Способ создания движущей силы для перемещения транспортного аппарата и реактивный двигатель для его осуществления
Группа изобретений относится к устройствам создания движущей силы для перемещения транспортных аппаратов. Первый вариант способа создания движущей силы для перемещения транспортного аппарата включает ввод потока воздуха и приведение в азимутальное и аксиальное движение, нагрев воздуха, срабатывание потока горячего воздуха в азимутальный момент ротора реактивного двигателя, аксиальный вывод потока, передачу импульса потока дополнительному потоку воздуха, формирование тянущего усилия. Поток воздуха, набегающий на переднюю поверхность плоскости лопасти винта, на периферии плоскости вращения винта, разворачивают и на задней поверхности создают касательный поток со скоростью большей скорости набегающего потока. Аксиальный поток воздуха приводят в азимутальное движение до его нагрева. Второй вариант способа создания движущей силы для перемещения транспортного аппарата характеризуется тем, что аксиальный поток горячего воздуха в приосевой области радиальной турбины выводят в плоскость вращения выходного винта, и радиальным потоком дополнительного воздуха к оси рекуперируют часть энергии потока воздуха выходным винтом. Реактивный двигатель включает формирователи потока воздуха, компрессор и радиальную турбину на общем валу и камеру сгорания. Перед камерой сгорания размещен венец с лопатками, которые ориентированы азимутально по вращению вала, и система клапанов. Камера сгорания сделана азимутально. Радиальная турбина выполнена из кольцевых профилированных дисков. Компрессор снабжен винтом, на периферии лопастей которого сформирована структура профилей с крыловыми элементами. Формирователи образуют структуру профилей с возможностью охвата потока воздуха. Группа изобретений направлена на повышение энергетической эффективностью преобразования энергии в движущую силу. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к транспортным аппаратам, а более точно к устройствам создания движущей силы для перемещения транспортных аппаратов, и может быть использовано в летательных и иных транспортных аппаратах, перемещаемых или формирующих момент вращения вала двигателя для перемещения в воздушной среде.
Известен способ создания движущей силы для перемещения транспортного аппарата в жидкой или газообразной среде, посредством решетки пластин, например, при создании систем спасения для космических аппаратов (См. Л.Г. Лойцянский. Механика жидкости и газов. Физматгиз. М., 1959 г.). Это способ создания в среде движущей силы транспортного аппарата включает относительное перемещение рабочей среды и профилированной рабочей плоскости, когда на передней поверхности рабочей плоскости создают набегающий поток среды, разворачивают его и на задней поверхности плоскости создают касательный поток со скоростью большей, чем скорость набегающего потока. Разрежение, создаваемое на задней поверхности, и импульс потока формируют подъемную силу. Подъемая сила, создаваемая решетчатым крылом, может быть больше подъемной силы обычного крыла, но для ее увеличения всю решетку необходимо размещать поперек потока, но лобовое сопротивление решетки является высоким, что ограничивает область применения такого крыла, или винта, когда оно приведено во вращение.
Известен способ преобразования энергии в движение в прямоточном реактивном двигателе, когда набегающий скоростной поток вводят в двигатель, сжимают на входе, за счет потери скорости в сопле воздухоприемника нагревают аксиально движущийся поток в продольной камере сгорания и, ускоряя в выходном сопле, создают движущую силу. (См. патент СССР №16490 от 08.10.1928.) К недостаткам относится необходимость приведения аппарата в движение и создания набегающего скоростного потока воздуха.
Известен способ преобразования энергии в момент вращения вала в двигателе внутреннего сгорания Николы Теслы. (См. патент США №1061206, от 17.01.1911.) В способе с помощью вихревых динамических клапанов воздух и топливо периодически вводят во внешнюю камеру сгорания, где воздух нагревают и затем скоростной поток на периферии вводят в кольцевую камеру с ротором из дисковых пластин, размещенных с зазором между ними, приводят поток в азимутальное и радиальное движение к оси и со скольжением фрикционно передают энергию движения ротору. К недостаткам устройства относится периодический ввод компонентов рабочей смеси в устройство и полезное использование только момента вращения вала.
Известен способ преобразования энергии в реактивном двигателе с компрессором и турбиной. (См. патент США №2162956 от 14.02.1934.) (При этом и компрессор и турбина могут быть и радиальными и многоступенчатыми осевыми.) В способе воздух вводят в компрессор, сжимают его и вводят в камеру сгорания, куда вводят и топливо, где нагревают, после чего посредством выходного сопла камеры сгорания ускоряют вдоль оси аппарата и на лопатках осевой или радиальной турбины срабатывают сформированный импульс потока струи в момент вращения вала и в тянущее усилие транспортного аппарата, на котором стоит двигатель. К недостаткам способа относится необходимость сжатия газа, сложность профилированных лопаток компрессора и турбины, работа сложных лопаток турбины в потоке горячих газов при создани момента и его недостаточная энергетическая эффективность.
Известен способ преобразования энергии в двухконтурном турбореактивном двигателе (См. патент СССР №117179 от 22.04.1941), принятом за прототип. В способе воздух вводят в компрессор, сжимают и вводят в камеру сгорания, куда вводят и топливо, где нагревают, после чего, посредством выходного сопла камеры сгорания, его ускоряют вдоль оси аппарата. И затем срабатывает на лопатках осевой или радиальной турбины сформированный импульс потока струи в момент вращения вала и в тянущее усилие транспортного аппарата, на котором стоит двигатель (Компрессор и турбина могут быть многоступенчатыми как радиальными, так и осевыми.). Для повышения энергетической эффективности двигателя посредством второго контура, дополнительную массу воздуха смешивают с потоком горячих газов основного контура и ускоряют соплом на выходе. К недостаткам способа относится необходимость сжатия газа, сложность профилированных лопаток компрессора и турбины, работа лопаток турбины в потоке горячих газов, необходимость применения двух и более контурных схем двигателя для повышения полезного использования потока отходящих газов при формировании тяги.
Известен прямоточный реактивный двигатель, содержащий воздухоприемник, кольцевую камеру сгорания и выходное сопло. (См. патент СССР №16490 от 08.10.1928.) К недостаткам относится необходимость предварительного приведения транспортного аппарата, на котором он закреплен в движение для создания набегающего скоростного потока воздуха и старта двигателя.
Известен двигатель внутреннего сгорания Н. Тесла. (См. патент США №1061206, от 17.01.1911.) Двигатель содержит вихревые динамические клапаны для воздуха и топлива, внешнюю камеру сгорания и осесимметричную камеру с ротором из дисковых пластин, размещенных с зазором между ними. К недостаткам устройства относится периодический режим работы и полезное использование только момента вращения вала.
Известен реактивный двигатель с компрессором и турбиной. (См. патент США №2162956 от 14.02.1934.) Он содержит компрессор, камеру сгорания с выходным соплом, осевую турбину. (Компрессор и турбина могут быть и радиальными и многоступенчатыми осевыми.) К недостаткам относится сложность лопаток компрессора и турбины, работа в потоке горячих газов лопаток турбины и малая энергетическая эффективносность.
Известен двухконтурный турбореактивный двигатель (см. патент СССР №117179 от 22.04.1941), принятый за прототип. Он содержит компрессор, камеру сгорания, осевую или радиальную турбину, а также дополнительный контур для воздуха, который после турбины и перед общим соплом соединен с основным контуром. (Компрессор и турбина могут быть радиальными или осевыми.) К недостаткам двигателя относится сложность лопаток компрессора и турбины, работа в потоке горячих газов лопаток турбины, необходимость многоконтурных схем двигателя для повышения его эффективности.
В основе изобретения лежит задача - разработать способ и устройство, обладающее высокой энергетической эффективностью преобразования энергии потока в движущую силу и компактностью транспортных аппаратов, в частности летательных аппаратов.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является упрощение и расширение области применения транспортных аппаратов.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что реализуется способ создания движущей силы для перемещения транспортного аппарата, включающий ввод потока воздуха и приведение в азимутальное и аксиальное движение, нагрев воздуха, срабатывание потока горячего воздуха в азимутальный момент ротора реактивного двигателя, аксиальный вывод потока, передачу импульса потока дополнительному потоку воздуха, формирование тянущего усилия, характеризующийся тем, что поток воздуха, набегающего на переднюю поверхность плоскости лопасти винта на периферии плоскости лопасти, разворачивают и на задней поверхности плоскости лопасти винта создают касательный поток со скоростью, большей скорости набегающего потока, поток на передней кромке задней поверхности направляют от корня к боковой кромке плоскости лопасти винта, пересекают его с потоком, закрученным вдоль боковой кромки задней поверхности плоскости лопасти, и их взаимодействием создают движущую силу, аксиальный поток воздуха приводят в азимутальное движение до его нагрева, срабатывание азимутального движения нагретого потока воздуха в момент производят фрикционно со скольжением относительно ротора, создают радиальный градиент давления относительно аксиального потока, его действием формируют аксиальное движение дополнительного потока воздуха до смешивания с входным и выходным аксиальным потоком.
Сущность способа заключается в том, что вращением винта создают скоростной напор потока среды, набегающей на него. Но, в отличие от обычного «толстого» винта, где скорость потока среды над и под плоскостью винта удваивают и формируют вокруг него круговой вихрь и тягу, в этом способе скорость потока над (за) плоскостью более чем удваивают. А поэтому растет разрежение над ней, идет подсос и ускорение массы вдоль поверхности задней плоскости винта и растет движущая сила, формируемая способом. Полученный аксиальный поток воздуха до нагрева приводят в азимутальное движение. При этом важно, что при вводе в кольцевую камеру сгорания, азимутальная составляющая потока не падает и идет рост давления в камере за счет центробежного сжатия поперек потока. Работает закон обращения течения. Азимутальное движение нагретого потока воздуха в момент срабатывает фрикционно со скольжением быстрой струи относительно ротора. Вне корпуса двигателя создают радиальный градиент давления относительно аксиального потока струи, формируют аксиальное движение дополнительного потока воздуха его действием до смешивания с входным и выходным аксиальным потоком.
Способ осуществляют в турбореактивном двигателе, включающем формирователи потока воздуха, компрессор и радиальную турбину на общем валу, камеру сгорания, характеризующемся тем, что перед камерой сгорания размещен венец с лопатками, которые ориентированы азимутально по вращению вала, камера сгорания сделана азимутальной, радиальная турбина выполнена из кольцевых профилированных дисков, компрессор содержит винт, на периферии лопастей которого сформирована структура профилей с крыловыми элементами, формирователи образуют структуру профилей с возможностью охвата потока воздуха, при этом задняя кромка их ориентирована по движению потока воздуха.
Известно, что разрежение, создаваемое на задней поверхности лопасти, квадратично зависит от скорости потока газа над ней и потому от скорости ее вращения. Известно и то, что в решетке профилей рост скорости потока за ней растет пропорционально тангенсу угла, на который решетка отклоняет набегающий исходный поток, и при углах, больших 50°, рост скорости превышает удвоение и быстро растет и далее. Так же резко растет и разрежение за лопастью винта, у которого на периферии размещена структура крыловых профилей. Но при этом структура профилей не является решеткой профилей, поскольку ее элементы не фиксированы с жесткой регулярностью на разных участках периферии винта или крыла. При работе, на периферии винта на кромках лопастей скорость потока может превышать скорость внешней кромки винта и формируется область разрежения, в которую идет подсос массы как с передней, так и с боковой части поверхности области, и область работает как массовое сопло, в котором импульс потока передается всасываемой массе.
Это позволяет в турбореактивном двигателе, реализуемом согласно способу, получить движущую силу при меньших размерах (диаметре) винта, вплоть до размеров, сравнимых и даже меньших, чем корпус двигателя. Винт, как низконапорный компрессор, может быть и один. Скорость аксиального потока, формируемого винтом, растет, и такой винт является уже не компрессором, а устройством создания скоростного аксиального потока воздуха. За выполненным подобным образом винтом и перед камерой сгорания размещен венец с лопатками профилей, выходной кромкой направленных по вращению вала азимутально, и система клапанов, а камера сгорания сделана кольцевой. В результате поток входящего в двигатель воздуха после лопаток венца в камере сгорания движется азимутально, причем скорость его азимутального движения выше скорости азимутального движения винта. Этим увеличивается путь, проходимый потоком газа в камере сгорания, и за счет поперечного центробежного ускорения и роста перепада давления между осью и периферией без потери азимутальной составляющей скорости, полученной при входе в кольцевую камеру сгорания, растет эффективность передачи тепла газу в камере сгорания. Радиальная турбина выполнена в виде пакета размещенных на валу двигателя кольцевых профилированных дисков с зазором между ними. При этом в конструкции отсутствуют линейные, размещенные радиально, сложные по форме и находящиеся в потоке горячих газов лопатки. В настоящее время их цена и определяет стоимость двигателя. Кольцевые же диски турбины испытывают сбалансированные распределенные нагрузки в процессе работы. Что упрощает и удешевляет конструкцию. В спиральном движении быстрого потока с фрикционным проскальзыванием относительно дисков, энергия движения потока передается им, при соответствующем выборе зазоров, более эффективно, чем в обычных радиальной или осевой турбинах. Профилирование дисков, насечки и зазора между ними осуществляют для оптимизации процесса течения газа в дисковой турбине. Нижние кромки дисков, направленные по движению потока, формируют в приосевой области массовое сопло, участвуют в формировании скоростного импульса струи от аксиального потока на выходе из реактивного двигателя и его тяги. Отношение тяги реактивного движителя к мощности растет обратно пропорционально скорости потока отбрасываемого движителем. Можно записать и в другом виде: отношение квадрата тяги двигателя к его мощности растет пропорционально секундному расходу массы газа отбрасываемого двигателем. Рост присоединенной массы потока воздуха, отбрасываемого двигателем, увеличивает его энергетическую эффективность. Поэтому все современные реактивные (турбореактивные) двигатели являются двух- и более многоконтурными. Но при этом их конструкция стала крайне сложной, что ведет и к росту их стоимости и к снижению масштабов их применения в технике.
Возможен также способ создания движущей силы для перемещения транспортного аппарата, включающий ввод потока воздуха и приведение в азимутальное и аксиальное движение, нагрев воздуха, срабатывание потока горячего воздуха в азимутальный момент ротора радиальной турбины, аксиальный вывод потока воздуха, передачу импульса потока воздуха к дополнительному потоку воздуха, формирование движущей силы, характеризующийся тем, что аксиальный поток горячего воздуха в приосевой области радиальной турбины выводят в плоскость вращения выходного винта, радиальным потоком дополнительного воздуха к оси, рекуперируют часть энергии потока воздуха выходным винтом.
Способ обусловлен тем, что в полном соответствии с уравнением Бернулли между внешней средой и потоком горячей скоростной продольной струи должен существовать перепад давлений, который реально при выпуске струи в неподвижную среду (случай затопленной струи) мал. Это обусловлено тем, что приток внешней массы с периферии в струю при встрече в центре струи самонейтрализует скоростное давление (разряжение) в струе и полезно не используется. Но этот перепад изначально существует, квадратично зависит от скорости струи и линейно от перепада температуры, и полезное использование его актуально. Конструкция содержит формирователи потока, которые охватывают поток и образуют структуру профилей, причем задняя кромка их профиля ориентирована по движению потока. Разрежение, создаваемое потоком струи, подсасывает воздух к оси струи. Формирователи потока ориентируют его вдоль оси струи, чем предотвращают самонейтрализацию скоростного давления струи. Исходный импульс струи передается подсасываемой массе, растет секундный расход струи и экономичность двигателя. В то же время импульс от разворота струи формирователями потока передается конструкции двигателя и через них участвует в формировании тяги. Структура кольцевых профилей в целом образует массовое сопло, а двигатель становится мультиконтурным. Кроме того, наличие винта, который размещен на общем валу за турбиной, элементы структуры профилей на кромке лопасти винта которого ориентированы веерообразно так, что задняя кромка каждого профиля изогнута как по движению потока, так и по направлению к оси ротора радиальной турбины, создает условия, когда дополнительный поток воздуха, который идет с периферии винта к его разреженному горячему ядру струи, двигаясь к оси, рекуперирует часть энергии двигателя. Винт работает как внешняя радиальная турбина.
На передней кромке входного винта элементы структуры профилей ориентированы вдоль набегающего потока под углом к нему, а их профили направлены к боковой кромке лопасти. Элементы структуры профилей боковой кромки лопасти винта ориентированы радиально, их профили изогнуты по движению потока, а вся структура профилей образует с лопастью единый вогнутый профиль винта. Этим поток направляют от корня к боковой кромке плоскости лопастей винта, пересекают с потоком, закрученным вдоль боковой кромки задней поверхности плоскости, и их взаимодействием создают тягу.
Возможен реактивный двигатель, характеризующийся тем, что что камера сгорания содержит кольцевую пористую разделительную стенку, а на выходе имеет сопловую решетку профилей, задняя кромка которых ориентирована азимутально по движению потока воздуха Пористая стенка выполнена из керамики или металлокерамики с катализатором, например платиной, разделяет область, в которую вводится топливо в газовой фазе, или где оно газифицируется от области, где оно сгорает.
Возможен реактивный двигатель, характеризующийся тем, что, профилированные диски радиальной турбины выполнены осесимметричными и изогнуты так, что нижние кромки ориентированы вдоль оси ротора, а на их поверхности нанесена радиальная насечка. Профилирование дисков ротора и зазора между ними осуществляют для оптимизации процесса течения газа в дисковой турбине. Нижние кромки дисков пакета направлены по движению потока, формируют в приосевой области турбины массовое сопло, участвуют в формировании скоростного импульса струи аксиального потока на выходе из реактивного двигателя и тяги. Насечка формирует повышенную азимутальную составляющую трения.
Возможен турбореактивный двигатель, характеризующийся тем, что в нем и на выходе из двигателя есть кольцевые формирователи потока, и задняя кромка их профиля направлена по движению потока. Формирователи потока охватывают поток и образуют структуру профилей, причем задняя кромка их профиля ориентирована по движению потока. Разрежение, создаваемое потоком струи, ориентирует подсасываемый поток вдоль оси струи и предотвращает самонейтрализацию скоростного разрежения потока струи. Импульс струи передается подсасываемой массе, растет секундный расход потока струи и экономичность двигателя. В то же время, импульс от разворота струи формирователями потока передается через них конструкции двигателя и участвует в формировании его тяги.
Подобный двигатель нельзя назвать и двухконтурным и многоконтурным двигателем, скорее это уже мультиконтурный двигатель, поскольку число кольцевых формирователей потока в структуре кольцевых профилей может быть большим.
Заметим, что подобное мультиконтурное сопло может быть интересно и для ракетных двигателей, особенно на начальном, стартовом участке траектории, поскольку, увеличивая отбрасываемую массу, позволяет увеличить секундный расход струи и экономичность старта ракеты.
Возможен турбореактивный двигатель, характеризующийся тем, что содержит дополнительный винт, который размещен на общем валу за турбиной, элементы структуры профилей на кромке лопасти винта ориентированы веерообразно так, что задняя кромка каждого профиля изогнута как по движению потока, так и по направлению к оси ротора радиальной турбины.
Протяженный толкающий винт и его работа в потоке горячего отбрасываемого газа двигателя совместно с охватывающими винт формирователями потока делает и весь участок с винтом мультиконтурным, и при этом также реализуется работа двигателя и винта в режиме массового сопла.
Существенными аспектами такого варианта является то, что при малых размерах, а поэтому и при больших оборотах (при той же окружной скорости кромки) винтов, в двигателе отсутствовует редуктор. Это ведет к упрощению и снижению стоимости.
Возможен вариант, когда элементы структуры профилей на задней кромке лопасти ориентированы поперек набегающего потока, а профили изогнуты и направлены вдоль оси двигателя. Это позволяет трансформировать азимутальную составляющую энергии потока в тяговое усилие винта. Возможен и вариант, когда элементы структуры профилей ориентированы веерообразно, что позволяет и рекуперировать и переводить поток в тягу.
Таким образом, данное конструктивное выполнение турбореактивного двигателя позволяет повысить энергетическую эффективность и упростить его.
Цели и преимущества данного изобретения будут понятны из следующего примера его осуществления и предлагаемых чертежей, на которых:
Фиг.1. Мультиконтурный турбореактивный двигатель с вентилятором и винтами с периферийной структурой профилей (схематически).
Фиг.2. Вариант выполнения лопастей винта с периферийной структурой профилей.
На фигуре 1. схематически изображен реактивный двигатель, который включает корпус 1, в котором размещены: камера сгорания 2, включающая элементы системы питания двигателя и системы его управления. Вал 3 двигателя размещен в корпусе 1 двигателя, например на консоли заедино с венцом 4 профилей. Задние кромки лопаток венца профилей 4 могут быть пружинными и играть роль системы клапанов. Вал 3 может иметь и другие точки подвеса в корпусе 1. На валу двигателя 3 размещены двухлопастные или многолопастные винты 5 (тянущий и толкающий). Формирователи потока 6 размещены на плоских радиальных направляющих, на корпусе двигателя 1, выполнены кольцевыми и образуют кольцевую структуру профилей. Камера сгорания 2 может содержать пористую разделительную стенку 10 и выходной венец с сопловой решеткой профилей 11. Кольцевые профилированные диски 12 турбины закреплены на радиальных держателях, выполненных, например, заедино с лопастями 7 винтов 5. Первый диск турбины, размещенный в области венца профилей, может быть выполнен в виде дискового клапана. Лопасти винта изображены на фигуре 2. Они содержат основную плоскость 7 и размещенную на периферии лопасти винта структуру профилей 8 с ее профилированными элементами 9. Плоскость 7 профилирована и имеет вид вогнутой поверхности.
Устройство работает следующим образом.
Опишем работу данного устройства на примере одного из вариантов, например, показанного на фиг.1. Вращением винта 5 на валу 3 двигателя создают скоростной напор потока среды, которая в результате вращения набегает на лопасти винта 7. Структура профилей 8 из профилированных элементов 9, находящихся на периферии плоскости 7 лопастей, разворачивает набегающий поток и направляет вдоль структуры профилей 8. Поскольку перпендикулярно набегающая на плоскость винта 7 среда после ее разворота профилированными элементами 9 движется полого к плоскости 7, то увеличивается скорость развернутого потока над плоскостью, причем при соответствующей геометрии профилей более чем вдвое. Существенно, что при этом идет взаимная мультипликация и усиление потоков, формируемых элементами 9 структуры профилей 8. А тем самым увеличивается разрежение над ним, идет подсос к ним и ускорение массы среды, причем как с передней, так и с боковой поверхности области омываемой вращающимся винтом 5. На боковой поверхности области омываемой вращающимся винтом, подсос и ускорение массы идет при участии кольцевых формирователей 6 потока. Растет движущая сила, формируемая способом. Существенны и более тонкие аспекты профилирования элементов структуры, размещенной на периферии лопасти винта.
Прежде всего, поток на передней кромке задней поверхности лопасти направляют от корня к боковой кромке плоскости 7, где пересекают с потоком, закрученным вдоль боковой кромки задней поверхности плоскости 7, вдоль которой элементы 9 структуры 8 ориентированы веерообразно. И в результате взаимодействия этих потоков создают силу, ориентированную вдоль плоскости 7. Сила пропорциональна векторному произведению радиальной составляющей набегающего потока на ротор формируемого закрученным потоком от веерообразно размещенных элементов решетки вихря.
Существенен и еще один аспект работы устройства. На задней поверхности плоскости лопасти 7 винта 5, скоростной поток от структуры профилей 8, отсасывая пристеночный поток на себя, предотвращает срыв пограничного слоя и тем самым позволяет обеспечивать его работу при больших углах атаки лопасти винта, а этим и увеличить его движущую силу.
Важно и то, что в предлагаемом винте 5 длина может быть сравнима и больше радиуса. Поэтому часть периметра винта, включающая переднюю и боковую часть винта, на которой идет подсос к нему массы с относительно небольшой входной скоростью потока, сравнима с донной, торцевой частью, на которой идет сток потока. Устройство в этом случае представляет собой массовое сопло, и возможны режимы, когда продольная скорость потока на выходе становится сравнимой, или даже большей, чем окружная скорость кромки лопасти винта.
Разрежение, создаваемое потоком струи от винта 5, подсасывает воздух к оси струи. Формирователи потока 5 ориентируют его вдоль оси до пересечения с ней, чем предотвращают самонейтрализацию скоростного давления потока. Исходный импульс струи передается всей подсасываемой массе, растет секундный расход струи и растет экономичность двигателя. В то же время импульс от разворота струи формирователями потока передается через них конструкции двигателя и участвует в формировании тяги. Структура их кольцевых профилей образует массовое сопло. Формирователи потока 6, выполненные кольцевыми, охватывая винт 5, прикрывая винт 5 снаружи, повышают безопасность аппарата. Когда подобный винт 5 совместно с формирователями потока 6 установлен на входе в реактивный двигатель, он является предкамерой, формирующей скоростной поток воздуха (дозвуковой и возможно сверхзвуковой на входе в двигатель, уже в стартовом режиме его работы) на входе в камеру его сгорания. Это возможно, поскольку продольная скорость формируемого таким винтом потока, может быть сравнима, или даже выше, скорости внешней кромки винта. За выполненным подобным образом винтом 5 перед камерой сгорания 2 размещен кольцевой венец 4 с профилированными лопатками, которые выходной кромкой направлены азимутально в направлении вращения вала, а камера сгорания 2 при этом также сделана кольцевой и азимутальной. С целью роста рабочего давления венец профилей может быть совмещен с системой клапанов, при этом процесс горения в камере сгорания становится импульсным, высокочастотным.
В результате поток входящего в двигатель воздуха после лопаток венца 4, в камере сгорания движется уже азимутально, причем угловая скорость азимутального движения потока может быть выше угловой скорости движения внешней кромки и винта 5 и турбины. Этим увеличивается путь потока в камере сгорания, эффективность передачи ему тепла, выделяющегося в камере сгорания. Кроме того, растет перепад давления между ее осью и периферией без потери азимутальной составляющей скорости, полученной при входе в кольцевую камеру сгорания 2. Камера сгорания 2 может содержать кольцевую, пористую разделительную стенку 10.
При этом пористая стенка 10 разделяет область, в которую вводится топливо от области его горения. Стенка 10 может быть выполнена из пористой керамики или металлокерамики и покрыта катализатором, например платиной.
Возможно, когда камера сгорания содержит на выходе венец сопловой решетки профилей 11, задняя кромка которых ориентирована по движению потока азимутально, в этом случае горячий поток газа, выходя из камеры сгорания 2, получает дополнительный азимутальный импульс, который срабатывается радиальной турбиной. Камера сгорания 2 может содержать и обычную жаровую трубу, но при этом она должна быть размещена так, чтобы не заслонять кольцевой азимутальный поток, текущий в ней.
Размещенная за камерой сгорания 2 радиальная турбина выполнена в виде пакета кольцевых профилированных дисков 12 с зазором между ними, размещенных соосно на валу двигателя. При этом в конструкции турбины отсутствуют линейные, размещенные на валу радиально, сложные по форме и находящиеся в потоке горячих газов, лопатки. В настоящее время их цена и определяет стоимость турбореактивного двигателя. Кольцевые же диски 12 испытывают в процессе работы сбалансированные распределенные нагрузки. При этом напряжения на периферии дисков меньше, чем напряжения в корне лопаток. Это позволяет увеличить рабочую температуру, а значит, и КПД двигателя, упрощает и удешевляет конструкцию. В процессе спирального движения потока с фрикционным проскальзыванием относительно пакета дисков, энергия движения потока передается при соответствующем выборе зазоров эффективнее, чем в радиальной или осевой турбинах. Основой понимания процессов в турбине и осмысления причин эффективности является то, что кольцевой вихрь, сформированный в кольцевой камере сгорания, вращается много быстрее реальных дисков 12 турбины. Скорость азимутального его движения является суммой, формируемой последовательно лопатками структуры винта, решеткой входного венца и азимутальным вращением ротора двигателя. Но энергия этого вихря, а значит, и удельная мощность двигателя квадратично зависят от скорости, которая, даже при дозвуковой скорости кромки винта, в гладкой кольцевой камере сгорания, суммарно после венца с азимутально-направленными лопатками, может стать заведомо сверхзвуковой.
При этом этот сформированный кольцевой «квазитвердый» вихрь не разрушится, поскольку не имеет жестких элементов. В то же время при движении к оси он все так же испытывает силу Кориолиса, которая через фрикционное взаимодействие вихря газа с дисками радиальной турбины, вращающимися медленнее газа, формирует передаваемый дискам и валу момент. Причем, чем выше скорость вращения кольцевого вихря (а она в гладкой кольцевой камере сгорания может быть заведомо сверхзвуковой) и чем медленнее вращается турбина, тем выше их фрикционное взаимодействие и тем более эффективно сформированный силой Кориолиса момент передается валу. Вторая же составляющая силы Кориолиса - скорость радиального движения вращающегося потока газа к оси, определяется лишь давлением и скоростью расширения газа в камере сгорания и, в конце концов, мощностью подведенной к ней энергии. Как и в обычном случае, диски могут содержать каналы с жидкостью для охлаждения и предотвращения их разрушения в предельных режимах работы двигателя. Это может быть и топливо. Профилирование дисков, насечки и зазора между ними осуществляют для оптимизации процесса течения газа в дисковой турбине. Зазор между дисками составляет несколько толщин пограничных слоев потока, что обеспечивает и радиальное течение, и передачу вращения газа турбине.
Нижние кромки дисков 12 пакета направлены по движению потока, чем создают у оси радиальной дисковой турбины массовое сопло, формируют скоростной импульс струи на выходе из реактивного двигателя и его тяговое усилие. Возможен вариант, когда диски 12 турбины выполнены плоской формы, а в приосевой области турбины в районе вала или на валу двигателя за турбиной выполнено обычное реактивное сопло. Диски турбины 12 могут быть закреплены в их приосевой области на радиальных держателях, которые могут быть выполнены заедино с лопастями толкающего винта 5, установленного сразу за турбиной, а также заедино с реактивным соплом. Дополнительный винт 5 размещен на общем валу 3 за турбиной с кольцевыми дисками 12. Элементы структуры профилей 8 на боковой кромке лопасти 7 ориентированы веерообразно, а элементы структуры профилей 8 на задней кромке лопастей винта 5 ориентированы вдоль движения и к оси ротора. Это позволяет рекуперировать часть азимутальной составляющей энергии потока винта и снизить энергозатраты устройства. Протяженный толкающий винт 5 с охватывающими винт формирователями потока 6 делает участок естественной частью мультиконтурного турбореактивного двигателя. В выходящую из двигателя в приосевую область винта струю горячего высокоскоростного потока газа идет подсос дополнительного воздуха снаружи винта. Двигаясь как в радиальной турбине в поле вращающегося протяженного винта к оси, поток вносит вклад в энергетическую эффективность двигателя. Элементы структуры задней кромки винта 5 могут быть выполнены в нескольких вариантах. Возможно, когда оси элементов структуры профилей 8 на задней кромке лопасти винта 7 в основном ориентированы вдоль оси вращения винта 5, а задние кромки элементов 9 ориентируют поток к оси, в этом случае в процессе работы винта 5 идет рекуперация азимутальной составляющей скорости потока при сохранении аксиальной составляющей. Возможно, когда оси элементов структуры профилей на задней кромке лопасти винта 3 в основном ориентированы радиально, а задние кромки элементов структуры профилей 8 ориентируют поток вдоль оси, в этом случае она ведет себя как сложный закрылок, в процессе работы идет прирост аксиальной составляющей скорости потока и идет рост тяги винта. Структура профилей 8, отсасывая пристеночный поток на себя, предотвращает срыв пограничного слоя и тем самым позволяет обеспечивать работу при больших углах атаки лопасти винта. Задний толкающий винт 5 может отсутствовать, но взаимодействие горячей, истекающей из двигателя струи с потоком, ориентированным после кольцевых формирователей потока 6, обеспечит работу такого мультиконтурного турбореактивного двигателя. Размеры входного винта 5 с периферийной структурой профилей могут быть увеличены, поток от него может обтекать двигатель снаружи, а основная тяга будет формироваться уже им.
1. Способ создания движущей силы для перемещения транспортного аппарата, включающий ввод потока воздуха и приведение в азимутальное и аксиальное движение, нагрев воздуха, срабатывание потока горячего воздуха в азимутальный момент ротора реактивного двигателя, аксиальный вывод потока, передачу импульса потока дополнительному потоку воздуха, формирование тянущего усилия, отличающийся тем, что поток воздуха, набегающего на переднюю поверхность плоскости лопасти винта, на периферии плоскости лопасти разворачивают и на задней поверхности плоскости лопасти винта создают касательный поток со скоростью, большей скорости набегающего потока, поток на передней кромке задней поверхности направляют от корня к боковой кромке плоскости лопасти винта, пересекают его с потоком, закрученным вдоль боковой кромки задней поверхности плоскости лопасти, и их взаимодействием создают движущую силу, аксиальный поток воздуха приводят в азимутальное движение до его нагрева, срабатывание азимутального движения нагретого потока воздуха в момент производят фрикционно со скольжением относительно ротора, создают радиальный градиент давления относительно аксиального потока и его действием формируют аксиальное движение дополнительного потока воздуха до смешивания с входным и выходным аксиальным потоком.
2. Способ создания движущей силы для перемещения транспортного аппарата, включающий ввод потока воздуха и приведение в азимутальное и аксиальное движение, нагрев воздуха, срабатывание потока горячего воздуха в азимутальный момент ротора радиальной турбины, аксиальный вывод потока воздуха, передачу импульса от потока воздуха к дополнительному потоку воздуха, формирование движущей силы, отличающийся тем, что аксиальный поток горячего воздуха в приосевой области радиальной турбины выводят в плоскость вращения выходного винта, радиальным потоком дополнительного воздуха к оси рекуперируют часть энергии потока воздуха выходным винтом.
3. Реактивный двигатель, включающий формирователи потока воздуха, компрессор и радиальную турбину на общем валу, камеру сгорания, отличающийся тем, что перед камерой сгорания размещен венец с лопатками, которые ориентированы азимутально по вращению вала, и система клапанов, камера сгорания сделана азимутальной, радиальная турбина выполнена из кольцевых профилированных дисков, компрессор содержит винт, на периферии лопастей которого сформирована структура профилей с крыловыми элементами, формирователи образуют структуру профилей с возможностью охвата потока воздуха, при этом задняя кромка упомянутых профилей ориентирована по движению потока воздуха.
4. Реактивный двигатель по п.3, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным винтом, который размещен на общем валу за турбиной, крыловые элементы структуры профилей на кромке лопасти винта ориентированы веерообразно так, что задняя кромка каждого профиля изогнута как по движению потока, так и по направлению к оси ротора радиальной турбины.
5. Реактивный двигатель по п.3, отличающийся тем, что на передней кромке лопасти винта элементы структуры профилей ориентированы вдоль набегающего потока воздуха под углом к нему, а их профили направлены к боковой кромке лопасти винта, элементы структуры профилей боковой кромки лопасти винта ориентированы радиально и их профили изогнуты по движению потока и упомянутая структура профилей образует с лопастью винта единый вогнутый профиль.
6. Реактивный двигатель по п.3, отличающийся тем, что камера сгорания содержит кольцевую пористую разделительную стенку, а на выходе имеет сопловую решетку профилей, задняя кромка которых ориентирована азимутально по движению потока воздуха.
7. Реактивный двигатель по п.3, отличающийся тем, что профилированные диски радиальной турбины выполнены осесимметричными и изогнуты так, что нижние кромки ориентированы вдоль оси ротора радиальной турбины, а на их поверхности нанесена радиальная насечка.
