Воздушная реактивная двигательная установка

Воздушная реактивная двигательная установка

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к судостроению, а именно к движителям быстроходных судов (на воздушной подушке, на подводных крыльях) и других плавсредств. Может быть применено для наземного и воздушного транспорта.

Известны воздушные реактивные двигательные установки (ВРДУ), состоящие из воздушных винтов с приводом, в том числе в направляющих насадках, размещаемых на судах с воздушной подушкой [1].

Недостатки ВРДУ - большие габариты, особенно у судов с большим водоизмещением, ограниченная мощность одного агрегата, высокие коэффициенты нагрузки винтов, относительно низкая эффективность. У винтов в насадке кроме этого - технологические трудности изготовления, эрозия внутренней поверхности насадка. Это исключает возможность создания больших экономичных судов на воздушной подушке.

Известны воздушные реактивные двигатели, применяемые в авиации, основными элементами газовоздушного тракта которых являются компрессор, камера сгорания, турбина и выходное сопло [2].

Недостатки (применительно к использованию на судах) - наличие сложной и дорогой турбокомпрессорной группы, большой расход топлива, большие эксплуатационные расходы.

Известно устройство для создания силы тяги, содержащее компрессор с приводом и ресивер с соплами, выполненными в торцевой стенке устройства в виде щелевых каналов [3]. Принято за прототип.

Недостатки - сравнительно низкая эффективность, отсутствие средств, позволяющих существенно уменьшить расход топлива и необходимые запасы топлива для судна.

Технический результат изобретения - повышение эффективности, в частности уменьшение удельных массо-габаритных характеристик двигательной установки, снижение необходимых запасов и расхода топлива, возможность размещения на судне дополнительно полезного груза, увеличение дальности плавания.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем сопла и технические средства для получения воздуха с заданными параметрами, дополнительно используются средства энерговозбуждения, при этом применены не менее чем два сужающихся сопла, герметично соединенных между собой, каждое сопло жестко или с возможностью осевого перемещения введено коаксиально в следующее по ходу движения воздуха сопло с образованием между соплами полости (полостей), причем не менее чем одна полость сообщена с устройствами подачи и отсоса воздуха и не менее чем в одной полости размещены впускные клапаны на ее стенке и средства энерговозбуждения газа (воздуха), в полостях размещены датчики давления, на входном и выходном соплах - датчики скорости потока с выдачей информации с датчиков на блок управления работой установки.

Схема предлагаемого изобретения изображена на фиг.2, а один из вариантов размещения воздушной реактивной двигательной установки на судне с воздушной подушкой - на фиг.1 и 3.

Установка (фиг.2) содержит размещенные на одной оси сужающееся сопло 1 с входным отверстием 2 и критическим сечением 3, сопло 4 с критическим сечением 5 и полость 6 между этими соплами. В полости 6 помещены средства энерговозбуждения газа (воздуха) 7, и впускные клапаны 9, например, на стенке 8 полости. Далее по ходу движения воздуха следуют сопло 10 с критическим сечением 11 и сопло 12 с критическим сечением 13 и выходным соплом 14. Между соплами 4 и 10 имеется полость 15, между соплами 10 и 12, полость 16. При этом сопла 1 и 4, а также 4 и 10, 10 и 12 соединены между собой герметично. К полостям 6, 15 и 16 подсоединены устройства 17 отсоса и подачи воздуха внутрь этих полостей. Датчики и блок управления на фигурах не показаны.

Устройство работает следующим образом. Рассмотрим случай, когда скорость воздуха на входе в установку отсутствует или недостаточна для разгона и устойчивой работы установки. Для включения двигателя производят энерговозбуждение (например, ионизацию) воздуха в полости 6 с использованием одного или нескольких средств ионизации 7, размещенных в полости. При этом впускные клапаны 9 закрыты. Такими средствами ионизации могут быть нанесенные на внутренние поверхности стенки полости электроды, соединенные с полюсами источника напряжения электротока, или магнитные полосы. Средствами ионизации могут быть также источник искусственного потока элементарных частиц с энергией в интервале от 10 эВ до 1,2·10⁴⁵ эВ или нанесенные на стенки полости покрытия, содержащие радиоактивные элементы. Ионизацию осуществляют, например, возбуждением в воздухе в полости электрического разряда переменным электрическим и/или магнитным полем или путем ввода в полость катализатора процесса ионизации (инертный газ (например, аргон), элементы четвертой группы периодической таблицы химических элементов (например, углерод)) и др. В результате ионизации молекулы воздуха (азота и кислорода) частично разрушаются с выделением большого количества тепла и кинетической энергии [4]. Поток расширенного в полости 6 газа вылетает к центральной оси устройства, увлекая (эжектируя) при этом воздух из внешней среды через входное отверстие 2. Затем клапаны 9 открываются и в полость 6 поступает (впрыскивается) газ (воздух) из внешней среды или от источника сжатого газа (воздуха). После этого клапаны закрываются. Частота выполнения таких операций (пульсаций) регулируется и может быть достаточно высокой, чтобы обеспечить квазинепрерывный характер работы. Величина реактивной тяги при этом должна обеспечить ход судна с заданной скоростью. Когда скорость потока газа, идущего из полости 6, с учетом эжектируемого из внешней среды воздуха (через сопло 1) между сечениями 5 и 11 будет достаточной для эжекции воздуха из полости 15, в последней возникнет некоторое разрежение. Оно будет способствовать повышению перепада давлений между сечениями 2 и 11 и тем самым увеличению скорости истечения и расхода воздуха через входное отверстие 2. Это в свою очередь приведет к усилению вакуумирования полости 15. Такие процессы будут происходить до тех пор, пока перестанет повышаться вакуум в полости. Здесь возможны два исхода. Первый, когда величиной вакуума в полости 15 не управляют, скорость потока будет наибольшей при технически возможной степени вакуума (за счет самовакуумирования [5]). Второй исход, когда, наоборот, величину вакуума назначают и поддерживают в полости 15 искусственно, скорость потока при этом будет управляемой. При установлении постоянной скорости потока частоту пульсаций постепенно уменьшают вплоть до полного выключения. Движитель начинает работать только за счет засасывания в сопло 15 воздуха из внешней среды вакуумом этой полости. После прекращения пульсаций возникает разрежение и в полости 6. При дальнейшем самовакуумировании полостей 6, 15 и 16 в выходном сопле 14 без управления скоростью потока на выходе установки возникает устойчивый сверхзвуковой поток воздуха.

Регулировка скорости (мощности) потока воздуха на выходе из движителя в реальном времени производится путем управления величиной вакуума в полостях 6, 15 и 16. Для этого предусмотрены устройства 17 для отсоса воздуха при необходимости увеличения скорости и подачи воздуха (принудительно или путем сообщения полости с внешней средой) для уменьшения скорости потока. Для управления работой установки используются показания датчиков давления, размещенных в полостях, датчиков скорости потока на входе и выходе из установки, а также показания устройств 17, поступающие в блок управления его работой.

Таким образом, установка может быть использована для обеспечения широкого диапазона скоростей потока на выходе из устройства для движения транспортных средств, начиная с нуля.

На фиг.1 и 3 показан один из возможных вариантов размещения воздушных реактивных двигательных установок на палубе судна с воздушной подушкой. Здесь 18 - корпус судна (СВП), 19 - воздушные реактивные двигательные установки, 20 - воздушный винт с приводом. Воздушный винт 20 обеспечивает движение судна на малых ходах, при швартовке и т.п. Крейсерский ход обеспечивают воздушные реактивные двигательные установки 19. Возможность варьирования формой сопел позволяет ВРДУ размещать не только на палубе, но и на стенах надстроек судов. Предлагаемый комплекс может быть использован в качестве вспомогательного для экранопланов, обеспечивая их движение на крейсерской скорости.

Рассматриваемый режим работы устройства не является единственным. Возможен вариант работы, при котором впрыскивание и ионизация газа воздуха) в полости 7 производятся непрерывно. В этом случае энергия, выделяемая при разложении атомов газа в полости 7 будет дополнять, усиливать энергетический эффект движения газа в сопле, полученный от вакуумирования полостей 15 и 16.

Затраты топлива на работу двигателя сравнительно небольшие. Топливо тратится на разгон воздуха внутри двигателя до заданной скорости, на ионизацию воздуха в полости 6 и компенсацию потерь на трение и др. Кроме этого, энергия расходуется на работу механизмов открытия-закрытия клапанов 9. Поддержание же задаваемой скорости воздуха на выходе двигателя осуществляется, главным образом, за счет вакуума в полостях ВРДУ. Отсос или подача воздуха в вакуумированные полости, имеющие небольшие объемы, потребуют сравнительно небольшие затраты топлива.

Таким образом, использование изобретения позволит существенно повысить эффективность воздушных реактивных двигательных установок высокоскоростных судов с динамическими принципами поддержания, других транспортных средств. В первую очередь уменьшить удельные массо-габаритные характеристики, расход и необходимые запасы топлива, удешевить эксплуатацию, упростить конструкцию комплекса, перевозить больше полезного груза.

Источники информации

1. М.А.Мавлюдов, А.А.Русецкий, Ю.М.Садовников, Э.А.Фишер. Движители быстроходных судов. - Л.: Судостроение, 1982. - 280 с.

2. В.П.Колодкин. Воздушно-реактивные двигатели сверхзвуковых многорежимных самолетов. М.: Машиностроение, 1975. 132 с.

3. Патент РФ № 2025572, кл. 7 F 02 К 11/00, В 60 V 1/14, публ. 23.12.1991.

4. Е.И.Андреев, О.А.Ключарев, А.П.Смирнов, Р.А.Давыденко. Естественная энергетика. - СПб: Нестор, 2000. - 122 с.

5. Патент WO 03/025379, Кл. 7 F 02 К 7/00, публ. 27.03.2003.

Воздушная реактивная двигательная установка, содержащая сопла и технические средства для получения воздуха с заданными параметрами, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена средствами энерговозбуждения, используются не менее чем два сужающихся сопла на одной оси, герметично соединенных между собой, каждое сопло жестко или с возможностью осевого перемещения введено коаксиально в следующее по ходу движения воздуха сопло с образованием между соплами полости (полостей), не менее чем одна полость сообщена с устройствами подачи и отсоса газа (воздуха), и не менее чем в одной полости размещены впускные клапаны на ее стенке и средства энерговозбуждения газа (воздуха), в полостях размещены датчики давления, на входном и выходном соплах - датчики скорости потока с выдачей информации с датчиков на блок управления работой установки.