ГИДРОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК B63H11/06 

Изобретение относится к гидрореактивным двигателям (ГИРД), а именно к гидрореактивным пульсирующим двигателям с реактивной газоводяной трубой, использующим окружающую воду в качестве окислителя и жидкометаллическое горючее.

Такие двигатели включают в общем случае водозаборник-диффузор, соединенный через клапанное устройство с трубой, а также форсунки для впрыска горючего.

Известны такие клапанные устройства, перекрывающие трубу пульсирующего ГИРД:
решетка с язычковыми клапанами (например, клапанами Френкеля);
жалюзи;
кольцевые подпружиненные клапаны;
клапаны типа вращающегося турбинного колеса с лопатками, поворачивающимися относительно осей, расположенных по радиусам колеса [1]
В качестве горючего используются щелочные и щелочно-земельные металлы, их сплавы, борогидриты, гидриты металлов и т.п. которые вступают в экзотермические реакции с водой с образованием в большом количестве газов.

Наиболее близок по существенным признакам опытный пульсирующий ГИРД фирмы Aerojet Jeneral [2] с применением в качестве горючего жидких щелочных металлов.

Известный ГИРД включает в себя корпус, выполненный в виде трубы, во входной части которой расположены клапанное устройство и форсунка для впрыска гидрометаллического горючего и электрогидравлическую систему управления.

Одним из недостатков прототипа является относительно невысокая тяга из-за значительного времени заполнения водой трубы, которое составляет 75% рабочего времени, обеспечивая 15 циклов/с.

Кроме того, применяемое клапанное устройство имеет большую инерционность и низкую надежность, особенно при высоких давлениях, связанных с глубоким погружением (язычковый клапан работает в условиях больших ударных перепадов давления и в коррозионной среде).

Сущность изобретения заключается в том, что клапанное устройство содержит седло, размещенное в центре входного отверстия корпуса, и клапан в виде соосного с корпусом цилиндра с поршневым поясом, выполненный с возможностью осевого перемещения в корпусе и взаимодействия с упомянутым седлом, при этом подпоршневые полости клапана сообщены с упомянутой системой управления, а в полости корпуса установлен связанный с данной системой управления датчик давления.

Кроме того в корпусе установлен по меньшей мере один дополнительный клапан, аналогичный вышеупомянутому, а в стенках корпуса в районе дополнительного клапана выполнены окна, при этом дополнительный клапан выполнен с возможностью перекрытия этих окон, а подпоршневые полости связаны с упомянутой системой управления.

Кроме того форсунка для подачи горючего установлена в седле входного клапанного устройства.

На чертеже изображен предлагаемый гидрореактивный двигатель.

Двигатель выполнен в виде трубы 1 с диффузором, в котором установлено с помощью ребер центральное седло 2 с профилированным съемным наконечником, имеющим эластичное уплотнение для цилиндрического тонкостенного клапана 3 с поршневым буртиком. Клапан встраивается непосредственно в трубу 1 и может перемещаться вдоль оси трубы при подаче управляющего давления в подпоршневые полости клапана через отверстия 4 и 5. Вдоль трубы расположены (в зависимости от длины трубы) один или несколько таких же клапанов 6, перекрывающих отверстия окна 7 в трубе 1. Для впрыска жидкометаллического горючего в трубу установлены в седле 2 форсунки 8.

(В качестве горючего может быть использован эвтектический сплав Na и К (23% Na + 77% К), который имеет температуру плавления 12^оС, обладает высокой текучестью и оказывает меньшее коррозионное действие, чем другие сплавы). Кроме того, в трубе 1 установлен датчик 9 давления для фиксации разрежения в трубе 1 при работе ГИРД.

Данный датчик является элементом системы автоматического управления работой клапанов 3 и 6 и впрыском топлива, которая обеспечивает создание максимального давления газов путем впрыска горючего в тот момент, когда вода целиком заполнила трубу.

Двигатель работает следующим образом.

При отсутствии сигнала от датчика 9 о наличии разрежения в трубе 1 система управления подает управляющее давление через отверстия 5 клапанов, при этом клапан 3, перемещаясь вдоль оси трубы 1, входит в зацепление с наконечником седла 2, перекрывая входное сечение, клапаны 6 перекрывает отверстия окна 7 в трубе 1, а через сопло форсунки 8 впрыскивается в трубу жидкометаллическое горючее.

В результате экзотермической реакции горючего с водой образуются газы, под действием расширяющихся газов вода вытесняется с ускорением из трубы, создавая тягу двигателя. Давление газов падает, при этом за счет инерции вытекающей струи жидкости создается разрежение. По сигналу от датчика давления 9 автоматическая система управления обеспечивает подачу управляющего давления в отверстия 4 клапанов 3 и 6, клапаны открываются, обеспечивая заполнение трубы 1 и завершая рабочий цикл, затем процесс повторяется.

Поршневые клапаны 3 и 6 открываются и закрываются под действием управляющего давления рабочей жидкости. Но возможно перемещение клапанов осуществить с помощью электромагнитов, особенно в случае использования электромагнитного поля для улучшения распыления струи жидкого металла.

В качестве источника энергии для выброса воды в данном двигателе могут быть использованы электроимпульсные разряды.

Двигатель обладает большой надежностью и позволяет эффективно работать при больших скоростях и больших глубинах погружения, так как скорость и надежность открытия и закрытия клапанов практически не зависит от напора воды и глубины погружения из-за малой толщины стенок поршневого клапана. Клапаны обладают большим быстродействием, что позволяет получить большее количество циклов (до 100 циклов/с), а значит и большую тягу.

При возрастании скорости движения подводного аппарата данная конструкция позволяет обеспечить выход ГИРД на прямоточный режим. В этом случае клапаны 6 закрывают окна в трубе, а клапан 3 находится в открытом положении, при этом обеспечивается непрерывный впрыск топлива через форсунки 8. Величина открытия клапана 3 зависит от скорости движения и глубины погружения подводного аппарата.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: гидрореактивный двигатель представляет собой реактивную газоводяную трубу 1 с водозаборником-диффузором. В качестве клапанного устройства используют поршневые быстродействуюшие клапаны 3, которые встраиваются в трубу 1 двигателя, причем в центре диффузора на ребрах установлено седло 2, а для клапанов, установленных по длине трубы, в трубе выполнены окна 7, которые перекрываются при срабатывании клапанов. Подпоршневые полости клапанов сообщены с источником управляющего давления системы управления, при этом в трубе установлен связанный с системой управления датчик 9 давления. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ГИДРОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ преимущественно пульсирующего типа, включающий в себя корпус, выполненный в виде трубы, во входной части которой расположены клапанное устройство и форсунка для впрыска гидрометаллического горючего, и электрогидравлическую систему управления, отличающийся тем, что клапанное устройство содержит седло, размещенное в центре входного отверстия корпуса, и клапан в виде соосного с корпусом цилиндра с поршневым поясом, выполненный с возможностью осевого перемещения в корпусе и взаимодействия с упомянутым седлом, при этом подпоршневые полости клапана сообщены с упомянутой системой управления, а в полости корпуса установлен связанный с данной системой управления датчик давления. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в корпусе установлен по меньшей мере один дополнительный клапан, аналогичный основному, а в стенках корпуса в районе дополнительного клапана выполнены окна, при этом дополнительный клапан выполнен с возможностью перекрытия этих окон, а его подпоршневые полости связаны с упомянутой системой управления. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что форсунка для подачи горючего установлена в седле входного клапанного устройства.