RU2034996C1

RU2034996C1 - Method and device for obtaining thrust

Info

Publication number: RU2034996C1
Application number: RU93046334A
Authority: RU
Inventors: Владимир Федорович Антоненко; Александр Михайлович Масс; Сергей Николаевич Минин; Валерий Тимофеевич Попов; Ростислав Михайлович Пушкин; Дмитрий Ипполитович Словецкий; Виктор Иванович Смирнов; Александр Иванович Тарасов
Original assignee: Владимир Федорович Антоненко; Александр Михайлович Масс; Сергей Николаевич Минин; Валерий Тимофеевич Попов; Ростислав Михайлович Пушкин; Дмитрий Ипполитович Словецкий; Виктор Иванович Смирнов; Александр Иванович Тарасов
Priority date: 1993-10-11
Filing date: 1993-10-11
Publication date: 1995-05-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: fuel is burned out at oxygen excess and then fed to the combustion products obtained. Working fluid is obtained and its internal energy is converted to the work done by thrust. Before obtaining the working fluid, pyrolysis of fuel and freezing of pyrolysis products are carried out. Internal energy of the working fluid is converted to the work done by thrust by periodically repeated detonation. The fuel is fed to the combustion products until the total value of oxygen excess achieves 0.1-0.9, and fuel is burned out in the presence of oxygen at 1-4 of oxygen excess. The device comprises housing 1, combustion chamber 2 provided with inlet 3, intermediate chamber 4 having inlet 5 and outlet 6, ring passage 7 with inlet 8 and outlet 9, enclosing chamber 10, converter for converting internal energy of the working fluid into mechanical work done by thrust constructed as gas dynamic resonator 11 defined by the outer disk 12 and internal disk 13 having openings 14. The resonator is provided with cover 15 having the central opening 16 with chamfered edges 17. The cover and the surface of the internal disk define nozzle 16. The surface of the outer disk and the cover define passage 19 for exhaust. EFFECT: enhanced efficiency. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для создания тяги как на летательных аппаратах, так и на других транспортных средствах. The invention relates to mechanical engineering and can be used to create traction both on aircraft and on other vehicles.

Известен способ получения тяги, заключающийся в сжигании горючего с избытком окислителя, последующей подаче горючего в полученные продукты сгорания, получении рабочего тела и преобразовании его внутренней энергии в работу силы тяги (см. патент США N 4134260 кл. F 02 K 3/10, 1979). There is a method of producing traction, which consists in burning fuel with an excess of oxidizing agent, subsequent supply of fuel to the resulting combustion products, obtaining a working fluid and converting its internal energy into work of traction force (see US patent N 4134260 class. F 02 K 3/10, 1979 )

Известный способ реализуется в устройстве для получения тяги, содержащем расположенные в корпусе с образованием кольцевого канала камеру сгорания, промежуточную камеру, присоединенную к выходу последней замыкающую камеру и преобразователь внутренней энергии рабочего тела в работу силы тяги (см. патент США N 4134260, F 02 K 3/10, 1979). The known method is implemented in a device for producing traction, comprising a combustion chamber located in the housing with the formation of an annular channel, an intermediate chamber connected to the outlet of the latter, a closing chamber and a converter of the internal energy of the working fluid to the work of the traction force (see US patent N 4134260, F 02 K 3/10, 1979).

Известным способу и устройству присущи недостатки, заключающиеся в том, что: процесс сжигания горючего может вестись лишь при низком давлении, поскольку величина последнего ограничена степенью повышения давления в современных компрессорах; исходя из существующих соотношений термодинамических параметров известные способ и устройство практически не позволяют повысить энергетическую эффективность процесса получения тяги, а именно: энергетическая эффективность, определяемая, как удельная тяга (I

), зависит от величины температуры перед соплом, которое, как известно, выполнено из конструкционных материалов, имеющих недостаточные жаропрочность и жаростойкость; КПД известных устройств в цикле Р_о=const не превышает значения 0,5-0,6 и, следовательно, до 40-50% тепла непрерывно выбрасывается бесполезно в атмосферу с реактивной струей, которая вредна, к тому же, в экологическом отношении.The known method and device has inherent disadvantages in that: the process of burning fuel can only be carried out at low pressure, since the magnitude of the latter is limited by the degree of pressure increase in modern compressors; based on the existing ratios of thermodynamic parameters, the known method and device practically do not allow increasing the energy efficiency of the process of obtaining thrust, namely: energy efficiency, defined as specific thrust (I

), depends on the temperature in front of the nozzle, which, as you know, is made of structural materials having insufficient heat resistance and heat resistance; The efficiency of the known devices in the cycle P _o = const does not exceed the value of 0.5-0.6 and, therefore, up to 40-50% of the heat is continuously emitted uselessly into the atmosphere with a jet stream, which is also harmful from an environmental point of view.

Цель изобретения состоит в улучшении удельных тяговых характеристик и в повышении энергетической эффективности процесса получения тяги. The purpose of the invention is to improve specific traction characteristics and to increase the energy efficiency of the process of obtaining traction.

Цель достигается тем, что в известном способе получения тяги, заключающемся в сжигании горючего с избытком окислителя, последующей подаче горючего в полученные продукты сгорания, получении рабочего тела и преобразовании его внутренней энергии в работу силы тяги, осуществляют дополнительно пиролиз горючего и замораживание продуктов пиролиза до получения рабочего, преобразование внутренней энергии последнего в работу силы тяги производят посредством периодически повторяющегося процесса детонации, при этом подачу горючего в продукты сгорания осуществляют до достижения суммарного значения коэффициента избытка окислителя, равного 0,1-0,9, а сжигание горючего с окислителем проводят с коэффициентом избытка окислителя, равным 1-4. Дополнительно, после сжигания горючего с избытком окислителя, осуществляют отбор части продуктов сгорания и подачу ее в рабочее тело и периодически повторяющийся процесс детонации осуществляют путем подачи рабочего тела в газодинамический резонатор. Цель достигается тем, что в известном устройстве для получения тяги, содержащем расположенные в корпусе с образованием кольцевого канала камеру сгорания, промежуточную камеру, присоединенную к выходу последней замыкающую камеру и преобразователь внутренней энергии рабочего тела в работу силы тяги, выход камеры сгорания подсоединен к входам промежуточной камеры и кольцевого канала, а выход последнего к преобразователю, который выполнен в виде газодинамического резонатора, выполненного в виде эквидистантно расположенных наружного и внутреннего дисков, последний из которых снабжен отверстиями, соединяющими его с замыкающей камерой, и снабженного крышкой с центральным отверстием, имеющим скошенные кромки, установленной по периметру внутреннего диска и образующей с поверхностью последнего кольцевое сопло, а с наружным диском кольцевой (выхлопной) канал. The goal is achieved in that in the known method for producing traction, which consists in burning fuel with an excess of oxidizing agent, subsequent supplying fuel to the resulting combustion products, obtaining a working fluid and converting its internal energy into traction, additionally pyrolyze the fuel and freeze the pyrolysis products to obtain worker, the conversion of the latter’s internal energy into work of the traction force is carried out by means of a periodically repeating detonation process, while the supply of fuel to the products Goran performed until the accumulated value oxidizer excess factor equal to 0.1-0.9, and burning fuel with oxidant is carried out with an excess of oxidant factor of 1-4. Additionally, after burning fuel with an excess of oxidizing agent, part of the combustion products is selected and supplied to the working fluid, and the periodically repeating detonation process is carried out by feeding the working fluid to the gas-dynamic resonator. The goal is achieved in that in the known device for producing traction, comprising a combustion chamber located in the housing with the formation of an annular channel, an intermediate chamber connected to the output of the latter, a closing chamber and a converter of the internal energy of the working fluid to the work of the traction force, the output of the combustion chamber is connected to the inputs of the intermediate the chamber and the annular channel, and the output of the latter to the converter, which is made in the form of a gas-dynamic resonator, made in the form of equidistant external and morning disks, the latter being provided with openings connecting it with the closing chamber, and provided with a lid with a central opening having a bevelled edge mounted on the perimeter of the inner disk and forming with the latter an annular nozzle surface, and with an outer annular disc (exhaust) channel.

На чертеже изображено описываемое устройство, в котором реализуется описываемый способ. The drawing shows the described device, which implements the described method.

Устройство содержит корпус 1, камеру 2, сгорания с входом 3, промежуточную камеру 4 с входом 5 и выходом 6, кольцевой канал 7 с входом 8 и выходом 9, замыкающую камеру 10, преобразователь внутренней энергии рабочего тела в работу силы тяги, в виде газодинамического резонатора 11, выполненного из наружного диска 12 и внутреннего диска 13, снабженного отверстиями 14. Резонатор снабжен крышкой 15 с центральным отверстием 16 со скошенными кромками 17, образующей с поверхностью внутреннего диска сопло 18, а с наружным диском кольцевой выхлопной канал 19. The device comprises a housing 1, a chamber 2, combustion with an input 3, an intermediate chamber 4 with an input 5 and an output 6, an annular channel 7 with an input 8 and an output 9, a closing chamber 10, a converter of the internal energy of the working fluid into traction, in the form of a gas-dynamic a resonator 11 made of an outer disk 12 and an inner disk 13 provided with holes 14. The resonator is provided with a cover 15 with a central hole 16 with beveled edges 17 forming a nozzle 18 with the surface of the inner disk and an annular exhaust channel 19 with the outer disk.

Описываемое устройство для получения тяги работает следующим образом. The described device for receiving traction works as follows.

Сжатый воздух, преимущественно, с давлением Р_о ≥2 кг/см² подается в камеру 2 сгорания вместе с горючим, например, керосином. Сжигание горючего с окислителем (воздухом) производится при концентрациях окислителя, равных или превышающих стехиометрическую концентрацию. Горючее сжигается полностью, чем обеспечивается высокая температура потока источника предварительного подогрева.Compressed air, mainly with a pressure of P _about ≥2 kg / cm ^2, is supplied to the combustion chamber 2 together with fuel, for example, kerosene. Combustion of fuel with an oxidizing agent (air) is carried out at oxidizing agent concentrations equal to or exceeding the stoichiometric concentration. Fuel is burned completely, which ensures a high temperature of the preheating source stream.

Поток с продуктами сгорания горючего затем разделяется на части, одна из которых поступает из камеры 2 сгорания в кольцевой канал 7, а другая в промежуточную камеру 4, куда дополнительно подается горючее. За счет высокой температуры потока источника предварительного подогрева происходит пиролиз дополнительно подаваемого горючего, сопровождающийся распадом исходных молекул с образованием более высокореакционноспособных частиц, включая молекулы с меньшим молекулярным весом (радикалы, бирадикалы, карбены или их аналоги, возбужденные частицы). Эти промежуточные частицы сильно возбуждены по колебательным степеням свободы за счет образования химических связей. Эффективная температура реакции таких частиц с молекулами окислителя может достигать до 10000 К, что и приводит к значительному ускорению всех процессов, в том числе и детонации. The stream with the combustion products of the fuel is then divided into parts, one of which comes from the combustion chamber 2 into the annular channel 7, and the other into the intermediate chamber 4, where the fuel is additionally supplied. Due to the high temperature of the preheating source stream, the pyrolysis of additionally supplied fuel occurs, accompanied by the decomposition of the starting molecules with the formation of more highly reactive particles, including molecules with a lower molecular weight (radicals, biradicals, carbenes or their analogues, excited particles). These intermediate particles are strongly excited by vibrational degrees of freedom due to the formation of chemical bonds. The effective reaction temperature of such particles with oxidizing molecules can reach up to 10,000 K, which leads to a significant acceleration of all processes, including detonation.

Однако промежуточные частицы являются короткоживущими и способны превращаться в плотные образования. В этом состоянии они быстро дезактивируются. However, the intermediate particles are short-lived and are able to turn into dense formations. In this state, they are quickly deactivated.

Чтобы этого не происходило, продукты пиролиза подаются в замыкающую камеру 10, где их замораживают (закаливают) с получением рабочего тела. Замораживание (закалка) потока пирогаза в камере 10 резко снижает скорость гибели высокореактивных промежуточных частиц, приводит к их более длительному сохранению, позволяет получить энергонасыщенное рабочее тело и способствует рациональной организации периодически повторяющегося процесса детонации, который осуществляется в резонаторе 11, куда через отверстия 14 подается рабочее тело из камеры 10. Через сопло 18 может подаваться также часть продуктов сгорания из канала 7. To avoid this, the pyrolysis products are fed into the closing chamber 10, where they are frozen (quenched) to obtain a working fluid. The freezing (quenching) of the pyrogas stream in the chamber 10 sharply reduces the death rate of highly reactive intermediate particles, leads to their longer preservation, allows one to obtain an energy-saturated working fluid, and promotes the rational organization of a periodically repeating detonation process, which is carried out in the resonator 11, where the working fluid is fed through openings 14 the body from the chamber 10. Through the nozzle 18 may also be fed part of the combustion products from the channel 7.

В газодинамическом резонаторе 11 реализуются периодические детонационные процессы (частота десятки кГц), способствующие преобразованию внутренней энергии рабочего тела в механическую работу силы тяги при V=const. In the gasdynamic resonator 11, periodic detonation processes (frequency tens of kHz) are realized that contribute to the conversion of the internal energy of the working fluid into the mechanical work of the thrust force at V = const.

Выхлоп продуктов детонации происходит через выхлопной кольцевой канал 19. The exhaust of detonation products occurs through the exhaust annular channel 19.

Действие газодинамического резонатора 11 основано на известном эффекте Гартмана-Шпренгера и заключается в возникновении пульсационных режимов по давлению, сопровождающихся ростом температуры торможения внутри резонатора. Сочетание быстрого детонационного сгорания с предварительным сжатием экзотермически активной газовой смеси в ударно-волновых структурах, возникающих в газодинамическом резонаторе при возбуждении автоколебаний, позволяет реализовать высокий КПД и улучшить удельные тяговые характеристики, причем, сжатие может быть доведено до значительных величин, обеспечивающих давление в открытом резонаторе в сотни атмосфер, что дает очень высокую степень последующего расширения продуктов, не достижимую в традиционно применяемых циклах большинства двигателей. The action of the gas-dynamic resonator 11 is based on the well-known Hartmann-Sprenger effect and consists in the appearance of pulsating pressure regimes, accompanied by an increase in the braking temperature inside the resonator. The combination of fast detonation combustion with preliminary compression of the exothermically active gas mixture in the shock-wave structures arising in the gasdynamic resonator upon excitation of self-oscillations makes it possible to realize high efficiency and improve specific traction characteristics, moreover, the compression can be brought up to significant values providing pressure in the open resonator in hundreds of atmospheres, which gives a very high degree of subsequent expansion of products, not achievable in traditionally used cycles, most wa engines.

Выбор же конкретных значений коэффициента избытка окислителя определяется входными параметрами воздуха и горючего, а также геометрическими данными описываемого устройства. The choice of specific values of the coefficient of excess oxidizer is determined by the input parameters of air and fuel, as well as the geometric data of the described device.

Предложенные способ и устройство позволят:
отказаться от форсажной камеры и использовать в качестве источника сжатого воздуха второй контур двухконтурного турбореактивного двигателя;
применять однорежимные турбокомпрессоры и использовать воздушно-реактивный двигатель в качестве источника продуктов сгорания газа за турбиной;
осуществлять регулирование силы тяги путем изменения значений коэффициента избытка окислителя.The proposed method and device will allow:
abandon the afterburner and use the second circuit of the turbofan engine as a source of compressed air;
apply single-mode turbochargers and use an air-jet engine as a source of gas combustion products behind the turbine;
to regulate traction by changing the values of the coefficient of excess oxidizer.

Кроме того, предложенный способ может найти применение в прямоточном пульсирующем детонационном двигателе (в прямоточной схеме при сжатии набегающего потока воздуха в соответствующем воздухозаборнике). In addition, the proposed method can find application in a once-through pulsating detonation engine (in a once-through circuit when compressing the incoming air flow in the corresponding air intake).

Claims

1. The method of obtaining traction, which consists in burning fuel with an excess of oxidizing agent, subsequent supply of fuel to the resulting combustion products, obtaining a working fluid and converting its internal energy into a work of traction, characterized in that they further carry out pyrolysis of the fuel and freezing the pyrolysis products to obtain a working body, the internal energy of the latter is converted into work by traction forces by means of a periodically repeating detonation process, while the supply of fuel to the combustion products uschestvlyayut until the total oxidizer excess factor values of 0.1 to 0.9, and fuel combustion is performed with oxidant with the oxidant excess coefficient equal to 1 April.

2. The method according to p. 1, characterized in that in addition after burning fuel with an excess of oxidizing agent, part of the combustion products is selected and fed to the working fluid.

3. The method according to claim 1, characterized in that the periodically repeating detonation process is carried out by supplying a working fluid to a gas-dynamic resonator.

4. A device for producing traction, comprising a combustion chamber located in the housing with the formation of an annular channel, an intermediate chamber connected to the outlet of the latter by a closure chamber and a converter of the internal energy of the working fluid into traction force, characterized in that the output of the combustion chamber is connected to the inputs of the intermediate chamber and an annular channel, and the output of the latter to the converter, which is made in the form of a gas-dynamic resonator.

5. The device according to claim 4, characterized in that the gas-dynamic resonator is made in the form of equidistant external and internal disks, the last of which is equipped with holes connecting it to the closing chamber.

6. The device according to claims 4 and 5, characterized in that the resonator is provided with a lid with a central hole having beveled edges mounted around the perimeter of the inner disk and forming an annular nozzle with the surface of the latter, and an annular channel with the outer disk.