ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
(ПуВРД)

Борис Николаевич Крутиков, к.т.н.

Предлагаемый ПуВРД призван заменить собой неэффективный двигатель внутреннего сгорания, включая газотурбинный двигатель (ГТД). Применение в таком ПуВРД детонационного горения топлива позволит: повысить экономичность двигателя в несколько раз; обеспечить устойчивый процесс самовоспламенения керосина или дизельного топлива; регулировать силу тяги в 5...10 раз; убрать из конструкции резонансную трубу, клапаны на всасывании воздуха и компрессор; обеспечить запуск и работу двигателя при нулевой скорости полета.

Конструкция простейшего ПуВРД представляет собой цилиндрическую трубу (без диффузора на выходе и со специальной дозвуковой форсункой на входе), которая по существу является воздушным эжектором [1, с. 504].

Рассмотрим особенности работы эжекторного усилителя тяги (ЭУТ) в воздушной среде без горения. Как известно, суммарная реактивная тяга, действующая на все элементы эжектора, неподвижного относительно внешней среды, равна P = (G₁ + G₂)·W₃, где G₁, G₂ - секундный массовый расход эжектирующего и эжектируемого воздуха из атмосферы, соответственно; W₃ - скорость истечения смеси воздуха из эжектора.

Тяга одного сопла, при тех же начальных параметрах, равна P₀ = G₁·W₁, где W₁ - звуковая скорость истечения эжектирующего воздуха из сопла.

Тогда коэффициент эффективности ЭУТ составит К=Р/Р_о=(1+n) W₃/W₁ , (1)

где n = G₂/G₁ - коэффициент эжекции воздуха в эжекторе.

Решая систему основных уравнений для простейшего неподвижного эжектора для значения коэффициента К в формуле (1) получим три различных выражения: К=К(n,). Например, известно трехкратное увеличение тяги в турбовентиляторе [2, с. 387].

Применение в ПуВРД детонационного горения [3] или пульсирующей струи в эжекторе [4] позволило не только втрое повысить тягу по сравнению с расчетной, но и изменить место приложения силы тяги, при этом скорость истечения детонационной волны из сопла двигателя может быть меньше скорости полета самого двигателя.

Простейшая модернизация эжектора [4, рис. 6] позволит дополнительно увеличить тягу ПуВРД на стенде еще как минимум втрое.
Экспериментальное опробование разработанной конструкции ПуВРД было проведено на камере сгорания со специальной форсункой в цилиндрическом водогрейном котле тепловой мощностью 1,5 МДж/с.

В качестве топлива использовался нагретый до 90 °С мазут или дизельное топливо, распыляемое в форсунке струей сжатого воздуха с полным давлением перед соплом 0,2 МПа.

Длина факела чистого (без копоти) горения дизельного топлива на открытом воздухе составила 2,5 м при диаметре среза сопла форсунки 6 мм, т.е. 400 калибров.

Для проверки качества распыла дизельного топлива были проведены холодные (без горения) испытания форсунки в котле.

Расход сжатого (эжектирующего) воздуха G₁ = 0,004 кг/с и перепад давления на сопле форсунки 0,1 МПа обеспечили расход эжектируемого и распыляемого дизельного топлива 0,04 кг/с, а также расход эжектируемого воздуха из атмосферы G₂ = 0,6 кг/с. Расходы воздуха определялись расчетным путем.

Двухфазная топливо-воздушная струя из цилиндрического сопла диаметром 6 мм влетала в котел-эжектор диаметром 150 мм, смешивалась с эжектируемым воздухом и продвигалась по котлу длиной 3,5 м, а затем по вертикальному патрубку котла однородной струей диаметром 100 мм уходила к потолку цеха на высоту 12 м.

Этот процесс длился менее 10 с, в течение которых было распылено 0,4 кг дизельного топлива. Спустя две минуты облако распыленного топлива осело на дно цеха, и на площади 400 м² образовался туман с пределом видимости около 3 м. Этот туман дизельного топлива представлял собой облако, готовое к объемному взрыву.

Дальнобойность двухфазной струи диаметром 6 мм составила 2500 калибров сопла с коэффициентом эжекции n > 150 (по воздуху).

Аналогичный процесс распыла воды был проведен на отстыкованной от котла камере сгорания диаметром 150 мм и длиной 300 мм, причем опыт показал образование водяного тумана на длине 300 мм, т.е. двух калибров эжектора.

Режим самовоспламенения и детонации топлива в ПуВРД протекал с частотой 25...40 Гц и уровнем шума около 60 Дб.
Ориентировочное давление воздуха при детонации топлива было 0,4 МПа.

В настоящее время проводится работа по изготовлению бескомпрессорного ПуВРД, предназначенного для вращения турбоэлектрогенератора мощностью 15 КВт, с проектными параметрами: импульс силы тяги - 400 Н; расход парообразного дизельного топлива - 2 кг/ч; масса - 2 кг.

Себестоимость разрабатываемого ПуВРД в 100 раз меньше себестоимости серийного ГТД той же тяги.

Высокая экономичность процесса в ПуВРД достигается благодаря использованию эффекта детонации топлива в пульсирующем режиме, а также благодаря сверхвысокому коэффициенту эжекции воздушного потока n.

Разработанная конструкция и режим работы ПуВРД могут быть использованы для повышения в 3...10 раз тяги серийных двигателей с реактивной струей, таких как ГТД, ЖРД и РДТТ, работающих в воздушной среде без изменения часового расхода топлива, что позволит быстро и дешево сделать, например, ГТД шестого поколения.

ЛИТЕРАТУРА