.
В ультразвуковых пульсирующих воздушно-реактивных двигателях согласно изобретению может быть использован внешний карбюратор.
Тепло двигателя может использоваться для испарения топлива, так что карбюратор дозированно выпускает газообразное топливо, а не жидкое топливо. Это подразумевает то, что нет необходимости в поплавковой камере или ее аналогах для обеспечения постоянного напора подачи жидкого топлива. Это также подразумевает то, что двигатель будет работать точно так же в перевернутом положении, что обеспечивает его применение для использования в космосе. Ниже по потоку от карбюратора может быть расположен ряд препятствий для обеспечения турбулентности потока и тесного перемешивания топлива и воздуха перед тем, как топливно-воздушная смесь достигнет резонатора. Выход карбюратора может являться впускным отверстием для той части двигателя, которая окружает реактивное сопло. Такое расположение обеспечивает то, что топливно-воздушная смесь подается в двигатель с тщательно контролируемой стехиометрией в виде чрезвычайно гомогенной смеси. Очевидно, что это приводит к низким загрязняющим выбросам.
Известные на сегодня пульсирующие воздушно-реактивные двигатели требуют размещения клапана для впуска чистого воздуха во время фазы низкого давления. Механические клапаны подвержены усталостному разрушению при обычных частотах, так что было бы чрезвычайно трудно разработать и изготовить такой клапан для работы на ультразвуковых рабочих частотах. Был разработан ряд бесклапанных пульсирующих воздушно-реактивных двигателей, в которых изменения воздушного потока производили клапанное регулирование. В ультразвуковых пульсирующих воздушно-реактивных двигателях согласно изобретению может использоваться разделение потока в реактивном сопле. Выходящий реактивный импульс имеет высокую скорость и направлен в основном в направлении реактивной силы. Из-за неустойчивого потока и короткого периода цикла не имеется достаточно времени, чтобы увлечь за собой значительный объем окружающего газа в реактивном импульсе. Во время следующей фазы низкого давления цикла окружающий газ всасывается в двигатель через реактивное сопло. Так как хвостовая часть реактивного импульса все еще имеет направленный вперед импульс, она скорее покинет двигатель, замещаясь радиальным втекающим потоком окружающего газа. Таким образом может осуществляться эффективная продувка выхлопных газов.
После сжигания предыдущей газовоздушной смеси продукты горения выпускаются из реактивного сопла с высокой скоростью. Это в высшей степени нестабильный поток, и нет достаточно времени для создания существенного граничного слоя между выходящим реактивным импульсом и окружающим топливом и воздухом. Поэтому будет присутствовать очень эффективное разделение потока.
В существовавших ранее двигателях такого принципа окружающим газом был только воздух. В настоящем изобретении реактивное сопло может быть окружено предварительно смешанным топливом и воздухом без опасности обратного удара пламени в карбюратор. Поскольку температура реактивного импульса будет значительно выше температуры самовоспламенения топливно-воздушной смеси, при ультразвуковых рабочих частотах будет недостаточно времени, чтобы пламя эффективно распространилось внутрь топливно-воздушного источника и, следовательно, нет возможности обратного удара пламени в карбюратор. Например, при 30 кГц время цикла составит 33 микросекунды, из которых период реактивного выброса может быть лишь приблизительно 5 микросекунд. Ламинарное пламя может распространиться за этот временной интервал на 2 микрометра, а турбулентное пламя на 0,1 мм, причем ни то, ни другое не является существенным. Если требуется, между карбюратором и реактивным соплом может быть помещен пламегаситель, на случай обратного удара пламени при запуске, хотя то, что возникнет такая необходимость, является маловероятным.
Сжигание топлива за короткий доступный период времени является проблемой. Существуют два решения. Топливо можно сжигать в очень быстром горении или с детонацией.
Ламинарное пламя проходит менее метра за секунду, а турбулентное пламя - несколько десятков метров за секунду, причем ни то, ни другое недостаточно быстро для расходования всей топливно-воздушной смеси. Углеводородно-воздушная детонация обычно перемещается со скоростью приблизительно 2000 м/с с пиковым давлением до 20 бар и пиковой температурой 2000°С. В 10 мм четвертьволновом резонаторе горение продолжалось бы в течение 5 микросекунд. Сильное быстрое горение определяется как горение, которое перемещается со скоростью, большей, чем скорость Чепмена-Жуге, вычисленная для распространения детонационной волны. С ним не связан ударный фронт, и термодинамически горение является более эффективным. Пиковое давление при сильном быстром горении больше, чем в детонационной волне Чепмена-Жуге, и скорость распространения является более высокой. Однако сильные быстрые горения принципиально неустойчивы в том аспекте, что они быстро переходят в детонацию. Если контроль за этой неустойчивостью представляет серьезную проблему, альтернативой является слабое быстрое горение, перемещающееся со скоростью, лишь немного меньшей, чем скорость Чепмена-Жуге, хотя это и является менее эффективным решением для сжигания топливно-воздушной смеси.
Четвертьволновый резонатор ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя согласно изобретению является расходящимся по отношению к выходящему импульсу сгорания. Получающееся расширение волнового фронта приводит к снижению в нем давления, что, в свою очередь, уменьшает скорость распространения. С помощью контроля над степенью расхождения возможно управлять устойчивостью сильного быстрого горения, отдаляя точку перехода к детонации. Четвертьволновый резонатор также является очень коротким по отношению к нормальной длине распространения, требуемой для перехода быстрого горения в детонацию. Это также способствует поддержанию устойчивости на протяжении цикла сгорания. Потому наилучшим решением для режима горения в этом двигателе является использование сильного быстрого горения с тщательным контролем его устойчивости.
Инициирование сильного быстрого горения может быть осуществлено через горячие стенки резонатора, температура которых будет настолько выше температуры самовоспламенения, что воспламенение топливно-воздушной смеси на стенках будет практически мгновенным. Входящий поток топливно-воздушной смеси будет почти невязким, поскольку максимальная толщина граничного слоя в неустойчивом потоке будет меньше 0,01 мм. Пламя на стенке будет ламинарным и будет распространяться возможно меньше чем на 0,005 мм вблизи реактивного сопла во время фазы низкого давления цикла двигателя. Это не воспламенит значительно втекающий заряд. Однако, поскольку топливно-воздушная смесь продвигается внутрь четвертьволнового резонатора, ее передний край адиабатически сжимается, что поднимает его температуру. Она быстро превысит температуру самовоспламенения, но компрессионного воспламенения не произойдет, поскольку латентный период будет слишком длинным для имеющегося временного интервала.
Однако скорость распространения пламени увеличивается примерно как квадрат температуры. Теплопроводность будет слишком медленной для получения эффекта на ультразвуковых рабочих скоростях, а воздух, по существу, прозрачен для излучения от стенок. При этом увеличение температуры из-за адиабатического сжатия будет очень существенным. Инфракрасное излучение от стенок будет поглощаться топливом и может вызвать частичный пиролиз молекул топлива, что предрасполагает топливо к воспламенению и увеличит скорость пламени. Будет существовать точка в сходящемся четвертьволновом резонаторе, когда значительная доля заряда сгорит из-за воспламенения от стенок. Это локально увеличит давление, что, в свою очередь, увеличит адиабатическое сжатие топливно-воздушной смеси. Кроме того, это дополнительно увеличит скорость пламени и, следовательно, локальное давление. Возникнет локализованное неконтролируемое горение, которое сильно увеличит локальное давление. Этого, конечно, будет достаточно для инициирования сильного быстрого горения. Должно быть достигнуто давление в 40 бар или более. Вероятно, что это произойдет по области осевой длиной менее миллиметра. Это давление существенно превосходит давление при детонации Чепмена-Жуге, и оно приводит к сильному быстрому горению.
Эта ситуация схематически показана на фиг.6А. Уменьшающееся поперечное сечение стенок четвертьволнового газового резонатора 61 показано ссылочной позицией 62. Входящая топливно-воздушная смесь вызывает медленное пламя 66 на стенке 62 четвертьволнового резонатора. В определенном месте 67 в области антиузла 64 давления резонатора 61 тепло от стенок 62 вызывает неконтролируемое воспламенение топливно-воздушной смеси, вызывающее выходящее из антиузла давление 64, сильное быстрое горение 68.
Желательно по возможности иметь небольшой резервуар для газа 69 в антиузле 64 давления на конце четвертьволнового резонатора. При хорошей продувке выхлопных газов в резонаторе 61 остается небольшое количество выхлопных газов. Важно, чтобы топливно-воздушная смесь достигала места воспламенения 67, так что резервуар 69 может принимать остающийся выхлопной газ. Это просто может быть конструкцией, подобной связанным трубкам 46 с фиг.4.
Поскольку воспламенение от стенок 62 является предпочтительным режимом воспламенения, в двигателе, выполненном из металла, стенка 62 должна охлаждаться для сохранения ее целостности. В такой ситуации, может использоваться нагревательный элемент, такой как обозначенный позицией 77 на фиг.6В, который нагревается газами двигателя. На фиг.6В компоненты, обозначенные префиксом «7», являются по сути такими же, что и обозначенные префиксом «6» на фиг.6А.
Наряду с тем, что сильное быстрое горение является наилучшим вариантом горения, альтернативным вариантом является детонационная волна. Схождение канала будет меньше, чем для инициирования сильного быстрого горения, так что раннее воспламенение не является проблемой.
Желательно, чтобы закрытый конец четвертьволнового резонатора был плоским, и тогда входящая топливно-воздушная смесь быстро станет сверхзвуковой. Она может образовать входящий ударный фронт вследствие схождения стенок четвертьволнового резонатора. В этом случае интенсивность сходящегося ударного фронта будет увеличиваться как r-0,8. Если ударный фронт образован при радиусе 1,5 мм и четвертьволновый резонатор оканчивается радиусом 0,25 мм, интенсивность скачка уплотнения составит 4. Удар будет отражен оконечной стенкой, что может обеспечить усиление до шести раз или интенсивность скачка уплотнения до 24. Для инициирования детонационной волны требуется интенсивность 20.
Входящий поток может иметь недостаточно времени для создания ударного фронта, но несомненно возникнет высокоскоростной газовый поток, бьющий в оконечную стенку четвертьволнового резонатора. Его интенсивности должно быть достаточно для инициирования детонации. Частичный пиролиз топлива инфракрасным излучением от стенок четвертьволнового резонатора смягчит условия детонации. Схождение стенок может быть оптимизировано для создания сильного удара. Оконечная стенка может быть многогранной для усиления удара многократными отражениями или вогнутой для его увеличения дальнейшим схождением при отражении.
Эта ситуация схематически показана на фиг.6С. Входящая топливно-воздушная смесь снова инициирует медленное пламя 86 на стенке 82, хотя поперечное сечение резонатора существенно больше, чтобы пламя 86 не ускоряло воспламенение. Происходит отражение от оконечной стенки 89 в конце антиузла давления резонатора 81 для создания в 87 выходящей детонационной волны 88. Резервуар для остаточных выхлопных газов в этом случае не требуется.
Как альтернативный способ воспламенения, сходящийся поток топливно-воздушной смеси в антиузле давления резонатора 81 может создавать адиабатическое сжатие этой смеси, достаточное для воспламенения смеси. Это сжатие может усиливаться отражением потока входящей топливно-воздушной смеси в антиузле давления.
Известна трудность запуска жидкотопливных пульсирующих воздушно-реактивных двигателей. В двигателях согласно настоящему изобретению может использоваться электрический нагревательный элемент, частично размещенный внутри трубы, подающей жидкое топливо, а частично - в четвертьволновом резонаторе. При пропускании тока через электрический нагревательный элемент жидкое топливо в топливоподающей трубе нагревается до точки кипения. Объем образованного таким образом газообразного топлива коллимируется топливоподающей трубой для создания газовой струи внутри резонатора. Может быть сделано так, чтобы струя являлась изначально турбулентной, или струя может быть сделана турбулентной взаимодействием с частью электрического нагревательного элемента внутри четвертьволнового резонатора. Турбулентная топливная газовая струя будет увлекать за собой прилегающий воздух для образования топливно-воздушной смеси. Электрический нагревательный элемент может нагревать топливно-воздушную смесь до температур, превышающих температуры самовоспламенения, чтобы вызвать вспышку пламени.
Пламя не будет сохраняться в резонаторе с холодными стенками с диаметром меньше определенного из-за потерь тепла на стенках. Диаметр ультразвукового четвертьволнового резонатора будет намного меньше минимального диаметра. Электрический нагревательный элемент обеспечит эффективный нагрев стенок для поддержания пламени во времени. Пламя будет быстро нагревать стенки четвертьволнового резонатора до более высокой температуры, чем требуется для того, чтобы поддерживать пламя внутри резонатора. Стенки четвертьволнового резонатора и размеры электрического нагревательного элемента таковы, что тепло, подведенное обратно к топливоподающей трубе стенками и электрическим нагревательным элементом, является достаточным для поддержания требуемого потока газообразного топлива в струе, пока не прекратится электропитание нагревательного элемента.
Стенки четвертьволнового резонатора вокруг электрического нагревательного элемента выполнены таким образом, чтобы пламя было неустойчивым. Малое увеличение давления приведет к тому, что пламя уйдет внутрь четвертьволнового резонатора, где сходящиеся стенки расположены ближе друг к другу. Увеличение скорости горения из-за более близких горячих стенок, связанное с увеличением давления от этого возмущения, приводит к тому, что пламя разгорится более интенсивно. Это, в свою очередь, приведет к расширению пламени из четвертьволнового резонатора и снижению давления, причем и то, и другое будет приводить к снижению интенсивности пламени. При правильном проектировании стенок четвертьволнового резонатора и электрического нагревательного элемента осцилляции пламени будут быстро расти по амплитуде до выхода в режим пульсирующего воздушно-реактивного двигателя.
Стартер такой конструкции может работать в качестве автономного ультразвукового пульсирующего воздушно-реактивного двигателя, хотя его мощность будет существенно ограничена, а эффективность сжигания топлива будет низкой. Если нагревательный элемент и топливоподающая труба помещены внутрь четвертьволнового резонатора канальной формы, тепло от пламени стартера может испарять топливо для заполнения карбюратора и может вводить топливно-воздушную смесь из отверстия, окружающего реактивное сопло, так что может быть запущено функционирование двигателя, и оно быстро распространится вдоль канала.
Жидкое топливо в топливоподающей трубе закрывает антиузел давления для газового потока.
Как вариант, внутри двигателя может быть выполнена подающая труба для жидкого топлива, длина которой существенно превышает осевую длину четвертьволнового резонатора, так что топливо внутри нее может испаряться, когда двигатель полностью запущен. Длина такой топливоподающей трубы будет обеспечивать то, что она настолько далека от резонансной частоты, что не будет существенного газового потока из четвертьволнового антиузла давления. Испарение топлива будет обеспечивать прекращение неэффективной подачи топлива к пламени стартера, когда он завершит выполнение своих функций.
Удобно выполнить двигатель, по меньшей мере, частично из керамического материала. Керамика исключительно хорошо выдерживает высокие температуры. Термостойкие газонепроницаемые уплотнители просты для проектирования. Низкая теплопроводность керамического материала избавляет от необходимости всесторонней изоляции. Предпочтительным материалом является частично стабилизированная двуокись циркония. Прочность на растяжение материалов из двуокиси циркония при низких температурах может использоваться, чтобы выдерживались нагрузки на двигатель.
На фиг.7А и 7В показаны два ортогональных сечения простого модуля стартера для двигателя. Здесь показан четвертьволновый резонатор 91, выполненный из двуокиси циркония, который содержит реактивное сопло 93 в узле давления сходящихся стенок резонатора 92, аксиальную трубу 99 подачи жидкого топлива, электрический нагревательный элемент 95, выполненный из ленточного реостатного провода и приваренный точечной сваркой к соединительным проводам 96 с низким сопротивлением, и силиконовый резиновый уплотнитель 97. Когда включается подача жидкого топлива, оно просачивается в двигатель под действием сил поверхностного натяжения. Включается электрический нагревательный элемент 95, и это испаряет топливо внутри капиллярной трубки 98 между топливоподающей трубой 99 и полостью 94 резонатора. Теперь газообразное топливо образует струю 100, которая будет выпущена через реактивное сопло 93. Взаимодействие этой струи 100 со сгибом 90 ленточного реостатного провода 95 обеспечивает турбулентность потока. Этот турбулентный поток будет увлекать за собой воздух, который выполняет двойную функцию создания горючей смеси с газообразным топливом и установления конвективного потока 101, 21, как показано на фиг.7В, который обеспечивает свежий воздух для горения.
Нагревательный элемент 95 также будет нагревать воздух в конвективном потоке, так что топливно-воздушная смесь может находиться при намного более высокой температуре, чем температура самовоспламенения. Полость 94 резонатора обязательно имеет маленькое поперечное сечение. Она будет с необходимостью меньше, чем тот минимальный диаметр трубы, который требуется для поддержания пламени между холодными стенками. Нагревательный ленточный провод 95 будет обеспечивать начальный нагрев стенок для поддержания пламени внутри полости 94 резонатора. Он также будет нагревать стенки 92 резонатора, так что пламя может быть самоподдерживающимся.
Стартер расположен так, что, когда электропитание отключается, к капиллярной трубке 98 проводится достаточно тепла для продолжения испарения жидкого топлива с достаточной скоростью для поддержания пламени внутри резонатора 91. Схождение стенок полости 92 резонатора таково, что полость 94 резонатора действует как осциллятор с очень сильным нарастанием.
Если имеется возмущение давления, которое сжимает газы внутри резонатора 91, пламя вдавливается в узкую часть полости 94 резонатора. Тепло от более близких стенок 92 резонатора и немного увеличившееся давление приведут к немного более высокой скорости горения, что, в свою очередь, создаст более высокое давление. Это вытеснит пламя к более широкой части резонатора 91, где будет происходить обратный процесс. Эта осцилляция будет нарастать.
Разделение потока в реактивном сопле 93 вызовет входящий поток воздуха от окружающего карбюратора, как показано на фиг.8А-8С. Тепло от пламени стартера вернется для испарения жидкого топлива в карбюраторе. Поэтому осцилляции запустят двигатель в прилегающей полости 93 резонатора, и осцилляции будут распространяться, пока не запустится весь двигатель.
Конструкция, показанная на фиг.7А и 7В, может работать как автономный двигатель, если полость 93 резонатора является усеченной сбоку. Осцилляции могут иметь достаточную амплитуду для создания реактивной силы. Однако смешивание топлива с воздухом не будет оптимальным вариантом, и из-за простоты ухудшится эффективность.
На фиг.7С показана немного другая конструкция, в которой жидкое топливо подается сбоку через трубу 109 прямо от топливоподводящей трубы 119. Длина трубы 109 существенно превышает длину полости 113 резонатора, так что нет существенной передачи газов в или из резонатора 111 при испарении топлива в трубе 109. Труба 109 помещена дальше от резонатора, чем труба 129, которая питает карбюратор, как показано на фиг.8А и 8С, так что тепло двигателя полностью испаряет запас топлива в карбюраторе до прекращения пламени стартера.
На фиг.8А и 8В показаны сечения полости 133 резонатора и соответствующего карбюратора, который сжигает топливо в режиме сильного быстрого горения. Резонатор и усилитель турбулентности потока образуются отливкой 132 из двуокиси циркония с алюминиевым обтекателем 131 и штырями 134 для усиления турбулентности потока, штампованными из цилиндрических инконелевых пластин. Отливка 132 из двуокиси циркония содержит направляющий канал 135 газообразного топлива, сопла 136 карбюратора и полость 133 резонатора со сходящимися стенками. Алюминиевый обтекатель 131 содержит входные отверстия 137, близость обтекателя 131 к отливке 132 из двуокиси циркония образует карбюраторную трубку 138 Вентури, а крутая ступенька в отливке 132 из двуокиси циркония будет создавать турбулентный поток для смешивания топлива с воздухом. Штыри 134 для усиления турбулентности потока установлены перпендикулярно среднему потоку топлива и воздуха для выполнения однородного перемешивания топлива с воздухом перед входом внутрь полости 133 резонатора.
Конструкция стартера создает большие локальные осцилляции, и тепло двигателя от этого будет испарять топливо в карбюраторной подающей трубе 135. При осцилляции стартера затем произойдет всасывание топливно-воздушной смеси в полость 133 резонатора, и осцилляции будут расти по амплитуде. Увеличение потока тепла от двигателя приведет к дальнейшему испарению топлива в подающей трубе 135 карбюратора и распространению осцилляции вдоль соседних полостей 133 резонаторов, пока весь резонатор не заработает.
Хотя продувка выхлопного газа будет вполне эффективной, может понадобиться наличие маленькой камеры 139 со стороны антиузла 144 давления четвертьволнового резонатора 141, чтобы собирать остающийся выхлопной газ и позволить топливно-воздушной смеси проникнуть в резонатор 141 на требуемую глубину.
На фиг.8С показано подобное сечение двигателя, который воспламеняет топливно-воздушную смесь в режиме детонационной волны. Полость 153 резонатора канальной формы немного шире, так чтобы предотвратить воспламенение топливно-воздушной смеси горячими стенками полости 152 резонатора. Здесь также имеется плоский конец 154 полости 153 в антиузле 154 давления для отражения входящего газового потока или ударной волны, создающий таким образом ударный фронт достаточной силы для воспламенения топливно-воздушной смеси в режиме детонационной волны 160.
Двигатели могут быть окружены кожухом форсажной камеры или другим образом связаны с трубой форсажной камеры для ускорения воздуха второго контура, улучшая таким образом аэродинамическую эффективность двигателя.
Реферат
Пульсирующий воздушно-реактивный двигатель содержит четвертьволновый газовый резонатор, выполненный с возможностью функционирования на ультразвуковой частоте. Резонатор является закрытым или по существу закрытым для газового потока в его антиузле давления. Форма и размеры четвертьволнового газового резонатора, по меньшей мере, частично определяют ультразвуковую частоту, на которой работает резонатор. Изобретение направлено на увеличение реактивной силы, улучшение аэродинамической эффективности, снижение веса и уменьшение габаритов двигателя. 2 н. и 41 з.п. ф-лы, 17 ил.
