Układ napędowy śmigłowo-strumienicowo-strumieniowy

Przedmiotem wynalazku jest odrzutowy układ napędowy śmigłowo-strumienicowo-strumieniowy nadający się do napędu maszyn latających, a szczególnie lekkich samolotów. Znane ze stosowania napędy wirników, umieszczone na końcu ich łopat, polegają na zastosowaniu silnika rakietowego bez lub z silnikiem strumieniowym, używają tego pierwszego do rozpędzenia wirnika, który następnie jest napędzany oszczędniejszym silnikiem strumieniowym. Silniki rakietowe zużywają nie tylko paliwo, ale i wielokrotnie więcej od niego utleniacza, który obniża udźwig napędzanej nimi maszyny latającej. Dostarcza on wraz paliwem masy potrzebnej do uzyskania inercyjnego napędu.

Celem lepszego wykorzystania tej masy spalanie paliwa w silniku rakietowym odbywa się przy bardzo wysokim ciśnieniu, które wywołuje dużą prędkość opuszczający go spalin o dużej energii kinetycznej, bezpowrotnie traconej. Znane silniki strumieniowe, potrzebujące tylko dostarczania paliwa, ale muszą być rozpędzane i to do znacznej prędkości zwiększającej ich sprawność skutecznie dopiero, gdy przekroczy ona prędkości dźwięku. Do czego używane są silniki rakietowe. Poza tym silniki strumieniowe zwiększają opór wirnika, co zmniejsza jego sprawność a siła odśrodkowa odwrotnie proporcjonalna do jego średnicy uniemożliwia wręcz jego stosowanie na końcach łopat śmigła.

Istota wynalazku polega na tym, że do łopat śmigła osadzonych w kołpaku zamocowany jest pierścień. Na wypukłej wewnętrznej stronie pierścienia przed miejscem jego mocowania na łopatach, usytuowane są wloty powietrza i wyloty spalin, które przechodzą we wloty mieszanki spalinowo powietrznej dwustopniowych strumienic. Przed wlotami mieszanki usytuowane są żądła. Ponadto wloty mieszanki przechodzą w zwężki, w których umieszczone są dysze paliwowe a za nimi żądła. Zwężki zakończone są dyszami zbieżno - rozbieżnymi, które stanowią wloty silników strumieniowych, zaś przy końcu dysz zamocowane są stabilizatory płomienia w komorach silników. Wewnętrzna powierzchnia pierścienia ma kształt wypukły.
Zaletą wynalazku jest wykorzystanie iniektorowego działania strumienia gazów do zasysania powietrza go otaczającego, a energii tego strumienia do sprężania tej mieszanki w strumienicach i następnie wraz paliwem w drugich ich stopniach oraz w komorach spalania silników. Poza tym dzięki rozmieszczeniu strumienic i silników szeregowo i naprzemian, wzdłuż obwodu pierścienia, które powoduje wzajemne ich zasilanie, potęguje wzrost ciśnienia w komorach spalania silników zwiększając, przez to, ich moc i sprawność. W nowym układzie możliwe jest stosowanie paliwa gazowego.
Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia częściowy widok z przodu odrzutowego układu napędowego śmigłowo-strumienicowo-strumieniowego, fig. 2 - częściowy przekrój pierścienia wzdłuż jego obwodu, a fig. 3 - częściowy przekrój podłużny pierścienia.

Odrzutowy układ napędowy śmigłowo-strumienicowo-strumieniowy składa się z łopat śmigła 1 osadzonych w kołpaku 2, do których zamocowany jest pierścień 3, na którego wypukłej wewnętrznej stronie usytuowane są wloty powietrza 4, przed miejscem jego mocowania na łopatach 1. Tam też usytuowane są wyloty spalin 5, które przechodzą we wloty mieszanki 6 spalinowo powietrznej dwustopniowych strumienic, przed którymi usytuowane są żądła 7. Wloty 6 przechodzą w zwężki 8, w których umieszczone są dysze paliwowe 9 a za nimi żądła 10. Zwężki 8 zakończone są dyszami zbieżno - rozbieżnymi 11, które stanowią wloty silników strumieniowych. Przy końcu dysz zamocowane są stabilizatory płomienia komorach silników 13.

Działanie układu według wynalazku jest następujące. Inicjuje go wtrysk, pod bardzo wysokim ciśnieniem, paliwa i jego zapłon w komorach spalania 13 silników strumieniowych. Część spalin wylatuje ich wylotami 5 a część po zmieszaniu się z powietrzem wlatuje do następnych silników wlotami mieszanki 6. Żądła 7 powodują wstępne jej sprężanie wywołując falę uderzeniową, zaś dalsze w zwężkach strumienicy 8. Następnie paliwo wylatujące z dysz 9 zwiększa energię tej mieszanki, która jest następnie sprężana w fali uderzeniowej wywoływanej żądłem 10 oraz we wlotach 11. Wypukły kształt wewnętrznej powierzchni pierścienia 3 wywołuje siłę dośrodkową kompensującą siłę odśrodkową wywołaną nie tylko masą pierścienia 3, ale i łopat 1. Można też dodatkowo ustalać wartość jej zmian za pomocą kąta natarcia profilu pierścienia 3 w stosunku do opływających go skośnie strug powietrza. Skośny kierunek tych strug powoduje faktyczne wydłużanie tego profilu a stąd względne zmniejszanie jego grubości, co jest korzystne aerodynamicznie.

Wraz z wzrostem prędkości układu, wzrasta ciśnie dynamiczne powietrza zamieniane na statyczne, a stąd wzrasta jego ilość w komorze spalania, przez co można dostarczać więcej paliwa, co zwiększa siłę ciągu i sprawność jego działania. Wzajemne zasilania silników pozwala uzyskać dużo większe ciśnienie w ich komorach spalania 13 w układzie według wynalazku, niż jest to uzyskiwane w znanych silnikach strumieniowych i przez to rozwijać większą siłę ciągu przy identycznym zużyciu paliwa. Ciągłość pierścienia 3 oraz brak wolnych końców łopat śmigła 1 minimalizuje ich opór indukcyjny. Zastosowanie śmigieł w układzie zwiększa znacznie siłę jego ciągu w odniesieniu do mocy zużywanej energii. Znaczną jej część stanowi wzdłużna składowa siły ciągu silników strumieniowych.

Wykaz oznaczeń na rysunku:

1 - łopata śmigła
2 - kołpak
3 - pierścień
4 - wlot powietrza
5 - dysza wylotowa
6 - wlot mieszanki
7 - żądło
8 - zwężka
9 - dysza paliwowa
11 - żądło
12 - stabilizator płomienia
13 - komora spalania