Многокамерный газовоздушный импульсно-детонационный турбинный двигатель
Изобретение относится к области двигателестроения. Предложен многокамерный газовоздушный импульсно-детонационный турбинный двигатель, применяющий силу непрерывной череды упорядоченных импульсов детонационного горения порционного объёма газовоздушной смеси в детонационных камерах 12 для вращения его турбины путём воздействия давлением продуктами сгорания на её рабочие лопатки 9, при этом включение электромагнитных клапанов подачи топливного газа в детонационные камеры 12 осуществляется электроконтактными датчиками низкого давления 22, срабатывающими на падение давления в детонационных камерах после детонационного горения смеси, а управление распределением зажигания, работой электромагнитных клапанов подачи топливного газа в детонационные камеры и порядком работы детонационных камер для обеспечения непрерывности череды упорядоченных импульсов детонационного горения порционного объёма газовоздушной смеси в детонационных камерах осуществляется электронным блоком управления. 5 ил.
1.1. Областью техники в которой применим Многокамерный Газо-воздушный Импульсно Детонационный Турбинный Двигатель, в дальнейшем МГИДТД, являются авиационные, автомобильные и водные транспортные средства, а также перекачивающая техника, насосы, компрессоры и для выработки электрической энергии генераторами.
1.2. По уровню техники МГИДТД соответствует турбинным двигателям средней мощности, которая зависит от диаметра турбины, объема, количества и порядка работы детонационных камер.
1.3. Сущность изобретения заключается в использовании силы импульсов детонационного горения порционного объема газо-воздушной смеси в детонационных камерах, воздействующих давлением продуктов сгорания на рабочие лопатки турбины для ее раскручивания до высоких оборотов с последующим отбором мощности через понижающий редуктор на трансмиссию транспортного средства. Для работы МГИДТД применимы различные сжиженные горючие газы находящиеся в топливной емкости под давлением, которые в смеси с воздухом обладают способностью взрывного горения.
Согласно изобретению предложен многокамерный газо-воздушный импульсно детонационный турбинный двигатель, применяющий силу непрерывной череды упорядоченных импульсов детонационного горения порционного объёма газо-воздушной смеси в детонационных камерах для вращения его турбины, путём воздействия давлением продуктов сгорания на её рабочие лопатки, при этом включение электромагнитных клапанов подачи топливного газа в детонационные камеры осуществляется электроконтактными датчиками низкого давления, срабатывающими на падение давления в детонационных камерах после детонационного горения смеси, а управление распределением зажигания, работой электромагнитных клапанов подачи топливного газа в детонационные камеры и порядком работы детонационных камер, для обеспечения непрерывности череды упорядоченных импульсов детонационного горения порционного объёма газо-воздушной смеси в детонационных камерах, осуществляется электронным блоком управления.
1.4. Конструкция МГИДТД показана на чертежах фиг. 1; 2; 3; 4: 5; и состоит из:
Фиг. 1; 1 лопасти вентилятора охлаждения и удаления продуктов сгорания, 2 лопасти нагнетания воздуха, 3 вал отбора мощности, 4 понижающий редуктор (показан схематично и без корпуса), 5 ребра жесткости и охлаждения, 6 корпус детонационной камеры, 7 свеча зажигания, 8 винты крепления детонационной камеры, 9 рабочие лопатки турбины, 10 диск турбины, 11 промежуточная опора с подшипниковым узлом, 12 детонационная камера, 13 диффузор, 14 упорный подшипниковый узел с пластинчатыми спицами и гайкой затяжки, 15 кольцо крепления нижних концов лопастей нагнетания, 16 воздухозаборник с лопастями охлаждения и нагнетания, 17 направляющий аппарат, 18 штуцер подачи газа, 19 фланец, 20 ведущее зубчатое колесо, 21 первый подшипниковый узел, 22 электроконтактный датчик низкого давления, 23 винты крепления диска турбины, 24 кольцевой распределитель подачи газа с форсунками и уплотнение зазора между камерой и валом, 25 клапан воздушный лепестковый, 26 кожух, 27 вал турбины полый, 28 отверстия крепления к корпусу транспортного средства, 29 ребра жесткости и охлаждения кожуха.
Фиг. 2. Клапан воздушный лепестковый. Вид сбоку, г де, 30 седло клапана, 31 воздухоприемник клапана, 32 лепесток клапана, 33 направляющий ограничитель колебаний лепестка.
Фиг. 3. Клапан воздушный лепестковый. Вид со стороны отверстия воздухоприемника.
Фиг. 4. Клапан воздушный лепестковый. Вид сверху, где, 34 впускное отверстие с перегородкой, 35 корпус с отверстиями для крепления.
Фиг. 5. Электроконтактный датчик низкого давления, где, 36 подвижный контакт, 37 не подвижный контакт, 38 колпачковая гайка, 39 корпус, 40 стяжной болт, 41 винт крепления не подвижного контакта, 42 дренажное отверстие, 43 диэлектрическая втулка направляющая, 44 диэлектрический поршень с пружиной.
Сборка МГИДТД осуществляется в следующем порядке; к фланцу 19 полого вала турбины 27 шпильками крепится воздухозаборник 16, который выполнен заодно с лопастями нагнетания 2, нижние концы которых скреплены кольцом 15, лопастями охлаждения 1 и направляющим аппаратом 17, который выпрямляет вихревой поток воздуха. Затем на посадочное место вала 27 плотно на шпонке насажено ведущее зубчатое колесо 20 понижающего редуктора 4 (на чертеже, фиг. 1 показан схематично и без корпуса). Затем на вал 27 устанавливается корпус 6 первой детонационной камеры 12 с наружными ребрами жесткости и охлаждения 5, к которым прикреплен понижающий редуктор 4, и которые имеют корпус первого подшипникого узла 21. Следующие корпуса 6 подшипников не имеют, кроме корпусов с промежуточной подшипниковой опорой 11, которых должно быть две и более. Корпус 6 в месте контакта с валом 27 имеет сальниковое или лабиринтное уплотнение 24 совмещенное с кольцевым распределителем подачи газа с тремя или более форсунками (на чертеже фиг. 1 не показаны). Корпуса 6 не подвижны по отношению к вращающемуся валу 27 и прикреплены винтами 8 к кожуху 26 С внешней стороны корпусов 6 между ребрами 5 в резьбовые отверстия вкручены свечи зажигания 7 от двух до трех штук на одну камеру 12 и один электроконтактный датчик низкого давления 22 срабатывающий на падение давления в камере 12. Свечи 7 и датчик 22 не выставляются за внешнюю кромку ребер 5. Затем в отверстия вала 27, которые расположены на нем в шахматном порядке, вставляются и закрепляются винтами клапаны воздушные лепестковые 25. Необходимо отметить, что диаметр отверстий лепестка 32 клапана воздушного больше диаметра направляющих ограничителей 33, это исключает зависание лепестка 32 при перекосах. Клапан воздушный лепестковый 25 постоянно открыт за счет центробежной силы от вращения вала 27 и напора нагнетаемого лопастями 2 воздуха и закрывается только в момент детонационного горения смеси в камере 12 из-за резкого повышения давления в ней, которое прижимает лепесток 32 к седлу 30 и перекрывает подачу воздуха. Затем на вал 27 плотно насаживается диск 10 турбины с рабочими лопатками 9 и дополнительно крепится несколькими винтами 23 к валу 27. Диск 10 полый и внутри усилен ребрами жесткости и охлаждения. Стоит отметить, что все ребра жесткости, как корпусов 6, так и дисков 10 имеют отверстия для вентиляции и облегчения общего веса двигателя. Затем на вал 27 аналогичным образом устанавливаются еще несколько корпусов 6 в паре с диском 10 и клапаном 25. Затем на вал 27 насаживается корпус 6, ребра которого являются промежуточной опорой с подшипниковым узлом 11. Затем на вал 27 устанавливаются еще несколько пар корпус 6-диск 10, после чего устанавливается корпус 6 со следующей промежуточной опорой и подшипниковым узлом 11. Затем устанавливаются еще несколько пар корпус 6 - диск 10. Затем в выточку в хвостовой части вала 27 насаживается упорный подшипниковый узел 14 с пластинчатыми спицами и затягивается гайкой. Пластинчатые спицы выполнены заодно с диффузором 13, который направляет поток продуктов сгорания. Перед сборкой все вращающиеся детали проходят балансировку, затем после установки их на вал 27 выполняется повторная балансировка. Затем на вал 27 со всем установленным на него оборудованием насаживается кожух 26 до совпадения всех крепежных отверстий с последующей затяжкой винтами 8. Кожух 26 снаружи имеет ребра жесткости и охлаждения 29 с отверстиями 28 для крепления МГИДТД к корпусу транспортного средства, штуцер подачи газа и разъем для кабеля управления (на чертеже не показан). В зоне свободного пространства между воздухозаборником 16 и первым корпусом 6 к его ребрам 5 прикреплены электромагнитные клапаны подачи газа с трубками одинаковой длины до каждого кольцевого распределителя подачи газа 24 в камерах 12 (на чертеже не показаны). Все газораспределительные трубки вместе с высоковольтными проводами от свечей зажигания 7 и проводами от электроконтактных датчиков 22 проложены в местах с наименьшим нагревом и снабжены термозащитой от перегрева Электронный блок управления распределением зажигания и работой электромагнитных клапанов подачи газа расположены вне двигателя в отдельном боксе вместе с аккумуляторной батареей, которая заряжается от генератора расположенного в механизме после вала отбора мощности 3.
Запуск МГИДТД и его дальнейшая работа происходит следующим образом; открывается запорный вентиль топливной емкости, включается электропитание, затем при нажатии кнопки «Пуск» открываются электромагнитные клапаны подачи газа. Газ по трубкам и кольцевому распределителю 24 с форсунками подается в одну или несколько детонационных камер 12. Количество подаваемого газа расчетное и должно составлять от трех до пяти процентов от количества воздуха в камере 12, так как такой состав смеси обладает способностью детонационного горения. Кроме того количество подаваемого газа зависит от объема камеры 12, давления газа в трубопроводах, диаметра отверстий форсунок и продолжительности подачи газа. Продолжительность подачи газа, то есть время открытого состояния электромагнитных клапанов устанавливает электронный блок управления. Как только в камерах 12 образуется газо-воздушная смесь в нужной пропорции, электронный блок управления включает зажигание и на свечах 7 появляется искра, которая воспламеняет смесь, происходит детонационное горение-взрывной импульс. Давление внутри камеры 12 резко увеличивается и отработанные газы через узкую кольцевую щель между корпусом 6 и диском 10 с рабочими лопатками 9 стремятся наружу, при этом оказывая давление на рабочие лопатки 9 заставляя их отклонятся увлекая за собой диск 10 с валом 27, который начинает вращаться вместе с воздухозаборником 16. Вращаясь он лопастями 2 начинает нагнетать воздух во внутреннюю полость вала 27 при этом воздушные клапаны 25 под действием центробежной силы от его вращения и давления воздуха открываются и воздух поступает в камеры 12 вытесняя остатки продуктов сгорания наружу. В это же время электроконтактный датчик 22 среагировав на падение давления в камере 12 после взрыва смеси, включает электромагнитный клапан подачи газа, который открывается с не большой задержкой по времени для завершения процесса вентиляции камеры 12 и начинает подавать новую порцию газа в необходимом количестве в нее. Время задержки момента открывания электромагнитного клапана подачи газа расчетное и устанавливается с помощью реле времени в электронном блоке управления. Как только в камере 12 образуется новая порция газо-воздушной смеси в нужной пропорции, образование которой зависит от расчетного времени открытого состояния электромагнитного клапана подачи газа, которое так же устанавливается с помощью реле времени, электронный блок управления дает команду на зажигание, между электродами свечей 7 проскакивает искра, смесь воспламеняется образуя новый детонационный импульс раскручивания турбины. Таким образом процесс запуска МГИДТД завершен и начинается работа в эксплуатационном режиме.
Порядок работы детонационных камер 12 устанавливается электронным блоком управления и может быть; одинарным, это когда камеры 12 работают по одной друг за другом, сдвоенным или строенным, это когда камеры 12 работают одновременно группами по две, три и более в этом случае крутящий момент увеличивается в два, три и более раз. Работа детонационных камер 12 обязательно должна идти с промежутком через одну или более камер 12 для того, чтобы в «отдыхающих» камерах 12 успел завершиться процесс продувки и образования новой порции газо-воздушной смеси.
Настройка порядка работы камер 12 должна обеспечить непрерывность детонационного импульса раскрутки турбины во времени, то есть не успело закончится воздействие от одного импульса, как тут же включается следующий и так далее.
Охлаждение корпусов 6, дисков 10 с рабочими лопатками 9 происходит нагнетаемым лопастями 2 через полый вал27 и воздушные клапаны 25 воздухом во время продувки камер 12 и так же потоком воздуха организованного кожухом 26 от лопастей 1 с выбросом нагретого воздуха и продуктов сгорания наружу. В процессе охлаждения так же участвуют ребра 5 и 29 и кожух 26, который кроме того выполняет функцию глушителя громкости звука работающего двигателя.
Наиболее эффективной работа МГИДТД будет в группе из двух и более двигателей с выходом на одну трансмиссию транспортного средства или другого оборудования.
При большом количестве детонационных камер 12 и группе из двух и более работающих двигателей появляется реактивная тяга, которую можно дополнительно использовать для движения транспортного средства, что актуально для авиационной и вертолетной техники.
МГИДТД простой по конструкции и в изготовлении. Использует дешевое топливо. Экономичный, так как расходует мало газа всего от трех до пяти процентов в смеси с воздухом. Эффективный, потому, что сила детонационного горения превосходит силу обычного горения, это обеспечивает большой крутящий момент. Легкий по весу, так как все основные детали пустотелые. Простой в обслуживании, для ремонта или замены деталей достаточно снять кожух 26 в сторону выхлопа и появляется свободный доступ к деталям, которые все съемные кроме фланца 19, который закреплен на валу 27 сваркой.
1.5. Осуществить изобретение можно по предварительному соглашению с заинтересованной организацией путем изготовления, испытания и доводки прототипа.
Многокамерный газовоздушный импульсно-детонационный турбинный двигатель, применяющий силу непрерывной череды упорядоченных импульсов детонационного горения порционного объёма газовоздушной смеси в детонационных камерах для вращения его турбины путём воздействия давлением продуктов сгорания на её рабочие лопатки, при этом включение электромагнитных клапанов подачи топливного газа в детонационные камеры осуществляется электроконтактными датчиками низкого давления, срабатывающими на падение давления в детонационных камерах после детонационного горения смеси, а управление распределением зажигания, работой электромагнитных клапанов подачи топливного газа в детонационные камеры и порядком работы детонационных камер для обеспечения непрерывности череды упорядоченных импульсов детонационного горения порционного объёма газовоздушной смеси в детонационных камерах осуществляется электронным блоком управления.
