Создан принципиально новый паровой двигатель для судов. Паровой реактивный двигатель
Паровой реактивный двигатель
О П И С А Н И Е (,)918479
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
Союз Советсннк
Соцналнстнческнк
Респ ублмк
К АВТРРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6!) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 14.04.80 (21) 2915404/25-06 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) М.К .
F 02 К 7/00
Гесударствеклмв квмлтет (53) .УДК 621.45 (088.8) Опубликовано 07.04.82. Бюллетень № 13
Дата опубликования описания 17.04.82 ла делам изобретений и втврмтий (72) Автор изобретейия
М, С. Исламов
И .
1 (71) Заявитель (54) ПАРОВОЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕ,ЛЬ
Формула изобретения
Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к паровым реактивным двигателям, и может быть использовано при проектировании воднотранспортных механизмов.
Известен паровой реактивный двигатель содержащий теплообменник- с подающим и выхлопным трубопроводами и источник тепла (1) .
Недостатком известного двигателя является низкий КПД.
Цель изобретения — повышение КПД.
Поставленная цель достигается тем, что двигатель снабжен насосом, установленным на подающем трубопроводе, и эллиптическим отражателем, и теплообменник расположен в одном фокусе последнего, а источник тепла — в другом.
На чертеже схематически показан двигатель продольный разрез.
Паровой реактивный двигатель содержит теплообменник 1 с подающим и выхлопным трубопроводами 2 и 3 и источник 4 тепла, причем двигатель снабжен насосом,5, установленным на подающем трубопроводе
2, и эллиптическим отражателем 6, и теплообменник 1 расположен в одном фокусе 7 последнего, а источник тепла 4 — в другом фокусе 8.
Двигатель работает следующим образом.
Установленный на подающем трубопроводе 2 насос 5 подает воду в теплообменник 1, расположенный в фокусе 7 эллиптического отражателя 6, воспринимающий благодаря такому расположению все тепло от источ10 ника 4 тепла и нагревающий воду, подаваемую насосом 5. Вода, превращаясь в пар, расширяется и, выходя через выхлопной трубопровод 3, создает реактивную силу.
20 Паровой реактивный двигатель, содержащий теплообменник с подающим и выхлопным трубопроводами и источник тепла, отличающийся тем, что, с целью повышения
КПД, двигатель снабжен насосом, установ9184 79
Составитель В. Бойцов
Редактор М. Цнткина Техред А. Бойкас Корректор Л. Бокшан
Заказ 2082/9 Тираж 548 Подннсное
ВНИИ ПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий. 113035, Москва, К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ленным на подающем трубопроводе, и эллиптическим отражателем, и теплообменник расположен в одном фокусе последнего, а источник тепла — в другом.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Паровой катер Описание игрушки № 2081/65. М., завод «Мосигрушка», 1965.
Реактивный паровой водомет: как построить его самому
«А где вы доставали медные трубочки и латунные пластиночки?» — в отчаянии кричал я, когда Дмитрий Мамонтов рассказывал мне об экспериментах своего детства. Я собирался повторить его опыт и построить особый паровой двигатель. Такой мотор может работать только на игрушечных корабликах, а рецепт его изготовления десятилетиями передается от отца к сыну…
В советское время у детей не было Барби, Playstation и радиоуправляемых вертолетов. Зато столько всего интересного можно было найти у ближайшего завода, на стройке или, пардон, на свалке. Селитра, карбид, металлическая стружка, наконец, те же медные трубки и латунные пластины. По древнесоветскому рецепту водометный двигатель строился так: с большой батарейки типа D снималась оболочка, извлекался центральный электрод и все содержимое. Судомоделиста интересовал цинковый стаканчик. Верхние две трети стаканчика спиливались ножовкой, края ровнялись ножницами, в получившейся «кастрюльке» сверлились два отверстия под медные трубки. Трубки припаивались обычным оловом. Из латунной пластинки вырезалась круглая крышка и тоже припаивалась к «кастрюльке». Затем крышка слегка продавливалась, чтобы получить подвижную мембрану. Подув в трубочки, можно было заставить мембрану щелкать. Котел лучше делать как можно меньше: чем меньше объем воды внутри двигателя, тем быстрее он будет заводиться.
Трубопроводы имеет смысл располагать на корабле так, чтобы значительная часть труб находилась ниже ватерлинии. Вода в данном случае играет роль охладителя. Чем быстрее пар охлаждается в трубах, тем надежнее работает двигатель. Конструируя корпус корабля, помните, что стальные трубки от «восьмерки» немало весят. Объем и водоизмещение лодки должны соответствовать солидной массе двигателя и свечи.
Перед включением двигатель следует полностью заполнить водой с помощью шприца. Конструкция имеет именно две трубки, а не одну, чтобы облегчить «заправку»: пока вода заливается в одно сопло, воздух выходит из другого. Корабль строится так, чтобы обе трубки были постоянно погружены в воду. Когда под котел ставится свечка, вода в нем нагревается и начинает кипеть. Образующиеся при этом пары выталкивают воду из котла. Проходя по трубкам, вода остывает, давление в котле падает, и двигатель всасывает воду обратно. Таким образом в трубах происходит постоянное возвратно-поступательное движение водяного столба.
Залив в двигатель немного чернил, мы смогли рассмотреть водометную струю во всей красе. На фото видно, насколько далеко и собранно бьет паровой двигатель. Неудивительно, что с такой тягой корабль стремительно устремляется вперед.
Простейший паровой водомет можно сделать и вовсе без котла. Достаточно согнуть трубу в несколько витков прямо над свечкой на манер кипятильника. Котел делается для спецэффектов: изгибающаяся мембрана издает громкий тарахтящий звук. Несмотря на то что водяной столб совершает движения в обе стороны с равной амплитудой, двигатель толкает лодку вперед. Это связано стем, что вся вода выталкивается из трубок в одном направлении, а засасывается со всех сторон.
Попытки подыскать замену редким в наши дни медным трубкам и латунным пластинам привели нас к следующему решению: отличной трубкой стала тормозная магистраль от автомобиля ВАЗ 2108. Она идеально подходит по диаметру, хорошо паяется и, главное, продается влюбом автомагазине.
Паровой водомет можно назвать двухтактным двигателем. На первом такте вода в котле нагревается и достигает температуры кипения. Образующийся пар выталкивает воду из котла и гонит ее по трубам. На втором такте горячая вода в трубах охлаждается, давление в системе падает, и вода вновь засасывается в котел. Выброс воды происходит в строго определенном направлении, а всасывание — со всех сторон. Поэтому на первом такте корабль толкается вперед, а на втором не отходит назад.
Мембрана — дело тонкое, во всех смыслах слова. При столь малом диаметре крышки ее материал должен быть очень мягким и податливым. После нескольких неудачных попыток мы сделали мембрану из алюминиевой чашки от самой дешевой греющей свечи. Она очень тонкая, мягкая, хорошо звучит. Единственный минус — алюминий не паяется. Вместо пайки мы применили 10-минутный двухкомпонентный эпоксидный клей. Опасения по поводу его прочности в жестких температурных условиях не оправдались. Если двигатель работает правильно, чашка раскаляется не слишком сильно — таков термодинамический цикл водомета.
Работа двигателя впечатляет. Его мощность достаточна, чтобы толкать корабль вперед, создавая позади видимые невооруженным глазом потоки воды. Честно признаться, нам не удалось добиться от машины действительно яркого звука, как в дедовские времена. Так что, похоже, с материалом мембраны еще стоит поэкспериментировать. Искренне желаем удачи в поиске латунных пластинок!
Статья «Реактивный паровой водомет» опубликована в журнале «Популярная механика» (№2, Февраль 2011).www.popmech.ru
Создан принципиально новый паровой двигатель для судов
30.01.2003, ЧТ, 15:01, Мск
Паровой двигатель революционной конструкции, названный авторами изобретения "подводным реактивным двигателем", обеспечивает большую эффективность, экологическую чистоту и безопасность, чем привычные корабельные силовые установки внутреннего сгорания. Автор изобретения - австралийский инженер Алан Бернс (Alan Burns). Прототип двигателя новой конструкции разработан инженерами британской компании Pursuit Dynamics (г. Ройстон, графство Хертфордшир). На прошлой неделе они продемонстрировали прототип мощностью 30 л.с. (при длине двигателя всего 20 сантиметров). Его мощности достаточно для того, чтобы привести в движение моторную лодку. Компания планирует масштабировать конструкцию и создать компактные двигатели мощностью до 300 л.с.
Изюминка изобретения - то, что попадающая в двигатель вода смешивается перед подачей с атмосферным воздухом. Воздушные пузырьки изменяют характер смешения пара с водой, значительно повышая эффективность двигателя. Детали изобретения держатся в секрете, поскольку патент на изобретение пока не выдан.
Пар для двигателя вырабатывается в небольшом котле, нагреваемом с помощью обычных горелок на бензине или солярке. Если реактивный паровой двигатель используется на судне в качестве вспомогательного, для нагрева котла можно использовать тепло, отводимое от обычных двигательных установок. Заливать в котел можно и морскую воду. Сам котел сделан из коррозионно стойких материалов, а отводимый из котла пар сам выводит образующиеся отложения, т.е. котел самоочищается. Движущихся деталей в конструкции нет, винта, естественно, тоже нет, и в результате конструкция получается исключительно недорогой и крепкой. Даже если водоросли или канат попадут в заборное отверстие - ему все нипочем.
Выбрасываемая из двигателя вода всего на 3-4 градуса теплее окружающей, так что ожогов можно не опасаться. Отсутствие обычных для современных корабельных двигателей утечек масла и опасных для морской фауны винтов делает конструкцию весьма экологически безопасной.
Возможные побочные применения новой конструкции - водяные (и вообще жидкостные) насосы, смесители пищевых продуктов (они не просто смешиваются - еще и размягчаются) и так далее.
Кстати, Pursuit Dynamics сама производить двигатели не собирается. К концу года она начнет продавать лицензии на производство двигателей сторонним производителям.
Источник: по материалам New Scientist.
www.cnews.ru
Cамолет с паровым двигателем | Журнал Популярная Механика
…Кстати, первую в истории официальную автогонку Париж — Руан 22 июля 1894 года выиграл автомобиль «Де Дион-Бутон» с паровым двигателем. В этом нет ничего удивительного, ведь на тот момент пар был самым распространенным источником энергии в мире. На пару работали станки и насосы, пар использовался на железной дороге и в промышленности, в быту и даже в сфере развлечений. И конечно, паровозы пытались заставить полететь. Иногда это даже удавалось.
Тим Скоренко
21 сентября 2009 21:41
На самом-то деле первый паролет успешно взлетел лишь в 1933 году, но количество попыток запустить в воздух паровую машину просто не поддается исчислению.
Изобретателем паролета является английский инженер Уильям Сэмюэл Хенсон (1812−1888). Блестящий механизатор и изобретатель, свой первый серьезный патент Хенсон получил в возрасте 23 лет — на машину для механизированного производства тесьмы. А в 1838 году он неожиданно увлекся авиацией, которой тогда, будем честны, просто не существовало. Естественно, никаких двигателей внутреннего сгорания и тем более реактивных не было, и единственным способом заставить тяжелую крылатую машину подняться в воздух была установка парового двигателя: от него приводились в движение массивные крылья самолета. Хенсон отдал много сил на создание как можно более легкого и компактного силового агрегата и в 1841 году его запатентовал. А полтора года спустя совместно со своим другом и компаньоном Джоном Стрингфеллоу он получил патент на настоящий самолет с паровым двигателем. Машина получила название «Воздушный паровой экипаж» (Aerial Steam Carriage), или сокращенно «Ариэль».
9 октября 1890 года паролет «Эол» конструкции Клемента Адера поднялся в воздух и преодолел около 50 м. Именно от этой даты отсчитывается история современной авиации.Конечно, их расчеты были неверны — в основном за полным отсутствием мирового опыта самолетостроения. Они делали первые робкие шаги — все данные получались разве что экспериментальным путем.
Воздушный паровой экипаж Хенсона и Стрингфеллоу Существовал ряд модификаций машины Хенсона. В изображенной модели мы видим нечто вроде киля; в полномасштабной машине место киля должна была занять пассажирская гондола.
В 1843 году Хенсон с рядом компаньонов организовал первую в мире авиакомпанию, которая так и называлась: Aerial Transit Company. Целью было собрать необходимую сумму для постройки самолета, но все уменьшенные модели машины, построенные в период с 1844 по 1847 год, оказались неудачными: не взлетела ни одна. Самолет даже в малом варианте был слишком тяжелым. В итоге Стрингфеллоу все-таки построил действующую модель, которая пролетела порядка 20 м (и приводилась в движение пропеллерами, а не взмахами крыльев), но к тому времени Хенсон уже окончательно разочаровался в бесперспективном проекте. Он женился, эмигрировал в США и расстался с авиацией. В мировой промышленности он известен в первую очередь как изобретатель безопасной бритвы.
Модель, изготовленная Стрингфеллоу, была способна к полету. Настоящий «Ариэль» так и не был завершен, поэтому о его полетных свойствах сказать ничего нельзя.
Неудача Можайского
В какой-то мере «культовый» самолет Александра Федоровича Можайского (1825−1890), столь любимый художниками и филателистами, тоже приводился в движение паром. Точнее, должен был приводиться.
Работать над проектом самолета капитан 1-го ранга Можайский начал уже немолодым человеком, в 1870-х, по увольнении из действующей армии. Впоследствии Можайский получил звание генерал-майора и даже контр-адмирала, но это было позже, а свой замечательный самолет Александр Федорович построил в 1882 году.
Самолет Можайского Александр Федорович Можайский, как позже и Клемент Адер, опирался в разработке аэродинамики своего самолета на летательные свойства воздушных змеев, которые конструировал и запускал в течение нескольких лет. Кроме того, Можайский предполагал, что тяжелый и медленный самолет должен иметь большую плоскость крыла. На рисунке изображена первая модификация самолета Можайского: винты расположены «внутри» крыльев. Для второй попытки запуска конструктор переместил винты назад, ближе к хвостовой части. Можайский работал методом проб и ошибок и, конечно, совершил целый ряд просчетов, которые сегодня видны невооруженным глазом: достаточно сделать самолетик из бумаги, для того чтобы понять, какая форма крыла была бы оптимальной.
В первую очередь конструкция Можайского была уникальна тем, что имела аж два паровых двигателя (по 20 и 10 л.с. соответственно). Характерно то, что почти все изобретатели XIX века в расчетах принимали очень низкую скорость полета (в случае Можайского — 40 км/ч), что вынуждало делать крылья оригинальных форм и с очень большой площадью поверхности. Огромные прямоугольные крылья, сложная система поддерживающих вант, три пропеллера — никто до Можайского не пытался сделать самолет таких размеров. Собственно, форму крыльев Можайский вывел из своих многочисленных опытов с воздушными змеями, которые проводил с 1873 года. В 1876 году он построил большой полупланер-полузмей, на котором поднялся в воздух (правда, планер за собой тянула лошадь, самостоятельно летать тот аппарат не мог).
Летом 1882 года самолет был готов. Паровые двигатели были выписаны из Англии. 20 июля Можайский продемонстрировал титаническую по тем временам конструкцию членам комиссии по военному делу — в основном для того, чтобы «выбить» дополнительные гранты на усовершенствование паролета. Но испытания прошли неудачно. Можайский — опять же из полного отсутствия мирового опыта самолетостроения — не снабдил свою машину устройствами против боковых кренов: никто и предположить не мог, что они нужны. Самолет, даже не успев приподняться в воздух, завалился на бок, и его огромное крыло «сложилось».
Тема паролетов широко распространена среди художников и 3D-моделистов, работающих в духе стимпанка, особенно «анимэшников». Например, приведенная работа носит название «Имперский паролет» и создана в 2008 году иллюстратором Nick Pl под влиянием романов Жюля Верна (на самом деле это не просто рисунок, а 3D-модель). Практически все фантастические паролеты из кино- и мультипликационных лент невероятно красивы, но совершенно невозможны технически. Впрочем, этого от них и не требуется.
Через полгода Можайский представил воздухоплавательному отделу Русского технического общества новую, усовершенствованную конструкцию самолета. Два года прошли в бюрократических отсылках Александра Федоровича из одного ведомства в другое, и лишь летом 1885 года были проведены повторные испытания при представителях армии и Русского технического общества. Испытания прошли точно так же, как и первые: самолет завалился на бок.
Вторая неудача серьезно «подкосила» изобретателя. Он продолжал заниматься доводкой конструкции, купил более мощные паровые двигатели, писал в министерства, но 21 марта 1890 года умер. После смерти Можайского самолет некоторое время стоял под открытым небом, после был разобран и хранился в сарае, а спустя несколько лет полностью сгорел при пожаре. Чертежей Можайского не сохранилось: все модели его самолета сделаны по рисункам и текстовым описаниям.
www.popmech.ru
Парогазовый реактивный двигатель
Использование: машиностроение. Сущность изобретения: двигатель состоит из кожуха 12 с размещенной внутри его в подшипниках вращающей части, состоящей из корпуса компрессора 10, жестко соединенного с камерой сгорания 2, с закрепленным на ее задней стенке ротором 3 радиально-осевой турбины. Реактивное сопло 5 с полостью 23 и водяным коллектором 4 жестко соединены с кожухом 12 и представляют парогенератор. Вращение радиально-осевой турбины происходит вследствие реакции высокоскоростных струй пара, вырывающихся из сопел Лаваля 16 и 21. 2 з. п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к реактивным двигателям и может быть использовано на морском и воздушном транспорте.
Известен комбинированный двигатель "Зульцер" [1] Недостатком данного двигателя является наличие двух турбин, газовой и паровой, снабженных лопатками, работающими в тяжелых высокотемпературных условиях, а также большая масса и габариты. Известен также турбореактивный двигатель с осевым компрессором "Алиссон" и "Вайпер" [2] выбранные автором в качестве прототипа, состоящие из компрессора, камеры сгорания, турбины, соплового аппарата и реактивного сопла. Причем компрессор и газовая турбина находятся на одном валу. Недостатком этих двигателей является: дороговизна изготовления лопаток и их монтаж на роторе. Из-за того, что газ обязательно должен омывать лопатки, КПД газовых турбин вдвое меньше того, что можно получить на современных топливах. В камере сгорания газовой турбины температура 2500oC, а лопатки выдерживают только 1000oC, приходится охлаждать их добавкой свежего воздуха, которого надо в 3 4 раза больше, чем необходимо для сгорания. Увеличивается мощность компрессора, подающего воздух в камеры сгорания, уменьшается полезная работа, утяжеляется конструкция, снижается КПД. Прогресс в области газотурбостроения упирается в "лопаточный барьер". Сущность изобретения заключается в том, что ротор осевого компрессора с закрепленными на нем направляющими лопатками и лопатками спрямляющего аппарата, обтекаемый водяной коллектор, размещенный внутри реактивного сопла, реактивное сопло, жестко соединены с кожухом двигателя в один узел, а корпус осевого компрессора с закрепленными в нем рабочими лопатками и камера сгорания, на задней торцовой стенке которой выполнена водяная рубашка, на которой вырабатывается в парогенераторе, независимо от положения двигателя в пространстве, состоящем из обтекаемого водяного коллектора с размещенным в нем пароводяным коллектором и внутренней полости реактивного сопла, разделенной на три объема: водяной, пароводяной и кольцевой сухопарник. Пароводяной коллектор сообщен с пароводяным объемом реактивного сопла, сообщается с помощью пустотелых обтекаемых стоек. Вода в водяном коллекторе и в водяном объеме реактивного сопла нагревается до высокой температуры, но не кипит, так как находится под высоким давлением. При этой температуре вода подается в пароводяной коллектор и пароводяной объем реактивного сопла, где давление меньше, превращаясь в пар, пройдя кольцевой сухопарник, совершает работу. Турбина содержит цилиндрический ротор, закрепленный на водяной рубашке, выполненной на задней торцевой стенке камеры сгорания, и сопла Лаваля. Сопла преобразуют насыщенный пар высокого давления, в высокоскоростные струи пара, и подаваемые наклонно на углубления, выполненные на внутренней поверхности кольца, закрепленного на внутренней поверхности ротора. Из струй пара на внутренней поверхности ротора формируется плоский поток с обеих сторон от кольца, сдвигающее усилие которого преобразуется в силу вращения ротора. Сопла, установленные на внешней поверхности ротора преобразуют поток в высокоскоростные струи пара, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора. Для существенного снижения температуры стенок, сохранения прочности и долговечности камеры сгорания, в водную рубашку на задней стенке камеры сгорания и в камеру сгорания по питательному трубопроводу подается вода в сторону вращения камеры сгорания, в нее также подается вода. При работе двигателя, в результате вращения всего узла, жестко связанного с камерой сгорания, вода под действием центробежной силы, равномерно распределяется по наружным стенкам камеры сгорания, образуя защитный слой, препятствующий повышению температуры стенок камеры сгорания и реактивного сопла до предельных значений. Температура, при сгорании топлива в камере сгорания, достигает 2500 oC. С зеркала воды происходит активный срыв частиц воды высоким, скоростным напором раскаленного газа. Под действием высокой температуры факела топлива частицы воды почти взрывообразно превращаются в пар. Таким образом, не смотря на некоторую потерю температуры в камере сгорания, частицы воды, преобразующейся в пар создают давление, в камере сгорания большее, чем при сгорании топлива в сухой камере, а это позволяет не увеличивая мощности компрессора резко поднять КПД двигателя. Парогазовая смесь, с большой скоростью проходя (огневой объем парогенератора), состоящий из невращающегося реактивного сопла, нагревает стенки сопла и обтекаемый водяной коллектор, сообщенные пустотелыми обтекаемыми стойками. Под действием высокой температуры, независимо от положения двигателя в пространстве, пар вырабатываемый в парогенераторе, проходя кольцевой сухопарник подается к соплам "Лаваля". Паровое пространство в пароводяном коллекторе и пароводяном объеме регулируется с помощью подачи нагретой воды через редукционный клапан. Постоянный объем воды в камере сгорания, пароводяном коллекторе, водяной рубашке и внутренней полости реактивного сопла поддерживается средствами питания двигателя водой. Таким образом, все поверхности камеры сгорания находятся постоянно под защитным слоем воды, без прямого воздействия на них раскаленных газов. Реактивное сопло и пароводяной коллектор также находятся в более легких условиях, чем при работе сухого двигателя. Находящаяся внутри реактивного сопла и водяного коллектора вода, также не дает нагреваться оболочке реактивного сопла и водяного коллектора до предельных температур. Кроме того, при работе двигателя в режиме высоконапорного парогенератора в комплексе с реактивным движителем, см. заявку "Реактивный движитель", поданную мной в НИИ ГПЭ 4.11.93 г. вода в камеру сгорания может подаваться и через распылители в пустотелых лопатках спрямляющего аппарата. При этом вода под воздействием высокой температуры будет превращаться в пар, повышая паропроизводительность. В результате описанных решений, получаем возможность резко снизить расход дорогостоящего топлива, заполняя часть баков водой, повысить моторесурс реактивных двигателей в результате работы конструкции в условиях более низких температур, повысить коэффициент полезного действия. На чертежах представлены: на фиг. 1 парогазовый реактивный двигатель, разрез по оси, на фиг. 2 невращающийся узел двигателя, на фиг. 3 - вращающийся узел двигателя, на фиг. 4 радиально-осевая турбина, вид с торца, на фиг. 5 радиально-осевая турбина, вид с боку, на фиг. 6 кольцевой отражатель, вид с торца, на фиг. 7 передняя часть камеры сгорания и корпуса компрессора, на фиг. 8 передняя часть камеры сгорания, вид изнутри, на фиг. 9 передняя часть пароводяного коллектора и реактивного сопла, на фиг. 10 - реактивное сопло и пароводяной коллектор, вид сбоку, на фиг. 11 реактивное сопло и пароводяной коллектор, разрез по А-А. Парогазовый реактивный двигатель состоит из осевого компрессора 1, камеры сгорания 2, радиально-осевой турбины 3, водяного коллектора 4, реактивного сопла 5, центрального отверстия 6. Осевой компрессор 1 состоит из невращающегося ротора 7 с закрепленными на нем направляющими лопатками 8 и лопатками спрямляющего аппарата 9. Корпус компрессора 10 жестко соединен с камерой сгорания 2 в один узел. На задней торцевой стенке камеры сгорания 2 закреплена водяная рубашка 11, на которой закреплена радиально-осевая турбина 3. Узел, состоящий из корпуса компрессора 10, камеры сгорания 2, турбины 3, водяных рубашек 11, размещен в кожухе 12 с возможностью вращения вокруг центральной оси в подшипниках 13. Ротор 7 с установленными на его задней части электросвечами 14 и форсунками 15, реактивное сопло 5 с размещенным водяным коллектором 4 жестко соединены с кожухом 12 в один невращающийся узел. Водяной коллектор 4 закреплен внутри реактивного сопла 5. На переднем торце (парогенератора) внутренней полости сопла 5 размещены сопла "Лаваля" 16, свободно входящие через кольцевую щель 17 в цилиндрический ротор 18, радиально-осевой турбины 3 и направлены в сторону вращения ротора 18, на углубления 19 в кольце 20, на внутренней стороне ротора 18. На внешней поверхности ротора 18 с обеих сторон от внутреннего кольца 20 установлены сопла 21, направленные в сторону, противоположную вращению ротора 18. В водяном коллекторе 4, закрепленном внутри сопла 5 с помощью обтекаемых, пустотелых стоек 22, сообщающих внутреннюю полость 23 с коллектором 4, введена труба 24 для подачи воды в водяной коллектор 4 и внутреннюю полость 23 сопла 5, и размещен цилиндрический пароводяной коллектор 25, сообщенный патрубками 26 с пароводяной полостью 27. В передней торцевой части сопла 5 имеется кольцевой сухопарник 28, сообщенный с коллектором 25 трубой 29. С наружной поверхности пароводяной полости 27 выполнена водяная полость 30, сообщенная с полостью 23, снабженной невозвратным редукционным клапаном 31, патрубками 32. Для создания защитного слоя воды на внутренних стенках камеры сгорания 2 введена труба 33 через невращающуюся часть компрессора, направленная на внутреннюю поверхность камеры сгорания, в сторону ее вращения. Внутри камеры сгорания 2 установлены кольцевые отражатели 34. В корпусе компрессора 10 закреплены рабочие лопатки 35. Часть направляющих лопаток спрямляющего аппарата 9 выполнены с водяными каналами 36 и отверстиями (распылителями) 37 в торцевой части, обращенной к камере сгорания и сообщаются с питательным трубопроводом 33. Вода в водяные рубашки 11 подается по трубам 38. По трубе 39 нагретая в передней водяной рубашке 11, отводится для питания парогенератора. Нагретая вода из задней водяной рубашки 11, отводится через кольцевые зазоры между ротором 18 и торцевой стенкой сухопарника 28 во внутреннюю часть ротора 18 и в реактивное сопло 5. При работе двигателя, воздух входит через центральное отверстие 6, сжимается компрессором 1 и пройдя лопатки 9 спрямляющего аппарата подается во вращающуюся камеру сгорания 2. Внутренние стенки камеры сгорания 2 защищены регулируемым слоем воды, подаваемой по трубе 33 на внутреннюю поверхность передней стенки камеры сгорания 2, в сторону ее вращения. Газы полученные при сгорании топлива, срывают частицы воды высоким скоростным напором, которые под действием высокой температуры факела топлива, превращаются в пар и смешиваются с газами. Парогазовая смесь, поступает в сопло 5 и вырываясь из него со сверхзвуковой скоростью создает реактивную тягу. Парогазовая смесь, проходя сопло 5, отдает часть тепла воде в водяном коллекторе 4 и в полости 23, обеспечивая производство пара парогенератором, для работы турбины3. Непрерывная работа парогенератора обеспечивается постоянной подачей воды по трубе 24. Пар поступает в сопла "Лаваля" 16, преобразуется в высокоскоростные струи пара, подаваемого наклонно на углубления 19 в кольце 20 и внутреннюю поверхность ротора 18, заставляя его вращаться. На внутренней поверхности ротора 18 с обеих сторон от кольца 20, формируется плоский водяной поток, сдвигающее усилие которого также преобразуется в силу вращения ротора 18. Высокоскоростные струи пара из сопел 21, направление движения которых противоположно направлению вращения ротора 18, создают дополнительный вращающий момент ротору 18, водяным рубашкам 11, камере сгорания 2, корпусу компрессора 10 с рабочими лопатками 35. Отработавший пар, пройдя между кожухом 12 и наружной стенкой полости 30 вырывается в атмосферу. При работе двигателя в режиме высоконапорного парогенератора, в комплексе с реактивным движителем, в камеру сгорания 2 дополнительно может подаваться вода, через распылители 37 и превращаясь в пар, будет увеличивать паропроизводительность. Для пуска двигателя, стартером раскручивается корпус компрессора 10, вместе с камерой сгорания 2, водяными рубашками 11, и ротором 18, выполненных как одно целое. Воздух входит через центральное отверстие 6, сжимается компрессором 1 и подается в камеру сгорания 2. Для предотвращения закрутки в камере сгорания 2, воздух подается в нее через лопатки 9, спрямляющего аппарата, одновременно средствами подачи воды, через трубопроводы 24, 33, 38 подается вода в камеру сгорания 2, водяной коллектор 4, полость водяных рубашек 11, полость 23, сопла 5. После того, как внутренние стенки камеры сгорания 2 и водяные рубашки 11, будут защищены слоем воды, а водяной коллектор 4 и полость 23, начнут заполняться водой, включают в работу топливные форсунки 15 и подают напряжение на свечи 14, для первоначального воспламенения топлива в камере сгорания 2. Благодаря непрерывной подаче топлива, поступающего в камеру сгорания 2, горение идет непрерывно. Температура факела жидкого топлива достигает 2000 2500oC. Из камеры сгорания 2 газы устремляются в реактивное сопла 5, давление газов в сопле падает, а скорость их истечения возрастает, они нагревают коллектор 4 и внутренние стенки реактивного сопла 5, отдают часть тепла воде в парогенераторе. В связи с тем, что в водяном коллекторе 4 и в полости 23 воды еще мало, она быстро нагревается. Насыщенный пар под высоким давлением из сухопарника 28 поступает в сопла Лаваля 16, преобразуется в высокоскоростные струи пара, содержащие частицы воды подаваемые наклонно на углубления 19 в кольце 20, и внутреннюю поверхность ротора 18. Из струй пара на внутренней поверхности ротора 18, формируется плоский водяной поток, сдвигающее усилие которого преобразуется в силу вращения ротора 18. Сопла 21 установлены на внешней поверхности ротора 18, с обеих сторон от кольца 20, установленного на внутренней поверхности ротора 18 и преобразуют плоский водяной поток в высокоскоростные струи пара, направление движения которых противоположно вращению ротора 18, камеры сгорания 2 и корпуса компрессора 10, и водяной рубашки 11, жестко соединенных между собой, увеличивают обороты всего узла. После того, как в камере сгорания 2 наступит устойчивое горение факела топлива, прекращается подача энергии на электросвечи 14 и стартер. В камеру сгорания 2, коллектор 4, внутреннюю полость 23, реактивного сопла 5, продолжается ускоренная подача воды. После заполнения объемов коллектора 4 и полостей 23 водой, подача ее регулируется приборами поддержания давления и уровня в необходимом рабочем режиме. При входе двигателя в рабочий режим с зеркала защитного слоя воды прижатой центробежной силой к внутренним стенкам камеры сгорания 2, происходит срыв частиц воды, высоким скоростным напором раскаленных газов. Под действием высокой температуры факела топлива частицы воды почти взрывообразно превращаются в пар. Таким образом, несмотря на некоторую потерю температуры в камере сгорания, частицы воды, преобразующиеся в пар создают давление в камере сгорания 2 большее, чем при сгорании топлива в сухой камере, а это позволяет, не увеличивая мощности компрессора резко поднять КПД двигателя. Парогазовая смесь, с большой скоростью проходя реактивное сопло, отдает часть тепла воде в парогенераторе, обеспечивая производство пара для работы радиально-осевой турбины и вырываясь из него со сверхзвуковой скоростью, создает реактивную тягу. В зависимости от слоя воды, на внутренних стрелках камеры сгорания 2, благодаря кольцевым отражателям 34, зеркало испарения будет различным, а следовательно и паропроизводительность будет разной. Таким образом, варьируя толщиной защитного слоя воды в камере сгорания 2 и количеством подаваемого через форсунки топлива, можно изменять режим работы двигателя и достичь резкого сокращения расхода топлива. При этом, основную тягу двигателя создают продукты сгорания жидкого топлива с кислородом воздуха. Для остановки двигателя необходимо прекратить подачу воды в двигатель. После чего прекратить подачу топлива к форсункам 15.Формула изобретения
1. Реактивный двигатель, содержащий осевой компрессор, камеру сгорания и реактивное сопло, размещенные в кожухе, отличающийся тем, что камера сгорания, снабженная водяными рубашками на передней и задней стенках, корпус осевого компрессора с рабочими лопатками, закрепленный на передней стенке камеры сгорания, цилиндрический ротор с установленными на наружной поверхности соплами Лаваля, направленными в сторону, противоположную вращению ротора, закрепленный на водяной рубашке задней стенки камеры сгорания, соединены в один узел, размещенный в кожухе двигателя с возможностью вращения и снабженный системой подачи воды в водяные рубашки и на внутреннюю поверхность камеры сгорания в сторону ее вращения, а ротор компрессора с закрепленными на нем направляющими лопатками и лопатками спрямляющего аппарата, обтекаемый водяной коллектор, с размещенным внутри пароводяным коллектором, закреплен внутри реактивного сопла с водяной полостью с помощью обтекаемых, пустотелых стоек, представляет невращающийся узел, размещенный в кожухе двигателя, снабженный системой подачи топлива и воды, с сухопарником в водяной полости реактивного сопла, соединенным с соплами Лаваля, выходные отверстия которых направлены на внутреннюю поверхность ротора в сторону его вращения. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на задней части ротора компрессора установлены электросвечи и топливные форсунки. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в камере сгорания установлены кольцевые отражатели.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11www.findpatent.ru
Трехконтурный парогазовый реактивный двигатель
Область применения: в авиационной технике, в частности относится к авиационным трехконтурным парогазовым реактивным двигателям. Сущность изобретения: трехконтурный парогазовый реактивный двигатель содержит генераторный контур с компрессором, подключенным к камере сгорания, паровой контур с паровой турбиной, соединенной посредством вала с компрессором и реактивное сопло, при этом, двигатель соединен с дополнительными двигателями и расположенными по всему фронту конденсатора, компрессором снабжены системой жидкостного охлаждения, каналы охлаждения выполнены в лопатках направляющих аппаратов, испаритель с пароперегревателем подключен на два контура, во втором контуре имеется промежуточный пароперегреватель, перепускные створки и дополнительный контур с соплом, в дополнительных двигателях расположены вентилятор и турбина среднего и низкого давления, а под ними расположена кольцевая камера сгорания с соплом. 6 ил.
Изобретение относится к авиационной технике, в частности к авиационному двигателестроению.
Известен трехконтурный газотурбинный двигатель по пат. США N 4050242, F 02 K 3/06, опубликованный в 1977 г. Основным недостатком прототипа является то, что все три контура расположены в общем корпусе, что не позволяет создать высокую степень двухконтурности двигателя, а в данном случае высокую степень трехконтурности двигателя. Газовая турбина ограничивает верхний предел температуры газа Т 1500К, что не позволяет снять максимально возможный теплоперепад, который в 3-4 раза выше, чем снимаемый на газовой турбине. Задача изобретения повышение удельной мощности, экономичности и надежности двигателя. Указанная задача достигается тем, что перед газовой турбиной установлен испаритель и максимальная температура порядка 2000oC после камеры сгорания попадает на испаритель, который имеет эффективное охлаждение со стороны воды и пара. Максимальная температура газа снижается до необходимой перед газовой турбиной, а теплоперепад передается на испарение воды и создание пара в испарителе. Таким образом в камере сгорания воздух почти полностью используется для горения топлива, а это значит что его нужно в 3-4 раза меньше, чем в обычной газовой турбине и соответственно во столько же раз легче нужен компрессор. Оставшийся в газе теплоперепад после испарителя с температурой порядка 1500К в первом контуре поступает на газовую турбину, а во втором контуре на пароперегреватель, где отдает свое тепло и расширяется в соплах. В результате этого мы получили огромный теплоперепад пара, который необходимо сработать на создание воздушного потока. В основном двигателе срабатывается теплоперепад газа и теплоперепад пара на паровой турбине высокого давления и за счет этого приводятся во вращение компрессора первого и второго контура. Для срабатывания теплоперепада на турбинах среднего и низкого давления пар необходимо делить на два потока, чтобы получить приемлемые габариты паровых турбин. С этой целью к корпусу основного двигателя жестко пристыковывается два дополнительных корпуса, в которых и расположены паровые турбины среднего и низкого давления. Это позволяет также вынести два вентилятора в дополнительные корпуса и создать необходимый поток третьего контура, что значительно увеличивает общую тягу двигателя при максимальной экономичности. На фиг. 1 показан продольный разрез трехконтурного парогазового реактивного двигателя. На фиг. 2 показан вид А в уменьшенном масштабе. На фиг. 3 показан вид Б в уменьшенном масштабе. На фиг. 4 показано сечение Г-Г. На фиг. 5 показано сечение В-В. На фиг. 6 показано сечение Д-Д. Трехконтурный парогазовый реактивный двигатель содержит конденсатор 1, который расположен перед входным устройством 3. Во входном устройстве 3 расположен конус 2. За входным устройством 3 расположен компрессор I каскада 5, перед которым установлен направляющий аппарат 4. Компрессор I каскада 5 имеет охлаждаемые направляющие аппараты 6. За компрессором I каскада 5 установлен компрессор II каскада 7, с охлаждаемыми направляющими аппаратами. За компрессором II каскада 7 расположен компрессор III каскада 9, с охлаждаемыми направляющими аппаратами. Над компрессорами II и III каскада расположена кольцевая камера сгорания первого контура 8, а над ней расположена кольцевая камера сгорания второго контура 10, которая имеет створки 12 с механизмом переключения створок 11. За камерами сгорания 8 и 10 расположен испаритель с пароперегревателем 13. За компрессором III каскада 9 установлен паровой цилиндр высокого давления 14, который соединен с компрессором III каскада. К цилиндру высокого давления 14 подсоединен канал пара 15 в промежуточный пароперегреватеаль 16. За промежуточным пароперегревателем 16 установлен канал отвода пара в цилиндры среднего и низкого давления 17. За каналом 16, который проходит через стойки, установлена газовая турбина II каскада 18 и, соединенная с компрессором II каскада 7. За камерой сгорания второго контура 10 расположено сопло промежуточного контура 19. За турбиной второго каскада 18 установлена газовая турбина первого каскада 20 и соединенная с компрессором первого каскада 5. За промежуточным пароперегревателем 16 и газовой турбиной первого каскада 20 установлено сопло первого и второго контура 21. Полость сбора конденсата (воды) 22 расположена в нижней части двигателя под компрессором первого каскада 5. К этой полости 22 подсоединен забор рабочего тела 23. Этот забор подсоединен к нагнетающему насосу низкого давления 24. От насоса низкого давления 24 питается коллектор 25 подвода воды для направляющих аппаратов компрессоров I, II и III каскадов. Через отводы 26 вода поступает в водяной насос высокого давления 27, а водяной насос высокого давления соединен с испарителем подводом 28. За газовой турбиной расположен выходной конус 29. Основной двигатель 30 соединен с дополнительными двигателями 31, а между ними закреплены: агрегат регенеративного подогрева воды 32, крепление водяного насоса высокого давления 35, крепление насоса низкого давления 33 и крепление турбостартера 34. В дополнительном двигателе 31 расположен конус входного устройства 36 и входное устройство 37 дополнительного двигателя, за которым расположен вентилятор 38 дополнительного двигателя. Отвод пара осуществляется через стойки 39 в конденсатор. За стойками расположена камера сгорания 40 дополнительного двигателя. Подвод пара из промежуточного пароперегревателя осуществляется по стойкам 41, за которыми расположено сопло 42 дополнительного двигателя и выходной конус 43. Между входным и выходным устройством расположена паровая турбина среднего и низкого давления 44. Выходной канал отработавшего пара 45 соединен со стойками 39. По каналам 46 вода распределяется по лопаткам 6, а по каналам 47 вода отводится от лопаток 6. По лопатке вода поступает по каналу 49 и отводится по каналу 48, омывая перегородку 50. Трехконтурный парогазовый реактивный двигатель работает следующим образом. Турбостартером 34 раскручивается компрессор первого каскада 5, а вместе с ним и турбина первого каскада 20. В камеры сгорания 8 и 10 подается топливо и происходит его сгорание. Газ при температуре 2000oC поступает в испаритель с пароперегревателем 13. Створки 12 находятся в закрытом положении механизмом переключения створок 11, поэтому весь газ проходит через испаритель 13. Далее газ первого контура проходит через газовую турбину второго каскадам 18, которая раскручивается и вращает компрессор 7 второго каскада. Затем газ проходит через газовую турбину 20 и раскручивается компрессор 5 первого каскада, а турбостартер 34 отключается. По мере набора оборотов газовыми турбинами 18 и 20, через конденсатор 1 прокачивается максимальное количество воздуха и происходит интенсивное охлаждение воды, которая собирается в полости сбора конденсата 22. На старте при запуске двигателя в жарком климате температура наружного воздуха достигает +40oC и более, поэтому конденсатор 1 не может сконденсировать весь пар, вырабатываемой испарителем 13. Для уменьшения выработки пара, часть газов второго контура перепускается мимо испарителя 13, с помощью раскрытия створок 12 механизмом переключения 11. Горячий газ из камеры сгорания 10 проходит по дополнительному контуру и попадает в сопло промежуточного контура 19. В сопле 19 газ промежуточного контура разгоняется и создает дополнительный разгонный импульс на старте и взлете самолета. Пар из испарителя и пароперегревателя 13 поступает в паровой цилиндр высокого давления 14 и срабатывает часть своего теплоперепада. Далее пар идет по каналу отвода пара 15 в промежуточный пароперегреватель 16. На старте и на взлете пар в промежуточном пароперегревателе 16 не подогревается, потому что часть газа перепускается мимо испарителя 13, а газ, который проходит через испаритель 13, охлаждается до минимальной температуры. После промежуточного пароперегревателя 16 по каналу отвода пара 17, он попадает в канал 41, расположенный в стойках и попадает в паровую турбину среднего и низкого давления 44. Затем по каналу 45 попадает в стойки 39, после чего пар попадает в конденсатор 1. Паровая турбина 44 раскручивает вентилятор 38, который прокачивает воздух через конденсатор 16, входное устройство 37 и камеру сгорания 40. В камере сгорания на старте и взлете создается максимальная температура газа, и он разгоняется в сопле 42. Из конденсатора 1 вода попадает в полость сбора воды 22 и через заборное устройство 23 закачивается насосом низкого давления 24. Этот насос подает воду по коллектору 25 в направляющие аппараты 6. Далее вода попадает в канал подвода воды 46 и движется по каналу 49 и 48 и попадает в канал отвода воды от направляющего аппарата 47. По мере прокачивания воды по направляющим аппаратам компрессоров I, II и III каскада, происходит охлаждение сжимаемого воздуха и значительно снижается работа на сжатие. Кроме того, происходит регенеративный подогрев питательной воды, что значительно повышает к.п.д. двигателя. Подогретая вода поступает в агрегат регенеративного подогрева воды 32 и насосом высокого давления 27 закачивается через подвод 28 в испаритель 13. На старте и при взлете в жарком климате конденсатор 1 работает при избыточном давлении 3,5-5 ата и основная тяга создается за счет максимальной температуры дополнительных двигателей 31 и тяги основного двигателя 30, которая состоит из первого, второго и дополнительного контура. При высокой температуре окружающего воздуха теплоперепад пара минимальный и не может вентилятор 38 раскрутиться до максимальных оборотов. Пк дополнительного двигателя не достигает максимального значения, поэтому на старте и взлете экономичность двигателя будет соответствовать экономичности современных ДТРД. При взлете при низких температурах окружающего воздуха и при наборе высоты 11 км температура также падает до -60oC, дополнительный контур переключается створками 12 и весь газ проходит через испаритель. Испаритель не может забрать весь теплоперепад и температура газа за испарителем растет, значит оставшаяся часть теплоперепада будет расходоваться на промежуточный перегрев пара в пароперегревателе 16. С увеличением производительности пара мощность всех паровых турбин растет и особенно сильно растет мощность турбин среднего и низкого давления из-за перегрева пара и срабатывания теплоперепада до очень низких давлений. При минимальной температуре окружающего воздуха паровые турбины выходят на самый экономичный режим и создают максимальные Пк компрессоров. Температура в камере сгорания 40 снижается за счет уменьшения подачи топлива, а тяга сохраняется за счет роста Пк. На этом режиме к.п.д. двигателя достигает максимального значения и превышает 60% а это в два раза выше, чем у существующих ДТРД. Огромная экономия топлива очень благоприятно скажется на экологии, так как уменьшится количество вредных выбросов. В настоящее время экономия топлива играет решающее значение в развитии техники, поэтому предлагаемый двигатель найдет широкое применение в авиации.Формула изобретения
Трехконтурный парогазовый реактивный двигатель, содержащий корпус с реактивным соплом и входным устройством, в котором размещены с образованием трех контуров компрессоры, камеры сгорания и турбины, при этом корпус выполнен с кольцевыми перегородками, образующими каналы рабочих контуров, а турбина соединена валом с компрессором, при этом камеры сгорания выполнены кольцевыми и расположенными одна над другой, а третий контур имеет перепускные створки, соединяющие его с вторым контуром, имеющим выходное сопло, замкнутый паровой контур, включающий парогенератор, паровую турбину, конденсатор и насос, размещенные внутри корпуса двигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной мощности и экономичности, к корпусу основного двигателя жестко присоединены два дополнительных двигателя, а перед входными устройствами трех двигателей расположен конденсатор, в дополнительных двигателях установлены вентиляторы третьего контура и паровые турбины среднего и низкого давления, которые соединены между собой посредством вала, над паровой турбиной установлена кольцевая камера сгорания и реактивное сопло, лопатки направляющих аппаратов всех компрессоров имеют каналы жидкостного охлаждения, которые соединены посредством труб с конденсатором и паровым котлом, испаритель установлен в первом и втором контуре перед газовой турбиной и подключен к кольцевым камерам сгорания этих контуров, за испарителем во втором контуре установлен промежуточный пароперегреватель, который соединен посредством каналов в стойках с турбиной высокого давления, расположенной в основном двигателе, и паровой турбиной среднего давления, расположенной в дополнительных двигателях третьего контура, перепускные створки установлены перед пароперегревателем, за которым расположен дополнительный контур с соплом.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6www.findpatent.ru
Гиперзвуковой криогенный воздушно-реактивный двигатель
Гиперзвуковой криогенный воздушно-реактивный двигатель выполнен с двумя рабочими прямоточными контурами - воздушногазовым и паротурбинным. Воздушно-газовый контур содержит компрессор, основную камеру сгорания, парогазовый теплообменник, дополнительную камеру сгорания и реактивное сопло. Паротурбинный контур содержит насос подачи жидкого криогенного топлива, топливные каналы теплообменника и паровую турбину, механически связанную с валом компрессора и подключенную входом к топливным каналам теплообменника, а выходом через регулятор-распределитель топлива - к коллекторам форсунок основной и дополнительной камер сгорания. На входе воздушно-газового контура дополнительно установлен турбодетандер, а между турбодетандером и компрессором низкого давления установлен топливовоздушный теплообменник. Газовая турбина расположена после дополнительной камеры сгорания и соединена общим валом с компрессором низкого давления и турбодетандером. За газовой турбиной установлен парогазовый теплообменник-регенератор. Топливные каналы топливовоздушного теплообменника подключены входом к насосу подачи жидкого криогенного топлива. Каналы парогазового теплообменника-регенератора подключены входом к выходу топливовоздушного теплообменника, а также через запорный кран - к насосу подачи жидкого криогенного топлива и выходом подключены к входу топливных каналов парогазового теплообменника. Такое выполнение двигателя приводит к увеличению удельного импульса тяги на всех режимах работы, в том числе дроссельных, в диапазоне скоростей полета до Маха 5-6 при использовании водородного топлива. 1 ил.
Изобретение относится к авиации и космонавтике, а более конкретно к конструкции воздушно-реактивного двигателя летательного аппарата больших скоростей полета, использующего криогенное топливо - жидкий метан или жидкий водород, и может быть использовано в качестве основной силовой установки гиперзвукового самолета или первой (разгонной) ступени авиационно-космической системы.
Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель, содержащий камеру сгорания, реактивное сопло и топливный насос, подключенный к коллектору форсунок камеры сгорания. В камеру сгорания из входного устройства летательного аппарата поступает воздух, сжатый за счет скоростного напора, и насосом подается жидкое топливо, в том числе может быть использовано криогенное топливо (Р. И. Курзинер. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. М. : Машиностроение, 1989, с. 6, рис. 1, с. 149). Такой двигатель эффективен в широком диапазоне сверх- и гиперзвуковых скоростей полета, но малоэффективен на дозвуковых скоростях и неработоспособен на старте при M= 0, вследствие чего силовая установка гиперзвукового летательного аппарата должна содержать дополнительно двигатель другого типа, обеспечивающий старт и разгон. Известен также пароводородный ракетно-турбинный двигатель, выбранный в качестве прототипа, имеющий два рабочих проточных контура - воздушно-газовый и водородный (паротурбинный), содержащий в воздушно-газовом контуре компрессор, основную камеру сгорания, парогазовый теплообменник, дополнительную камеру сгорания и реактивное сопло, а в водородном (паротурбинном) контуре - высоконапорный насос подачи жидкого водорода, водородные каналы теплообменника, паровую (пароводородную) турбину, механически связанную с валом компрессора, и коллектора форсунок основной и дополнительной камер сгорания, подключенные к выходу паровой турбины (Р. И. Курзинер. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. М. : Машиностроение, 1989, с. 209, рис. 6.18). Этот двигатель имеет хорошие тягово-экономические характеристики на максимальном режиме в широком диапазоне скоростей полета, начиная от старта при M = 0, до гиперзвуковых M = 5. . . 6. Он более эффективен на сверхзвуковых и указанных гиперзвуковых скоростях полета, чем прямоточный воздушно-реактивный двигатель, и по существу исходя из назначения и принципиального устройства представляет собой гиперзвуковой криогенный воздушно-реактивный двигатель. Однако максимально достижимые параметры рабочего процесса этого двигателя все же не обеспечивают получения удельного импульса тяги и других характеристик, требуемых от основной силовой установки гиперзвукового летательного аппарата. Причинами, препятствующими получению указанного ниже технического результата при использовании конструктивной схемы и рабочего процесса прототипа, являются: - существенное ограничение расчетной степени повышения давления воздуха в компрессоре из-за недостаточной мощности приводящей его пароводородной турбины, поскольку относительный расход ее рабочего тела составляет на максимальном (стехиометрическом) режиме только 2,9% от расхода воздуха, а также вследствие недопустимого из условий прочности нагрева лопаток рабочего колеса компрессора на гиперзвуковых скоростях полета; - невыгодное в отношении экономичности двигателя распределение расхода топлива между основной и дополнительной камерами сгорания во избежание недопустимого из условий жаростойкости нагрева входной части теплообменника; - резкое, в несколько раз, ухудшение экономичности двигателя на дроссельных режимах (при пониженной частоте вращения пароводородной турбины), требующихся в интересах выполнения полетного задания, в особенности при невысоких скоростях полета. Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. Основной задачей, на решение которой направленно изобретение, является разработка новой конструктивной схемы гиперзвукового воздушно-реактивного двигателя, обеспечивающего улучшение летно-технических характеристик гиперзвукового летательного аппарата при скорости полета до M = 5. . . 6. Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении удельного импульса тяги на всех режимах работы, в том числе дроссельных, во всем диапазоне скоростей полета до M = 5. . . 6 при использовании водородного топлива. Другой технический результат выражается в уменьшении лобового сопротивления гиперзвукового летательного аппарата и увеличении массовой отдачи топлива в случае использования метанового топлива. Указанный технический результат достигается тем, что в гиперзвуковом криогенном воздушно-реактивном двигателе с двумя рабочими проточными контурами - воздушно-газовым и паротурбинным, содержащем в воздушно-газовом контуре компрессор, основную камеру сгорания, парогазовый теплообменник, дополнительную камеру сгорания и реактивное сопло, а в паротурбинном контуре насос подачи жидкого криогенного топлива, топливные каналы теплообменника, паровую турбину, механически связанную с валом компрессора и подключенную входом к топливным каналам теплообменника, а выходом через регулятор-распределитель топлива - к коллекторам форсунок основной и дополнительной камер сгорания. Двигатель выполнен двухвальным и дополнительно снабжен турбодетандером, топливовоздушным теплообменником с запорным клапаном, компрессором низкого давления, газовой турбиной, парогазовым теплообменником-регенератором, причем турбодетандер установлен на входе воздушно-газового контура, топливовоздушный теплообменник установлен между турбодетандером и компрессором низкого давления, газовая турбина расположена после дополнительной камеры сгорания и соединена общим валом с компрессором низкого давления и турбодетандером, парогазовый теплообменник-регенератор установлен за газовой турбиной, при этом топливные каналы топливовоздушного теплообменника подключены входом к насосу подачи жидкого криогенного топлива, а каналы парогазового теплообменника-регенератора подключены входом к выходу топливовоздушного теплообменника, а также через запорный кран - к насосу подачи жидкого криогенного топлива, и выходом подключены к входу топливных каналов парогазового теплообменника, расположенного за основной камерой сгорания, при этом соединенные внешним соосным валом второй компрессор и паровая турбина в совокупности образуют собой ротор высокого давления, а турбодетандер, первый компрессор и газовая турбина, соединенные между собой внутренним соосным валом, в совокупности образуют между собой ротор низкого давления. Укажем на причинно-следственные связи между отличительными признаками и техническим результатом. Увеличение удельного импульса тяги заявленного двигателя на всех режимах работы обусловлено тем, что двигатель выполнен двухвальным, в котором конструктивные элементы прототипа представляют собой ротор высокого давления, а ротор низкого давления образован дополнительно введенными конструктивными элементами, а также за счет дополнительного включения в схему двух теплообменников, что в совокупности позволяет понизить температуру воздушного потока в компрессоре в условиях гиперзвукового полета, увеличить мощность привода компрессора и, соответственно, степень повышения давления воздуха в нем, увеличить степень подогрева рабочего тела в основной камере сгорания, а также использовать другое более дешевое, доступное и простое в эксплуатации криогенное топливо - жидкий метан, стехиометрический расход которого примерно вдвое больше, а плотность почти в шесть раз больше, чем водородного топлива. На чертеже представлена предлагаемая схема гиперзвукового криогенного воздушно-реактивного двигателя. Гиперзвуковой криогенный воздушно-реактивный двигатель, имеющий два рабочих проточных контура - воздушно-газовый и паротурбинный, содержит в воздушно-газовом контуре последовательно установленные турбодетандер 1, топливовоздушный теплообменник-испаритель, компрессоры низкого 3 и высокого 4 давления, основную камеру сгорания 5, парогазовый теплообменник-подогреватель 6, дополнительную камеру сгорания 7, газовую турбину 8, соединенную валом с компрессором 3 и турбодетандером 1, парогазовый теплообменнник-регенератор 9 и реактивное сопло 10. В паротурбинном контуре последовательно установлены насос 11, топливовоздушный теплообменник-испаритель 2, подключенный входом топливных каналов к насосу 11; парогазовые теплообменники 9 и 6, подключенные входом паровых каналов соответственно к выходу паровых каналов теплообменников 2 и 9; паровая турбина 12, соединенная общим валом с компрессором высокого давления 4 и подключенная входом к выходу паровых каналов теплообменника 6; регулятор-распределитель топлива 13, подключенный входом к выходу паровой турбины 12, а двумя выходами - соответственно к коллекторам форсунок основной 5 и дополнительной 7 камер сгорания. Насос 11 через запорный кран подключен к входу паровых (топливных) каналов теплообменника 9. Двигатель работает следующим образом. В условиях гиперзвукового полета на рабочих режимах двигателя насос 11 подает жидкое криогенное топливо под давлением 10. . . 50 МПа в топливные каналы топливовоздушного теплообменника-испарителя 2, где топливо испаряется, а образующийся пар предварительно подогревается за счет отбора теплоты от проходящего через теплообменник потока горячего воздуха, заторможенного в воздухозаборнике силовой установки летательного аппарата и прошедшего турбодетандер 1. Охлаждение воздуха в турбодетандере 1 соответствует совершаемой в нем работе расширения, а затем в теплообменнике 2 создает условия для меньшей затраты работы на привод компрессоров 3, 4 при требуемой степени повышения давления, меньшего нагрева их последних ступеней, а также для увеличения расхода топлива и степени подогрева газа в основной камере сгорания 5. При запуске и в полете до числа M
3 насос 11 подает жидкое криогенное топливо на вход топливных каналов теплообменника 9, где оно испаряется, так как при поступлении холодного воздуха теплообменник 2 неффективен. Дальнейший подогрев испаренного топлива в парогазовых теплообменниках 9 и 6 соответственно за газовой турбиной 8 и за камерой сгорания 5 доводит его температуру до требуемой на входе в паровую турбину (приблизительно 1800. . . 2000 К). При этом его нагрев в парогазовом теплообменнике-регенераторе 9 обеспечивает перенос части относительно низкопотенциального тепла от газа, давление которого понизилось в турбине 8, в камеры сгорания 5 и 7, где давление газа выше, что увеличивает к. п. д. рабочего цикла и способствует увеличению удельного импульса тяги (снижению удельного расхода топлива). Возможно также использование дополнительного источника подогрева испаренного топлива в случае его применения для охлаждения элементов планера 14, что по термодинамическому эффекту равносильно повышению теплотворности топлива и также способствует снижению его удельного расхода. В паровой турбине 12 срабатывается часть перепада давления испаренного топлива, создаваемого насосом при намного меньшей затрате работы на подачу жидкого криогенного топлива по сравнению с получаемой от турбины 12 работой, затрачиваемой на привод компрессора высокого давления 4. Благодаря этому повышается давление в воздушно-газовом тракте двигателя без затраты работы продуктов сгорания. Выходящее из паровой турбины испаренное топливо распределяется регулятором-распределителем 13 по коллекторам форсунок основной 5 и дополнительной 7 камер сгорания таким образом, чтобы поддерживать на выходе основной камеры сгорания 5 заданную температуру (приблизительно 2000 К), приемлемую из условий жаростойкости теплообменника 6, а в дополнительной камере сгорания 7, куда поступает газ после охлаждения в теплообменнике 6, сжигать остальное топливо, доводящее суммарный расход топлива до стехиометрического или же доводящее температуру перед газовой турбиной 8 до максимальной, приемлемой из условий прочности лопаток рабочего колеса (приблизительно 1900 К). При этом охлаждение газа в теплообменнике 6 создает условия для увеличения расхода топлива и степени подогрева газа в дополнительной камере сгорания 7, если это целесообразно. Степень понижения давления паровой турбины около десяти, поэтому необходимое избыточное давление в форсунках камер сгорания 5 и 7 обеспечивается высокой напорностью топливного насоса 11. Газовая турбина 8 на рабочих режимах участвует совместно с турбодетандером 1 в приводе компрессора 3, при запуске от стартера служит основным источником мощности, обеспечивающей раскрутку ротора низкого давления, а при дросселировании, когда резко падает эффективность паровой турбины 12, предотвращает резкое увеличение удельного расхода топлива. Газовая турбина 8 является тем элементом схемы двигателя, который обеспечивает возможность использования метанового топлива, компенсируя его меньшую эффективность в паровой турбине по сравнению с водородным топливом. С увеличением скорости гиперзвукового полета вклад газовой турбины 8 в создание тяги двигателя уменьшается. После турбины 8 и теплообменника 9 газовый поток поступает в реактивное сопло 10 и разгоняется в нем соответственно перепаду давления между его входом и внешней атмосферой.Формула изобретения
Гиперзвуковой криогенный воздушно-реактивный двигатель с двумя рабочими проточными контурами - воздушно-газовым и паротурбинным, содержащий в воздушно-газовом контуре компрессор, основную камеру сгорания, парогазовый теплообменник, дополнительную камеру сгорания и реактивное сопло, а в паротурбинном контуре - насос подачи жидкого криогенного топлива, топливные каналы теплообменника и паровую турбину, механически связанную с валом компрессора и подключенную входом к топливным каналам теплообменника, а выходом через регулятор-распределитель топлива - к коллекторам форсунок основной и дополнительной камер сгорания, отличающийся тем, что он выполнен двухвальным и дополнительно снабжен турбодетандером, топливовоздушным теплообменником с запорным клапаном, компрессором низкого давления, газовой турбиной, парогазовым теплообменником-регенератором, причем турбодетандер установлен на входе воздушно-газового контура, топливовоздушный теплообменник установлен между турбодетандером и компрессором низкого давления, газовая турбина расположена после дополнительной камеры сгорания и соединена общим валом с компрессором низкого давления и турбодетандером, парогазовый теплообменник-регенератор установлен за газовой турбиной, при этом топливные каналы топливовоздушного теплообменника подключены входом к насосу подачи жидкого криогенного топлива, а каналы парогазового теплообменника-регенератора подключены входом к выходу топливовоздушного теплообменника, а также через запорный кран - к насосу подачи жидкого криогенного топлива и выходом подключены к входу топливных каналов парогазового теплообменника, расположенного за основной камерой сгорания, при этом соединенные внешним соосным валом второй компрессор и паровая турбина в совокупности образуют собой ротор высокого давления, а турбодетандер, первый компрессор и газовая турбина, соединенные между собой внутренним соосным валом, в совокупности образуют собой ротор низкого давления.РИСУНКИ
Рисунок 1www.findpatent.ru
