ТЕПЛОГЕНЕРАТОР ДЛЯ МОНГОЛЬФЬЕРА Российский патент 1997 года по МПК B64B1/62 F23D14/00 

Изобретение относится к воздухоплаванию, а именно к теплогенераторам для заполнения нагретым воздухом монгольфьеров.

Современный монгольфьер содержит оболочку из синтетической ткани, обычно найлона, с полиуретановым покрытием/ клапаном на вершине и отверстием в нижней части. К оболочке на стропах подвешена обычно открытая гондола. Теплогенератор, представляющий собой газовую горелку со змеевиковым испарителем, установленную на несущем кольце, закрепленном на стропах, расположен, как правило, под нижним отверстием оболочки над гондолой /Grand Dictionaire Encyclopedique Larousse т_о 7, стр 7079, 1984/. Для регулирования подъемной силы монгольфьера пилот периодически включает горелку, работающую обычно на пропане. Истекающие из горелки в виде одной или нескольких свободных струй продукты сгорания смешиваются с окружающим воздухом и поступают в оболочку. Этот процесс предварительного смешивания необходим, потому что допустимая температура материала оболочки значительно меньше, чем температура продуктов сгорания.

Описанные теплогенераторы достаточно просты по конструкции, однако они не могут обеспечить необходимую надежность и безопасность полета на монгольфьере. Объясняется это тем, что теплота сгорания топлива в таких теплогенераторах не используется для увеличения кинетической энергии продуктов сгорания, поэтому скорость их сравнительно невелика и струя продуктов сгорания может быть размыта или отклонена достаточно сильным порывом ветра, а пламя горелки может быть сорвано, что представляет серьезную опасность. Кроме того, сравнительно низкая скорость продуктов сгорания предопределяет недостаточный динамизм процессов тепломассообмена внутри оболочки, а это не позволяет пилоту совершать с необходимой быстротой маневры монгольфьера в критических ситуациях. Наконец, для стартового заполнения оболочки приходится применять специальную воздуходувку, вентилятор которой приводится от отдельного двигателя.

Известны также теплогенерораторы для монгольфьеров, содержащие камеру сгорания, форсунки с коллектором, подключенным к баллону со сжиженным газом через газотопливный теплообменник-испаритель, вентилятор и смеситель, предназначенный для заполнения оболочки монгольфьера продуктами сгорания одновременно с воздухом от вентилятора /Патент США N 4076188, кл. B 64 B 1/58, 1978/.

Такие теплогенераторы генерируют струю смеси продуктов сгорания и воздуха с большей кинетической энергией, чем вышеупомянутые, потери энергии при смешивании у них меньше, процессы массатеплообмена более динамичны, а для стартового заполнения не требуется отдельной воздуходувки. Однако для привода вентилятора необходим двигатель /обычно это двигатель внутреннего сгорания, работающий на пропане/, что усложняет и удорожает конструкцию теплогенератора, значительно увеличивает его массу. Кроме того, в таких так называемых вентиляторных теплогенераторах, теплота сгорания газа, сжигаемого в горелке, так же как в безвентиляторных теплогенераторах не используется дом увеличения кинетической энергии продуктов сгорания, т.е. энергия топлива и здесь используется недостаточно эффективно.

Следует отметить, что использование в теплогенераторе монгольфьеров известных горелок, например, турбовентиляторного типа /см. например, а.с. СССР N 1476251,1987/ не может обеспечить существенное увеличение кинетической энергии продуктов сгорания, поскольку в них не предусмотрено осуществление цикла теплового двигателя /последовательные процессы сжатия воздуха, сжигание в нем топлива и расширение газа в турбине и сопле/ т.е. отсутствует механизм преобразования теплоты сгорания в кинетическую энергию газа.

Задачей данного изобретения является повышение маневренности и безопасности полета монгольфьеров путем придания максимальной кинетической энергии газовоздушной струе, подаваемой теплогенератором в оболочку, при минимальном расходе топливного газа.

Достигается это тем, что теплогенератор для монгольфьера, содержащий камеру сгорания, форсунки которой соединены с коллектором, подключенным к баллону со сжиженным газом через газотопливный теплообменник-испаритель, вентилятор и смеситель, предназначенный для заполнения оболочки монгольфьера продуктами сгорания одновременно с воздухом от вентилятора, снабжен компрессором и турбиной, механически связанными между собой и вентилятором, установленными так, что турбина расположена между форсунками и теплообменником-испарителем, за которым по хода воздуха установлен компрессор, причем по ходу воздуха перед теплообменником-испарителем, но за турбиной размещен газовоздушный теплообменник, который может быть выполнен в виде тепловых труб, а выхлопной патрубок теплогенератора выполнен с возможностью поворота доя отвода продуктов сгорания от компрессора в атмосферу.

Такое выполнение теплогенератора позволяет осуществить в нем цикл теплового двигателя /последовательные процессы подогрева воздуха путем сжигания в нем топлива, расширение газа, его охлаждение и сжатие в компрессоре до атмосферного давлениям учетом процесса охлаждения в атмосфере эти процессы в совокупности образуют цикл со сгоранием при постоянном давлении так называемый цикл Брайтона/.В компрессоре и турбине теплогенератора давление ниже атмосферного. Благодаря этому увеличивается высота лопаток, что приводит к повышению экономичности теплогенератора.

На фиг. 1 показана схема теплогенератора; на фиг. 2 общий вид монгольфьера.

Теплогенератор содержит форсунки 1 которые сообщены через регулирующие устройства 2 с газотопливным теплообменником-испарителем 3, а последний через коллектор 4 соединен с баллоном 5, заполняемым сжиженным топливным газом-Форсунки 1 установлены в камере сгорания 6, которая по ходу воздуха расположена перед турбиной 7, а по ходу воздуха за последней и перед компрессором 8 включен газовый тракт теплообменника-испарителя 3.

Компрессор 8 и турбина 7 связаны между собой механически, например непосредственно, с помощью вала, механических и других передач. Вентилятор 9 может быть установлен непосредственно на ободе турбины или компрессора или каким-либо образом механически связан с ним. На фиг. 1 пунктиром показана конструкциям которой вентилятор 9 закреплен на ободе свободной турбины 10, установленной за компрессором 8, т.е. в этом случае связь вентилятора с турбокомпрессором осуществляется через газовую лопаточную муфту.

Компрессор 8, как показано на фиг. 1, имеет поворотный выхлопной патрубок 11, который установлен на входе в смеситель 12.

По ходу воздуха перед теплообменником-испарителем 3 установлен газовоздушный теплообменник 13,выполненный, например, в виде тепловых труб известной конструкции.

Теплогенератор работает следующим образом.

Топливный газ в жидком виде поступает в теплообменник-испаритель 3, где он испаряется, охлаждая газ, прошедший турбину 7. Истекающее из форсунок 1 газообразное топливо сжигается в потоке воздуха, просасываемого компрессором 8 через камеру 6 и турбину 7. Последняя вращает компрессор 8 и вентилятор 9. Расширившийся в турбине 7 до давления ниже атмосферного газ охлаждается сначала в газовоздушном теплообменнике 13,а затем в теплообменнике-испарителе 3. Охлаждающей средой в теплообменнике 13 является воздух, обтекающий корпус тепло- генератора и конденсационные концы тепловых труб этого теплообменникам связи с тем, что температура газа перед турбиной 7 значительно выплетем перед компрессором 8, работа сжатия газа в цикле теплогенератора меньше, чем работа расширения в турбине 7, и избыточная работа расширения идет на привод вентилятора 9. Охлажденный в теплообменниках 3,13 газ сжимается компрессором 8 до атмосферного давления и выбрасывается в смеситель 12 через выхлопной патрубок 11. Из смесителя 12 смесь продуктов сгорания и воздуха, подаваемого вентилятором 9, нагнетается в оболочку монгольфьера.

Как показывают расчеты, расход воздуха через турбокомпрессор теплогенератора даже для больших монгольфьеров незначителен Поэтому при обычном выполнении турбогенератора высота лопаток компрессора и турбины была бы малой, а, следовательно, так называемые концевые потери в лопаточных аппаратах были бы велики. В данном теплогенераторе турбина и компрессор работают в вакууме, при давлении, меньшем атмосферного, поэтому высота лопаток этих машин при данном расходе воздуха увеличена, а концевые потери незначительны.

Применение поворотного патрубка 11 позволит нагнетать в оболочку монгольфьера холодный воздух в режиме стартового заполнения оболочки на земле без использования специальной стартовой воздуходувки. В полете поворотный патрубок может быть использован для управления полетом по курсу.

Таким образом, данное изобретение при достаточно простой и легкой по сравнению с прототипом конструкции позволяет обеспечить динамичность процессов регулирования температуры воздуха в оболочке как в сторону увеличения температуры, так и в сторону ее снижения путем продувки оболочки высокоскоростной струей горячего или холодного воздуха. Эти качествам также возможность использования поворотного патрубка дота управления вектором тяги теплогенератора значительно улучшают маневренность монгольфьера делают полет более безопасным.

Как уже отмечалось, в данной конструкции осуществляется цикл тепло вою двигателя с подводом тепла при постоянном давлении цикл Брайтона: нагрев при постоянном давлении в камере сгорания, расширение до давления ниже атмосферного в турбине, охлаждение при постоянном давлении перед компрессором с помощью теплообменников 3, 13. Таким образом, использован самый экономичный способ преобразования теплоты сгорания топлива в кинетическую энергию газа, что выгодно отличает данный теплогенератор от известных, обеспечивая при минимальных энергетических затратах максимальную кинетическую энергию газовоздушной струи, поступающей из смесителя в оболочку. Отсюда главные достоинства данного теплогенератора устойчивость струи при боковых порывах ветра и высокая динамичность процессов тепломассообмена в оболочке.

Следует отметить также, что все элементы конструкции теплогенератора могут быть изготовлены с помощью известных и опробированных технологий. Такие наиболее сложные элементы, как турбина и компрессор, рассчитанные на малые расходы воздуха изготавливаются серийно для агрегатов турбонаддува двигателей внутреннего сгорания и в данной конструкции могут быть использованы непосредственно в готовом виде.

Изобретение относится к тепловым аэростатическим летательным аппаратами частности к монгольфьерам, и позволяет повысить экономичность и безопасность полетов. Теплогенератор содержит вентилятор 9, турбину 7,камеру сгорания 6 с форсунками 1, подключенными к баллону 5 с топливным газом, газовоздушный 13 и газотопливный 3 теплообменники, компрессор 7,выхлопной поворотный патрубок 11 и смеситель 12. Турбина 7 компрессор 8 и вентилятор 9 механически связаны между собой. Смеситель 12 расположен под нижней горловиной оболочки монгольфьера, и из него смесь воздуха, подаваемого вентилятором 9, и продуктов сгорания нагнетается в оболочку монгольфьера. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Теплогенератор для монгольфьера, содержащий камеру сгорания, форсунки которой соединены с коллектором, подключенным к баллону со сжиженным газом через газотопливный теплообменник-испаритель, вентилятор и смеситель, предназначенный для заполнения оболочки монгольфьера продуктами сгорания одновременно и воздухом от вентилятора, отличающийся тем, что он снабжен компрессором и турбиной, механически связанными между собой и вентилятором, установленными так, что турбина расположена между форсунками и теплообменником-испарителем, за которым по ходу воздуха расположен компрессор. 2. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что по ходу воздуха перед теплообменником-испарителем, но за турбиной размещен газовоздушный теплообменник. 3. Теплогенератор по п.2, отличающийся тем, что газовоздушный теплообменник выполнен в виде тепловых труб. 4. Теплогенератор по пп.1 3, отличающийся тем, что он снабжен выхлопным патрубком с возможностью поворота для отвода продуктов сгорания от компрессора в атмосферу в обход оболочки.