Реактивный двигатель

 

Реактивный двигатель для летательных аппаратов и судов на воздушной подушке содержит камеры сгорания, механизм газораспределения и рабочие каналы. Камеры сгорания снабжены форсунками-детонаторами и топливными форсунками, выполненными в виде цилиндрических камер, сообщающихся с одной стороны с камерами сгорания, а с другой - с патрубком, в котором размещен электрод и шнек. Патрубок с внутренней стороны и камера выполнены из электроизоляционного материала, и последняя снабжена кольцевым каналом. Газораспределительные устройства механизма газораспределения выполнены или в виде шнеков с переменным шагом лопастей, или пустотелых заслонок, снабженных механизмом привода. Кольцевой канал каждой форсунки с одной стороны снабжен соплами, сообщающимися с взрывной камерой, а с другой - с патрубком подачи электропроводной жидкости. В рабочих каналах установлены решетки с клапанами, с одной стороны сообщающиеся с ресивером, а с другой - с рабочими каналами. Каналы снабжены поворотными соплами, внутри которых установлены форсунки-детонаторы и топливные форсунки. Такое выполнение реактивного двигателя приводит к повышению КПД. 2 з.п. ф-лы, 15 ил.

Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к области реактивных двигателей, а более конкретно к реактивным двигателям, обеспечивающим в одном агрегате создание подъемной силы для вертикального подъема и тяги для горизонтального движения. Областью применения являются: вертолеты, самолеты с вертикальным взлетом и посадкой, суда на воздушной подушке.

Уровень техники Известны традиционные способы создания подъемной силы путем отбрасывания большой массы воздуха, но с малой скоростью - вертолеты с несущим винтом большого диаметра. Недостатки - громоздкость конструкции, низкий КПД.

Известны способы создания реактивной тяги: турбореактивные, пульсирующие, прямоточные и ракетные, отбрасывающие продукты сгорания с большой скоростью и небольшой массой. Недостатки - использование турбины, низкий КПД.

Иным путем осуществляется создание подъемной силы по патенту США N 3206926 от 1965 г., в котором используется способ эжектирования продуктов сгорания турбореактивного двигателя через несколько каналов - камер смешения. Недостатками этой конструкции являются низкий КПД, не превышающий 9-12%, громоздкость схемы и большой вес аппарата.

Еще одним путем создания подъемной силы является электрокинетическое устройство, работающее на электрической энергии /см. И.Н.Колпакчиев. Транспортная авиация: взгляд в будущее, 7/80, Знание, Транспорт, стр. 47-63/. Недостаток устройства - отсутствие в настоящее время надежного двигателя с МГД генератором, отвечающего условиям авиации.

Сущность изобретения В целях устранения указанных недостатков для создания подъемной силы аппарата применяются рабочие каналы движителя по авторскому свидетельству N 1136543 от 22 сентября 1984 г. /автора/, расположенные параллельно друг другу, а реактивная тяга для движения аппарата осуществляется за счет устройства в каждом из рабочих каналов камер сгорания с запорными устройствами, форсунками и детонаторами, а также тягового /вых/ сопла, обеспечивающего изменение вектора тяги в вертикальной и горизонтальной плоскости, с размещением перед входом в него форсажной камеры сгорания с запорным устройством, форсунками и детонаторами.

Другое отличие состоит в установке камер сгорания перед рабочим каналом с запорными устройствами, выполненными в виде поворотных заслонок /вместо шнека с изменяющимся шагом лопастей по первому варианту/, поворот которых на 90o выполняется с помощью механического привода.

В результате достигается совмещение в одном агрегате подъемного устройства для вертикального взлета аппарата и его полета за счет тяговых сопел. Вместе с тем каждый реактивный двигатель с рабочим каналом, путем включения форсажных камер сгорания перед тяговым соплом, имеет возможность резкого повышения или подъемной силы всего аппарата, при повороте тяговых сопел с направлением струи в сторону опорной поверхности, или тяги в горизонтальной плоскости при изменении вектора тяги поворотом сопла в сторону полета.

Иными словами, реактивный двигатель с рабочим каналом обеспечивает создание реактивного усилия в двух направлениях одновременно: в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а параллельное размещение их друг с другом в несущей плоскости аппарата обеспечивает возможность создания подъемной силы на большой площади конструкции и достижение подъемной силы в несколько сотен или несколько десятков сотен тонн, а это недостижимо для современных вертолетов или самолетов большой грузоподъемности.

Другое отличие заключается в способе сжатия воздуха в камерах сгорания перед рабочими каналами двигателя, осуществляемого путем отбора сжатого воздуха из рабочих каналов, поступающего через клапанные решетки с самодействующими пластинчатыми клапанами в междустеночное пространство каналов-ресиверов и далее в камеры сгорания.

Еще одним принципиальным отличием от всех существующих тепловых /в частности, реактивных/ двигателей является процесс сгорания топлива, осуществляемый по двум методам.

Детонационный метод сгорания топлива, наиболее близкий к изотермическому процессу Сгорание рабочей смеси в камерах сгорания детонационным методом осуществляется с выполнением двух необходимых в этом случае мероприятий: впрыск топлива в камеру сгорания производится из специальной форсунки, обеспечивающей не впрыск струй жидкого горючего, а "выстрел" в камеру сгорания паров любого жидкого топлива. В результате до минимума снижается период задержки воспламенения или период индукции, что в конечном итоге при обычном сгорании рабочей смеси со скоростью до 30 м/с обеспечивает наибольшее тепловыделение за короткий отрезок времени и существенное повышение термического КПД - до 70% и более.

Вместе с тем быстрое перемешивание паров топлива с воздухом обеспечивает возможность осуществления детонационного сгорания в камерах путем инициирования в рабочей смеси /например, паров бензина, керосина, дизтоплива и др./ ударной волны, генерируемой из специального детонатора. Конструкции же форсунки и детонатора практически одинаковы и отличаются только устройством ввода для размещения устройства для впрыскивания жидкого горючего.

Детонационное сгорание топлива для реактивных двигателей позволяет реализовать следующие преимущества: - быстрое сгорание рабочей смеси в течение около одной миллионной доли секунды /см. С. С.Бартенев. Детонационные покрытия в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1982 г., стр. 25-32/ и высокая температура процесса позволяют на 10-15% увеличить количество выделяемого тепла /см. А.И.Зверев [2]/ и существенно повысить КПД процесса сгорания, а следовательно, и эффективный КПД реактивного двигателя; - резко упрощается механизм газораспределения, который в данном примере выполняется в виде шнека с переменным шагом лопастей; - давление взрыва продуктов сгорания достигает 15-25 кг/см2 при нормальном атмосферном давлении воздуха в камере сгорания, т.е. на уровне давления газов в камерах сгорания существующих турбореактивных двигателей. В результате при расширении продуктов сгорания в рабочих каналах достигается более высокое давление сжатия атмосферного воздуха, большая скорость его разгона в каналах и соответственно более высокая скорость истечения сжатого воздуха из каналов с созданием более высокой подъемной силы аппарата и тяги в полете.

Реактивный вертолет на детонационном способе сгорания органического топлива в свою очередь приобретает также следующие преимущества: высокую скороподъемность, большую скорость полета, маневренность и большую грузоподъемность, с суммарным КПД силовой установки порядка 50-75%, что по крайней мере в 3 раза выше, чем у винтового вертолета.

Испарение жидкого топлива, впрыскиваемого в виде струй во взрывную камеру форсунки, осуществляется за счет электрического взрыва струй концентрированных водных растворов сильных электролитов по техническому решению, разработанному в А.С. N 1284055 от 02.01.1984 г. /автора/.

Для электроснабжения силовой установки аппарата под частью тяговых сопел рабочих каналов размещена турбина, приводящая в движение электрогенератор, обеспечивающий энергией и весь комплекс потребителей летательного аппарата.

Перечень фигур чертежей На фиг. 1 показана в продольном разрезе схема реактивного двигателя с рабочим каналом по А.С. N 1136543, а на фиг. 2 - схема двигателя по I-I в плане. На фиг. 3-4 приведены узел Q рабочего канала в продольном и поперечном сечениях с показом всасывающих и выпускных клапанов. На фиг. 6 приведен узел размещения в канале камеры сгорания с тяговым соплом направленным к опорной поверхности.

На фиг. 7 в продольном разрезе показана форсунка с электрической схемой генератора импульсов, а на фиг. 8 и 9 - узлы с показом в продольном сечении камер сгорания и газораспределительного механизма, выполненного в виде поворотных заслонок. На фиг. 10-11 в поперечном сечении приведены узлы двух вариантов уплотнения торцовых поверхностей заслонок со стенками камеры сгорания.

На фиг. 12 показана газотурбинная силовая установка для привода электрического генератора в продольном разрезе, а на фиг. 13 - узел контакта струи электропроводной жидкости форсунки с поверхностью стенки взрывной камеры. На фиг. 14 /узел "A"/ в поперечном сечении показана в большом масштабе клапанная решетка в боковых стенках рабочих каналов, а на фиг. 15 - поперечное сечение по форсунке - по III-III, с показом в плане струй электропроводной жидкости.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения Детонационный реактивный двигатель содержит камеру сгорания 1, коническую переходную часть 2, рабочий канал 3 прямоугольной формы, суживающееся сопло 4 с шарнирным звеном 5. В камере сгорания 1 размещен газораспределительный механизм 6 /запорное устройство/, форсунка 7 и детонатор 8, а в канале 3 установлены пластинчатые клапаны 9 /см. фиг. 2, 14/. Весь реактивный двигатель состоит из нескольких рабочих каналов и камер сгорания, расположенных параллельно друг другу со свободным пространством между его стенками для образования каналов с размещенными в них направляющими лопатками 9, 10 и 11. В междустеночном пространстве 12 поступающий воздух расширяется за счет уменьшения скорости /тот же эффект, который происходит в диффузорах/ с повышением давления и поступает в камеры сгорания. Газораспределительный механизм 6 выполнен в виде шнека с переменным шагом лопастей и центральным телом 13. В рабочих каналах 3 также размещены форсажные камеры сгорания 14 с газораспределительным механизмом 15 и центральным телом 16, форсунки 17 и детонатор 18. Рабочий /ие/ канал прямоугольной формы содержит воздухозаборник 19 и сопловые аппараты 20 и 21 для выпуска отработанных газов и сжатого воздуха, создающих подъемную силу. В свою очередь воздухозаборник рабочего канала состоит из нескольких отдельных клапанных решеток /см. фиг. 3-4/ 22, в каждой из которых выполнены диффузоры 23 с пластинчатыми клапанами 24, обеспечивающие периодическое поступление атмосферного воздуха в рабочие каналы. Позицией 25 показан пластинчатый клапан в момент его открытия /отгибания за счет разности давления воздуха/. В нижней части рабочего канала размещены в виде также отдельных решеток сопловые аппараты 20 и 21, содержащие суживающиеся сопла 26 и пластинчатые клапаны 27.

Сама решетка поз.28. При отгибании клапана от давления сжатого воздуха он занимает положение поз.29
Размещение рабочих каналов с камерами сгорания, т.е. отдельных двигателей, параллелельно друг другу в несущей плоскости летательного аппарата может быть, как это показано на фиг. 5 или на фиг. 12, а также и по-другому в зависимости от конкретных требований, например, двигатели могут быть размещены с противоположным расположением сопел 4 или его смешанным размещением.

Применение нового типа реактивного двигателя, обеспечивающего создание подъемной силы и реактивного усилия для движения аппарата в воздухе, создает возможности размещать их на большой площади несущей плоскости 30 летательного аппарата и реализовывать при полете возможности аэродинамического поддержания аппарата в воздухе за счет соответствующего профиля этой плоскости. На фиг. 5 первый ряд двигателей выполнен с соплами 31 /без поворота их в вертикальной плоскости/.

На фиг. 7 показан продольный разрез по форсунке комбинированного типа, содержащей в себе два устройства: форсунку 32 для подачи и впрыска жидкого топлива во врзывную камеру основной форсунки 7 /17/, имеющей корпус 33.

Внутри корпуса установлена камера 34 с кольцевым каналом 35, с одной стороны сообщающаяся с патрубком 36 и 37, а с другой - с соплами 38. Камера 34 выполняется из диэлектрического материала, например из оксида алюминия, меди и пр.

В патрубке 36 размещено запорное устройство 39, выполненное в виде шнека с переменным шагом лопастей. Корпус 33 соединяется на резьбе с накидной гайкой 40, имеющей взрывную камеру 41 с соплом 42.

Корпус камеры сгорания 43 выполняется с принудительным охлаждением его стенок в месте установки форсунок и детонатора /8, 18/.

Центральное тело шнека 39 служит еще и в качестве электрода 44, подключенное через соединительное устройство 45 к генератору электрических импульсов, которые могут быть: машинными, релаксационными и ГИ на электронных и полупроводниковых усилительных и переключающих приборах. В качестве простейшей схемы генератора на фиг. 7 показан: источник постоянного тока 46, конденсатор 47, переключающий прибор 48 /разрядник, ключ/. Струи электролита - поз. 49, струи топлива - поз.50, насос электропроводной жидкости 59, вентиль 60.

Для получения на борту летательного аппарата электроэнергии служит двигатель, показанный на фиг. 12.

Он состоит из турбины 51 с сопловым аппаратом 52 /направляющий аппарат/, конической передачи 53 и электрогенератора 54, закрытых в корпусе 55. Отработанные газы выходят через спрямляющий аппарат 56 и сопло 57 в атмосферу. На фиг. 13 показан узел контакта струй электролита, вытекающих из сопел камеры 34 и растекающихся в диски 58 при контакте с камерой 40 /см. Г.И.Покровский. Гидродинамические механизмы. - М.: Знание, 1972 г., стр. 18-19/.

Детонационный реактивный двигатель работает следующим образом: форсункой 7 в камеру сгорания 1 "выстреливаются" пары топлива, например бензина, и перемешиваются с воздухом, находящимся при нормальном атмосферном давлении. Далее с помощью детонатора 8 в горючей смеси инициируется ударная волна, за счет которой смесь детонирует /взрывается/ с повышением давления до 15-25 кг/см2 /см. С. С. Бартенев. Детонационные покрытия в машиностроении. - Л.: Машиностроение, 1982 г. , стр. 25-32 [1]/. Продукты сгорания расширяются и сжимают перед собой столб воздуха, находящийся в конической переходной части 2 и рабочем канале 3.

Механизм сжатия и разгона столба воздуха следующий: продукты сгорания, как поршень, движутся в конической части 2 и в начале рабочего канала 3 со скоростью w и сжимают впереди себя воздух. Вместе с этим в столбе воздуха распространяется волна сжатия со скоростью распространения звука. При этом воздух, находящийся между фронтом волны сжатия и газовым поршнем, адиабатически сжат на величину "P" и имеет скорость w /см. А.И.Зверев. Детонационное напыление покрытий. - Л., 1979 г., стр. 18-19 [2]/.

Поэтому длина рабочего канала определяется из условия скорости движения газового поршня, при расширении продуктов сгорания, частоты циклов рабочего процесса двигателя и скорости звука в воздухе = 340 м/с.

При продолжительном расширении газового поршня /продуктов сгорания/, захватывающего зону поз.20 рабочего канала, и достижении максимального давления в нем клапаны 27 под действием этого давления отгибаются, обеспечивая истечение сжатого воздуха через сопла 26 в атмосферу с образованием подъемной силы и сопло 4, создающее тягу в горизонтальной плоскости. Отработанные газы одновременно с истечением сжатого воздуха выходят в атмосферу через сопловой аппарат 20. Температура выхлопных газов на клапанах 27 не превышает 350-450oC из-за полного и продолжительного расширения "газового поршня", созданного продуктами сгорания, что обеспечивает надежную и продолжительную работу пластинчатых клапанов", являющихся единственными в двигателе движущимися элементами.

Современные жаропрочные материалы из хромоникелиевых сталей обеспечивают срок службы клапанов в несколько десятков тысяч часов при температурах до 700-1000oC.

В свою очередь продолжительное расширение газов на 5-7% повышает эффективный КПД двигателя /см. С.Н.Григорьев. Тепловые двигатели и компрессоры. - М. , Трансжелдориздат, 1959 г., стр. 112-137 [3] /, а детонационное сгорание топлива за счет более высокой температуры рабочего процесса, приближающейся к 3000oC, еще способствует повышению КПД не менее чем на 10-15% /см. [2], стр. 28-32/.

Иными словами, детонационное сгорание топлива - наиболее эффективный процесс преобразования тепловой энергии в механическую, соответствующее изотермическому процессу, с наиболее высоким термодинамическим КПД.

Еще более высокое давление в камерах сгорания двигателя создается после первого же рабочего цикла в связи со следующим: при сжатии столба воздуха в рабочем канале и достижении волной сжатия области расположения клапанов 9, размещенных в клапанной решетке 61, они под действием повышенного давления отгибаются /открываются/, пропуская сжатый воздух в канал 12. Как только давление сжатого воздуха в рабочем канале 3 превысит упругость пластинчатых клапанов 27, они откроются, пропуская сжатый воздух в атмосферу с образованием подъемной силы, а дальнейшее понижение давления в канале 3 в связи с продолжающимся движением столба воздуха через сопла 4 и 26 по инерции обеспечит закрытие клапанов 9. В результате сжатый до давления P = 1,2-1,8 кг/см2 воздух поступит в камеры сгорания 1, способствуя более высокому значению КПД рабочих циклов при дальнейшей работе двигателя.

Таким образом, размещение клапанных решеток 61 на боковых стенках рабочих каналов позволяет сжимать воздух в камерах сгорания, обеспечивая более эффективную и экономичную работу двигателя и более высокое давление продуктов сгорания.

Рабочие каналы в этом двигателе становятся еще и компрессорами кинетического сжатия воздуха, подобно осевому компрессору турбореактивного двигателя, но с периодической подачей сжатого воздуха.

Клапанные решетки 61 и сопловые аппараты 20, 21 клапана воздухозаборника 19 работают при невысоких температурах, что обеспечивает длительный срок службы пластинчатых самодействующих клапанов 9, 24, 27, подобные конструкции которых применяются в настоящее время в поршневых компрессорных машинах /см. К.И.Страхович. Компрессорные машины. - М.: Госторгиздат, стр. 147-167 [4]/.

Работа форсунок, детонаторов и форсажных камер сгорания
В форсунке 7, имеющей корпус 33 и камеру 34, используется метод электрического взрыва струй из электропроводных жидкостей по A.C. N 1284055 с приоритетом от 02.01.1984 г., для мгновенного испарения струй жидкого топлива, впрыскиваемого во взрывную камеру 41 форсунки. Эта же конструкция без установки форсунки 32 используется в качестве детонатора или генератора ударных волн, а также в качестве реактора для электротермического разложения воды и электролитов.

Работает форсунка следующим образом. Через внутреннюю форсунку 32 впрыскивается жидкое топливо в виде струй 50, а через сопла 38 впрыскиваются струи чистой электропроводной жидкости 49 от насоса 59 через регулирующий вентиль 60, которые при касании с поверхностью взрывной камеры 41 растекаются в диски 58, образуя плотный электрический контакт с корпусом форсунки /накидная гайка 40/. Одновременно включаются автоматически разрядник 48 генератора электрических импульсов - поз.46, 47, обеспечивая подачу импульсного тока с напряжением в несколько киловольт через центральное тело 44, кольцевой канал 35 на струи 49 и замыкание тока на поверхности взрывной камеры 41. Электрический разряд с заданной энергией и длительностью импульса, пропускаемый по струям, обеспечивает их нагрев и испарение до заданной температуры, передачу теплоты теплопроводностью и излучением на струи 50 жидкого топлива и их мгновенное испарение. В результате в камеру сгорания двигателя через сопло 42 форсунки "выстреливается" смесь паров топлива и водного раствора электролита, испарившегося при электровзрыве струй 49, которая хорошо перемешивается в камере сгорания, чему способствует и наличие газораспределительного устройства, выполненного в виде шнека 6. Воспламенение рабочей смеси топлива с воздухом создается за счет нагрева ее при сжатии ударной волной, исходящей из детонатора 8 /та же форсунка 7, только без размещения форсунки 32/. Электрический взрыв струй 49 в детонаторе 7 создает мощную ударную волну с регулируемой энергией и длительностью импульса, которая из взрывной камеры через сопло 42 "выстреливается" в камеру сгорания со взрывом всей рабочей смеси. В качестве рабочих электропроводных жидкостей применяются концентрированные водные растворы сильных электролитов, например азотная, соляная и серные кислоты с концентрацией соответственно до 31, 20 и 30% с высокой удельной электропроводностью. Кроме кислот могут также применяться и другие электролиты, в частности соли и основания, вплоть до жидких металлов.

Однако на практике концентрация в растворе кислот может находиться в интервале от 2,4 до 5,2-6,0% /см. Б.А.Артамонов. Размерная электрическая обработка металлов. - М.: Высшая школа, 1978 г., стр. 229-233/, что обеспечивает достаточно высокую удельную электропроводность /от 17,0 до 21-22 Смм-1/.

Количество струй электролита, впрыскиваемых во взрывную камеру 41, их диаметр и длина выбираются в зависимости от мощности реактивного двигателя с рабочими каналами. Например, диаметр струй может быть от 0,1 до 1-2 мм /или более/, длина от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, количество от двух и более.

Применение в качестве рабочих жидкостей растворов электролитов, например азотной кислоты, обеспечивает чистоту стенок камер сгорания двигателя и выхлоп газов без какого-либо загрязнения атмосферы.

Ввод в камеры сгорания вместе с органическим топливом воды, основной составляющей растворов для струй поз.49, позволяет существенно сократить расход топлива, тем самым повысить экономичность двигателя, снизить температуру стенок камер сгорания и выброс вредных веществ /токсичных/ в атмосферу.

По существу в рабочем процессе при детонационном способе сгорания используется новый вид топлива, например вода и бензин. "Точно установлено, что вода позволяет: экономить топливо, снизить концентрацию особо токсичных составляющих в выхлопных газах, повысить надежность и долговечность двигателя" /см. К.Чириков. Завтра - ДВС. М.: Знание, Техника, 1983/2, стр. 40-46/.

В описываемом способе детонационного сгорания за счет высокой температуры электрического взрыва струй электролита, достигающей от 200-300oC до 1104-5104 градусов /см. Б.А.Артамонов, том 2. - М.: Высшая школа, 1983 г., стр. 72-73, 102-103/, обеспечивается электротермическое разложение воды на атомарные водород и кислород с последующим процессом выделения "теплоты образования воды", как известно, равной 285,8 кДж/моль /Общая химия Н.Л. Глинки/.

Электротермическое разложение воды на водород и кислород осуществляется "всего" при температуре более 2500oC /см. Г.Мучник. ЭХИ, ЭХГ и далее . Знание, Техника, 1984/4, стр. 47-49/ и реализуется на практике с помощью описанной выше форсунки по фиг. 7. В ней при электрическом разряде и взрыве струй поз. 49 взрывная камера 41 станет реактором, в котором перемешиваются пары топлива и продукты электротермического разложения воды: водорода и кислорода, являющиеся сами по себе отличным топливом. По теплотворной способности обычная вода находится, практически на уровне плотной древесины и равна: 285,800/4, 186818 = 3792,34 ккал/кг воды /см. Н.Л.Глинка. Общая химия. - Л.: Химия, 1980 г., стр. 167 и 211-212/.

При электрическом взрыве струй электролита поз.49 в форсунке каждая струя в этом случае представляет собой плазмогазовый реактор, в котором выделяется теплота за счет пропускания по струям электрических разрядов с температурой более 2500oC, обеспечивающая термическую диссоциацию образовавшихся паров воды, при разряде с разложением их на водород и кислород. Вместе с водой происходит и термическая диссоциация кислот, солей или оснований, которые могут служить в качестве сильных электролитов. В нашем примере термической диссоциации подвергаются молекулы азотной кислоты HNO3, в свою очередь разлагающиеся на водород, азот, кислород, являющиеся также химически активной средой, выделяющие теплоту при их дальнейшем соединении в процессе расширения газов в камере сгорания и понижения температуры.

В результате общая теплотворная способность "нового вида топлива" с учетом процентной концентрации раствора электролита становится больше "теплоты образования воды". Примем ее для дальнейшего упрощения изложения равной 3800 ккал/кг воды.

Эффективный КПД двигателя с учетом потерь на охлаждение стенок камер сгорания и с выхлопными газами, имеющими более низкую температуру, за счет периодического рабочего процесса и продолжительного расширения продуктов сгорания достигающих не более 350-450oC, что существенно меньше, чем у ТРД, может стать равным более 70-80% с учетом более высокой температуры детонационного процесса сгорания топлива, а взрыв водорода с кислородом, образующихся при термической диссоциации воды, также детонационный, причем с температурой более высокой, чем у углеводородного топлива. Охлаждение стенок камер сгорания позволит на современном уровне материаловедения поддерживать температуру их до 1330oC /что имеет место у современных ТРД или ТРДДФ/, а температуру продуктов сгорания до 2700-2800oC.

Тогда КПД рабочего процесса: ,
или около 76%.

С учетом гидравлических потерь в рабочих каналах и самодействующих пластинчатых клапанах 27 и соплах 4, равных не менее 15-25%, общий КПД реактивного вертолета с детонационным способом сгорания, находится на уровне:
= 0,760,75 = 0,57,
или 57%, что превосходит современные вертолеты /КПД 14-18%/ в три с лишним раза, а существующие турбореактивные двигатели с наилучшим КПД в 30% - почти в два раза.

Возвращаясь к вышеизложенному и принимая во внимание электротермическую диссоциацию воды с разложением на водород и кислород, мы можем определить эффективность применения нового вида топлива: углеводородного и водородокислородного, т.е. воды, или комплексного вида топлива, последний из которых в конечном итоге вытеснит из процесса сжигания углеводородное топливо.

Этого можно добиться только при создании нового класса двигателей с КПД, превышающим 55%. Иными словами, реальный КПД при преобразовании теплоты топлива в электрическую = 55%.

Тогда отдача полезной работы, выраженная в виде дополнительно полученной теплоты, станет равной:
3800 ккал/кг - энергия, затраченная на электротермическое разложение воды в струях 49 форсунки 8 и внесенная в камеру сгорания двигателя вместе с продуктами разложения воды: водородом и кислородом, нагретыми в струях до температуры выше 2500oC.

При понижении температуры в камере сгорания в процессе расширения продуктов реакции ниже 2500oC происходит химическая реакция соединения /обратная реакция/ водорода с кислородом с выделением в камере сгорания той же энергии, которая была затрачена на разложение воды, т.е. 3800 ккал/кг.

В результате общая энергия, выраженная в виде теплоты, равна:
E = 3800 + 3800 = 7600 ккал/кг.

КПД процесса 55%, тогда реально полученная энергия от смешанного рабочего процесса
E1 = 7600 0,55 = 4180 ккал/кг.

Для вышеприведенного КПД = 57% E2 = 4382 ккал/кг, или полезно полученная теплота равна:
Q = 4382 - 3800 = 532 ккал/кг.

При таком количестве теплоты КПД обычного двигателя составил бы
1 = 532/3800 = 0,14.

Иными словами, водные растворы электролитов могут использоваться в качестве топлива при электротермическом разложении воды в форсунке 8 по фиг. 7.

Чтобы получить ту же отдачу энергии, которая, например, достигается в турбореактивном двигателе с КПД = 30% /при этом 75% мощности двигателя затрачивается на привод турбокомпрессорного агрегата/, необходимо ввести в камеру сгорания 1 из форсунки 32 /см. фиг. 7/ 6% углеводородного топлива. Если же реальный КПД преобразования теплоты в электрическую энергию уменьшается, то соответственно увеличивается количество дополнительно вводимого в камеры сгорания углеводородного топлива. Но во всех случаях применение электротермического разложения воды способствует снижению расхода углеводородного топлива, что изложено выше.

Полезность применения способа электротермического разложения воды с помощью форсунки по фиг. 7, основанного на техническом решении по А.С. N 1284055 от 02.01.84 г., обуславливает ее применение и в существующих двигателях: турбореактивных или двигателях внутреннего сгорания, в связи с тем, что достигается:
- ввод в камеры сгорания топлива в парообразном состоянии, а не как в существующих в виде струй жидкого топлива, требующих на подготовку горения определенного времени с растягиванием процесса сгорания, что существенно снижает экономичность двигателя. Особенно это касается поршневых двигателей и работы форсажных камер в ТРД или ТРДДФ, в которых в этом случае исчезает дымный след, тем самым увеличивается эффективный КПД турбореактивного двигателя на форсажном режиме, являющемся основным при околозвуковой и сверхзвуковой скорости полета /см. О.К.Югов. Согласование характеристик самолета и двигателя. -М. : Машиностроение, 1980 г., стр. 47-50/. В этом случае в наибольшей степени используется изотермический процесс;
- электротермическое разложение водного раствора электролита в реакторе 41 форсунки способствует снижению расхода углеводородного топлива: керосина, бензина, солярки и пр.;
- все тепловые двигатели с помощью описанной форсунки могут работать на любом виде топлива, в частности на нефти, являющейся первоисточником всех современных жидких топлив.

Работа двигателей непосредственно на природной нефти обеспечивает снижение расхода самой нефти в 14-16 раз, если рассматривать цепочку, например, при движении автомобиля: нефть-бензин-автомобиль, что составляет лишь 4,2%, т. е. 93-96 кг ее растрачивается по сути дела впустую /см. вышеупомянутую брошюру К.Чирикова "Завтра - ДВС"/.

Применение форсунки на поршневых ДВС в основном необходимо на двигателях с внутренним смесеобразованием.

В ДВС с внешним смесеобразованием форсунка может использоваться как поджигающее устройство при электрическом взрыве струй электролита, поз.49, во взрывной камере 41 и выстрел в камеру сгорания только паров электролита, нагретых до температуры более 600-700oC, обеспечивающих поджигание "бедной" рабочей смеси. При этом обеспечивается интенсивный нагрев и поджигание рабочей смеси вместо сложного форкамерного процесса, примененного, например, на автомобилях фирмы "Хонда".

Обеспечивается добавка, и весомая, паров воды, способствующих снижению расхода горючего, октанового числа, более чистого выхлопа без создания водотопливных эмульсий, загрязняющих атмосферу и снижающую эффективность цепочки преобразования энергии: бензин-автомобиль /см. ту же брошюру К.Чирикова, Знание, Техника, 1983/2, стр. 40-46/. Во всех типах ДВС применение форсунки обеспечивает легкий пуск ДВС зимой.

Использование форсунки по фиг. 7 на прямоточных воздушно-реактивных двигателях
В этих типах двигателей, предназначенных для полета с большими скоростями, превышающими скорость звука, и на больших высотах при разреженной воздушной среде и низких температурах для устойчивого сгорания углеводородного топлива необходимо, чтобы скорость поджигания рабочей смеси: паров топлива и воздуха - превышала скорость течения потока воздуха через камеру сгорания двигателя. В этих целях необходимо применение зажигания смеси с помощью ударной волны из детонатора 8 /см. фиг. 1/, скорость распространения которого и высокая температура на фронте ударной волны обеспечивает устойчивое горение топлива, а возможность осуществления детонации рабочей смеси позволяет поднять все технико-экономические показатели двигателя при полете с большой скоростью и на большой высоте.

Описанный выше детонационный реактивный двигатель по фиг. 1-2 относится к бескомпрессорным двигателям, а более точно к не имеющим вращающегося турбокомпрессора, так как сжатие воздуха в нем осуществляется с помощью установки клапанных решеток, поз.61, с клапанами 9 в рабочих каналах 3.

Высокий КПД двигателя, простота конструкции и, как следствие, более низкая стоимость обеспечивают его применение на вертолетах большой грузоподъемности, самолетах с вертикальным взлетом и посадкой, транспортных самолетах короткого взлета и на судах на воздушной подушке /СВП/.

Размещение в конце рабочего канала 3 форсажной камеры сгорания 14 позволяет существенно увеличить тягу двигателя, причем форсажный режим на средних и больших скоростях полета в данном двигателе является основным, так как скорость движения сжатого воздуха в рабочих каналах не превышает 50-100 м/с, обеспечивая низкие потери кинетической энергии при отбрасывании большой массы воздуха из всех рабочих каналов. Метод отбрасывания воздуха, т.е. с большой массой, но с небольшой скоростью, сходен с методом отбрасывания воздуха несущим винтом вертолета, и в этом основное преимущество этого метода реактивного движения, не имеющего громоздкого механического преобразователя энергии, каким является винт на современных вертолетах, являющихся в то же время барьером для движения аппаратов с большой скоростью, с большой грузоподъемностью и достижением высокой маневренности и надежности аппарата в воздухе.

Форсажная камера сгорания 14 работает в среде чистого сжатого воздуха /в ТРД форсаж осуществляется в потоке продуктов сгорания, затрудняющих процесс быстрого горения топлива, из-за чего за самолетом движется шлейф черного дыма, содержащего частицы сажи разм. 0,01-1,0 мкм/ и обеспечивает не только повышение скорости летательного аппарата, но и достижение большой мощности вспомогательного двигателя по фиг. 12.

Турбина 51 с парциальным подводом смеси продуктов сгорания и воздуха из рабочих каналов обеспечивает работу электрогенератора 54 через коническую передачу 53, а спрямляющий аппарат 56 выравнивает выходящие из лопаток турбины газы, которые через сопло 57 выбрасываются в атмосферу с образованием дополнительного реактивного усилия.

Наличие в форсажной и основной 1 камерах сгорания газораспределительных механизмов, выполненных в виде шнека с переменным шагом лопастей, уменьшающимся в сторону рабочего канала, обеспечивает отражение ударной волны при детонационном взрыве топлива в камерах сгорания от наклонных поверхностей /лопастей/ шнека 6,15.

Детонаторы 8, 18 те же, что и форсунка по фиг. 7, без установки форсунки 32 для впрыска жидкого топлива работают только за счет впрыска от насоса периодического действия 59 через вентиль 60 струй 49 раствора сильных электролитов, которые при пропускании по ним электрических разрядов от генератора 46, 47 и разрядника 48 с заданной энергией и длительностью импульса нагреваются и испаряются, а продукты взрыва /пары электролита/ в виде ударной волны выстреливаются через сопло 42 в камеры сгорания и воспламеняют рабочую смесь за счет нагрева ее до высокой температуры при сжатии ударной волной и, за счет высокой температуры паров продуктов электрического взрыва раствора электролита в струях /см. [1], стр. 26/. Взрыв струй с температурой нагрева их выше 1800-2000oC создает условия для испарения струй и перегрева паров воды раствора с образованием мощной ударной волны. Напомним, что объем, занимаемый паром, в 1730 раз больше объема испарившейся жидкости /воды/ /см. справочник или В. В.Сушков. Техническая термодинамика. - М. - Л.: Госэнергоиздательство, 1969 г., стр. 350/.

Второй вариант реактивного двигателя
Отличается от первого способом сгорания топлива и устройством газораспределительных механизмов в камерах сгорания.

На фиг. 8-11 показано устройство камеры сгорания 1 с размещенным в ней газораспределительным механизмом, выполненным в виде поворотных заслонок 62, разделенных друг от друга перемычкой 11.

В камерах сгорания устанавливаются форсунки 7 и электросвечи 63. Поворот заслонок 62 на угол в 90o производится приводным механизмом, который может быть электромеханическим, гидравлическим, пневматическим и др. На фиг. 8 показан в качестве примера пневматический механизм для привода заслонок, которые при своем открытии занимают положение поз.64. На оси заслонки укреплена шестерня 65, связанная с рейкой 66, которая в свою очередь соединена с поршнем 67, движущимся в цилиндре 68, воздухораспределительный механизм или золотниковое устройство установлено, поз.69. Принцип работы поршневой машины двойного действия с попеременным пуском сжатого воздуха с одной и с другой стороны поршня 67, что обеспечивает периодический поворот одной рейкой 66 двух заслонок 62, с попеременным закрытием или открытием камеры сгорания и сообщения их с междустеночным пространством рабочих каналов, поз.12, являющимся в этом случае еще и ресивером, обеспечивающим накопление сжатого воздуха при работе рабочих каналов за счет клапанных решеток 61 с клапанами 9.

Для охлаждения поворотных заслонок они выполняются пустотелыми, поз.70, обеспечивающими сквозное движение охлаждающего воздуха или жидкости от компрессора /насоса/ 71 через полую ось заслонок. Принцип работы этого варианта двигателя тот же, что и первого - детонационного, только поджигание горючей смеси осуществляется электрической искрой от свечи 63 с организацией медленного /обычного/ сгорания топлива со скоростью до 30 м/с, вместо детонационного со скоростью свыше 2000 м/с.

В этом устройстве газораспределительного механизма состоит основное отличие от первого варианта реактивного двигателя.

Уплотнение заслонок по их торцовым поверхностям осуществляется с помощью пластинок 72, прижатых к верхней и нижней стенкам камер сгорания пружинами 73 /в виде полос/. В другом варианте вместо пластинок используется устройство лабиринтного уплотнения в виде прорезей 74 на торцах клапанов.

В этом варианте двигателя впрыск топлива в камеры сгорания с помощью форсунок 7 по фиг. 7 осуществляется в виде паров топлива, как и в первом варианте /форсунка одна и та же/, а сгорание - с обычной скоростью, в связи с чем скорость движения газового поршня, образуемого продуктами сгорания, значительно меньше, чем в первом детонационном способе, и соответственно меньше давление и скорость движения воздуха в рабочих каналах, что в некоторых областях техники оправдывает использование двигателя по второму варианту. Например, для летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой с небольшой скоростью полета и меньшим шумом, особенно при использовании реактивных вертолетов с этими двигателями с посадкой на крышах зданий или на небольших площадках в городе.

Иными словами, реактивные вертолеты и самолеты с детонационным способом сгорания топлива - это машины, предназначенные для вертикального взлета с резким ускорением и горизонтального полета с большой скоростью, вплоть до 2-3 скоростей звука и более. Машины второго варианта - в основном дозвуковые и могут применяться также для судов на воздушной подушке с достижением большой грузоподъемности и скорости движения, а также /оба варианта двигателей/ в качестве компрессоров с большим объемом нагнетаемого воздуха с низким средним давлением, достигающим 1,3-1,8 и до 10 и более атмосфер.

Отметим различия /не принципиальные/ при установке двигателей в несущей плоскости аппаратов, показанных на фиг. 12. Воздухозаборник второго ряда двигателей с камерами сгорания, направленными в противоположную сторону от направления движения, выполняется с соплами в виде лопаток поз.61, показанных в клапанной решетке на фиг. 14, с тем чтобы набегающий встречный поток воздуха получал направление движения в сторону тягового сопла 4.

Отметим также, что диффузоры 23 выполняются расширяющимися в сторону рабочего канала для снижения скорости поступающего воздуха и повышения давления в рабочих каналах.

Некоторой особенностью является также то, что при полете аппарат, поз. 30, наклоняется под заданным углом к горизонтальной плоскости, что обеспечивает использование скоростного напора встречного воздуха, как и в любых турбореактивных двигателях, и повышение давления воздуха в рабочих каналах. Вместе с тем изменяется направление истечения сжатого воздуха из сопел 26 с созданием дополнительной тяги в горизонтальной плоскости.

Для второго варианта двигателя на обычном способе сгорания топлива отпадает необходимость в устройстве газораспределительного механизма, поз.15 /который необходим только при детонационном способе осуществления рабочего процесса/ в форсажных камерах, так как форсажные камеры 14 размещены в рабочих каналах, которые одновременно являются и компрессорами, обеспечивающими сжатие воздуха в форсажных камерах, за счет работы основных камер сгорания 1. Точно в таких же условиях работают камеры сгорания в известных ТРД.

Особенности работы турбины, поз.51
Она работает только от рабочих каналов 3, в которых происходит обычное сгорание топлива /без детонации/, причем может работать как число воздушная турбина при отключенных форсажных камерах 14 с отдачей небольшой мощности. В тех случаях, когда требуется избыток мощности на борту летательного аппарата, включаются форсажные камеры 14, а на лопатки турбины поступает газовоздушный поток с температурой 700-800oC.

Газотурбинная установка относится к ГТУ с прерывистым горением, которые развивают большую полезную мощность, чем ГТУ непрерывного горения /см. И.И. Кириллов. Газовые турбины и газотурбинные установки, т. 2. - М.: Машгиз, 1956 г., стр. 66-71/.


Формула изобретения

1. Реактивный двигатель, содержащий камеры сгорания, механизм газораспределения и рабочие каналы, отличающийся тем, что камеры сгорания снабжены форсунками-детонаторами и топливными форсунками, выполненными в виде цилиндрических камер, сообщающиеся с одной стороны с камерами сгорания, а с другой - с патрубком, в котором размещен электрод и шнек, при этом патрубок с внутренней стороны и камера выполнены из электроизоляционного материала и камера снабжена кольцевым каналом, а газораспределительные устройства механизма газораспределения выполнены в виде шнеков с переменным шагом лопастей или пустотелых заслонок, снабженных механизмом привода.

2. Реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что кольцевой канал каждой форсунки с одной стороны снабжен соплами, сообщающимися с взрывной камерой, а с другой - с патрубком подачи электропроводной жидкости.

3. Реактивный двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в рабочих каналах установлены решетки с клапанами, с одной стороны сообщающиеся с ресивером, а с другой - с рабочими каналами, при этом сами каналы снабжены поворотными соплами и форсажными камерами, внутри которых установлены форсунки-детонаторы и топливные форсунки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям с резонансными камерами сгорания

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано в качестве механического колебательного контура для программного управления режимом работы спаренного пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД), исполнительным элементом которого является газодинамический маятник (ГДМ)

Изобретение относится к реактивным двигательным установкам, а также к устройствам управления положением летательного аппарата в воздухе

Изобретение относится к пульсирующим воздушно-реактивным двигателям с резонансной камерой сгорания

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к летательным аппаратам с пульсирующими воздушно-реактивными двигателями

Изобретение относится к машиностроению и позволяет повысить эффективность

Изобретение относится к ракетной технике, в частности к ракетным двигательным установкам

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано для создания тяги на летательных аппаратах

Изобретение относится к технике, а конкретно к двигателям летательных аппаратов

Изобретение относится к области реактивного двигателестроения и электроэнергетики и позволяет повысить эффективность энергосиловых установок, используемых на летательных аппаратах и мобильных комплексах

Изобретение относится к пульсирующим детонационным двигателям, в которых используется магнитогидродинамическое управление потоком

Изобретение относится к области авиастроения и может быть использовано при проектировании летательных аппаратов различного назначения, в двигателестроении самолетов

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно к двигателестроению, и может быть использовано для создания тяги на летательных аппаратах, других транспортных средствах, а также в энергетических установках

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано в аппаратах вертикального взлета, использующих пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (далее ПуВРД)

Изобретение относится к области реактивных двигателей, а более конкретно к реактивным двигателям, обеспечивающим в одном агрегате создание подъемной силы для вертикального подъема и тяги для горизонтального движения

Наверх