ГИДРОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ-УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F02K9/42 

Изобретение относится к надводной и подводной технике передвижения, в частности для ускорения надводных и подводных объектов (кораблей, подводных лодок, торпедных катеров, торпед и др.)
Известны лопастные движители (гребные, водометные, крыльчатые) работают по принципу лопасти весла, загребающего воду. Они громоздки и обладают кпд, не превышающим 50%.

Известны предложения (Диомидов М.И., Дмитриев А.Н. Покорение глубин. Л.: Судостроение, 1974, стр. 251) по созданию новых гидрореактивных движителей, преобразующих тепловую или электрическую энергию непосредственно в работу отбрасываемой воды.

Движитель представляется в виде трубы, в передней части которой размещается заборное устройство с обратным клапаном, а после него - взрывная камера. Движитель периодически захватывает порции воды, которая под действием взрыва топлива или пороха выбрасывает струю воды, создавая тягу.

Недостатками такого движителя является пульсирующий режим работы, небезопасность взрывных циклов, трудности управления движением, трудности обеспечения скрытности военных объектов, экологической безопасности и др.

Задачей настоящего изобретения является исключение указанных недостатков.

Задача решается тем, что в гидрореактивном двигателе-ускорителе, преобразующем тепловую энергию непосредственно в работу отбрасываемой воды и состоящем из парогазогенератора, соединенного с трубой, двигатель дополнительно снабжен трубами, объединенными в обойму, имеющую возможность захватывать воду и переносить ее при вращении к выходному сечению парогазогенератора. Эта обойма приводится во вращение электродвигателем постоянного тока, оборудованным регулятором-синхронизатором, имеющим возможность поддерживать обороты обоймы так, что за один оборот обоймы выбрасывать количество воды, равное объему одной трубы. В двигателе могут использоваться две обоймы, вращающиеся в разные стороны, не создавая момента по крену.

Парогазогенератор является источником повышенного давления и работает на перекиси водорода. Вращающиеся трубы, объединенные в обойму, захватывают воду и переносят ее при вращении к выходному сечению парогазогенератора, подобно патронной ленте, подающей патронник в пулемете. При этом обеспечивается непрерывный режим работы, а перекись водорода образует при разложении экологически чистые продукты - воду и кислород.

Использование такого двигателя позволит существенно увеличить его тягу и кпд и создать условия для ускоренного движения надводных и подводных объектов со скоростью, превышающей 100 узлов.

Расположение труб, объединенных в обоймы, на торпеде показано на фиг.1.

Принципиальная схема гидрореактивного двигателя приведена на фиг.2.

В головной части расположен боевой заряд 1, затем идут приборный отсек 2 со средствами управления и наведения, двигательный отсек 3 и отсек блоков электропитания и приводов системы управления 4. Трубы, объединенные в обоймы 5, расположены в горгротах и приводятся во вращение электродвигателями 6. Парогазогенераторы 7 расположены внутри двигательного отсека и обеспечивают подачу сжатого газа во вращающуюся обойму. Забор воды в трубчатую обойму обеспечивается за счет скоростного напора при движении торпеды. Обоймы вращаются в разные стороны, что исключает при наличии регулирующих элементов появление моментов по крену. Стабилизаторы 8 работают по аналогии со стабилизаторами ракет.

Двигатель работает на концентрированной перекиси водорода, которая разлагается на кислород и воду в присутствии катализатора - перманганата (например, перманганата кальция или натрия). Запас перекиси водорода хранится в баллонах 1, а перманганата - в баллонах 2. Под действием сжатого до 250 атм газа (азота) в баллонах 3, проходящего через отсечные клапаны и редуктор 4, оба компонента под высоким давлением подаются в камеру парогазогенератора 7 через соответствующие отсечные клапаны 6. Образовавшиеся в результате разложения перекиси водорода газы выталкивают воду из вращающихся труб, объединенных в обоймы 5, создавая тягу.

Вращение каждой обоймы регулируется синхронизатором 8 и осуществляется электродвигателем постоянного тока 9.

Тяга двигателя будет равна
Р=Р_к•F,
где P_к - давление газа в парогазогенераторе,
F - проходное сечение трубы.

Скорость истечения воды из трубы будет равна

где γ- удельная масса воды.

Экономичность такого двигателя определяет его удельная тяга, равная

где G_s - секундный расход перекиси водорода.

Современные парогазогенераторы, применяющиеся в качестве привода турбонасосного агрегата ракет на жидком топливе, обеспечивают получение в его камере до 100 атм.

При таком давлении скорость истечения воды из трубы будет равна 140 м/сек. При этом освобождающийся от воды объем трубы должен быть заполнен газом с давлением 100 атм, т.е. каждый свободный м³ должен содержать продуктов разложения перекиси водорода при температуре не более 2000 К (с учетом тепловых потерь). Секундный расход перекиси водорода будет равен
G_S= V•F•γ₂,
где F - площадь поперечного сечения трубы,
γ₂- удельная масса газа при заданном давлении в парогазогенераторе.

Удельная масса определяется из уравнения Клапейрона и равна

где R и Т_к - соответственно газовая постоянная и температуpa газа.

Тогда удельная тяга предлагаемого гидрореактивного двигателя будет равна

При давлении 100 атм и температуре 2000 К удельная тяга гидрореактивного двигателя будет равна 430 сек, т.е. будет соответствовать удельной тяге в пустоте самых современных ракетных двигателей на жидком топливе.

Причем для этого случая, даже используя трубу небольшого диаметра, скажем 20 см, можно получить тягу, равную более 30 т.

Для нормальной работы гидрореактивного двигателя трубы, объединенные в обойму, должны вращаться с определенным количеством оборотов так, чтобы за один оборот обоймы выбрасывалось количество воды, равное объему одной трубы. Таким образом, количество оборотов обоймы зависит от скорости истечения, диаметра и длины каждой трубы. Для рассматриваемого случая при использовании обоймы с длиной труб, равной 1 м, количество оборотов должно быть равным 600-700 оборотов в минуту.

В качестве примера использования изобретения рассмотрим один из лучших вариантов его применения для корабельной торпеды.

Берем торпеду диаметром 600 мм и длиной 4,5 м и с весом боевой головки, равной 1 т. Общий вес торпеды 2,8 т. Устанавливаем на ней, как показано на фиг. 1, трубы, объединенные в обойму, диаметром 200 мм с парогазогенератором и запасом топлива.

Парогазогенератор работает на концентрированной перекиси водорода с перманганатным катализатором при давлении в камере 100 атм. Такой гидрореактивный двигатель дает тягу, равную 4 т (две обоймы). При движении торпеды со скоростью 100 узлов сопротивление будет равно 3 т. Значит после включения двигателя она разовьет крейсерскую скорость в течение 8-10 сек.

Дальность действия торпеды будет зависеть от запаса топлива. В рассматриваемых габаритах и весе запас топлива составляет 1,5 т при секундном расходе около 8 кг/сек.

Таким образом, после включения двигателя торпеда в течение 3 мин преодолеет расстояние в 10 км. Это определяет ее тактические возможности.

Гидрореактивный двигатель-ускоритель, преобразующий тепловую энергию непосредственно в работу отбрасываемой воды, состоит из парогазогенератора, соединенного с трубой. Двигатель дополнительно соединен с трубами, объединенными в обойму, которая имеет возможность захватывать воду и переносить ее при вращении обоймы к выходному сечению парогазогенератора. Трубчатая обойма приводится во вращение электродвигателем постоянного тока, оборудованным регулятором-синхронизатором. Регулятор-синхронизатор имеет возможность поддерживать обороты обоймы так, чтобы за один оборот обоймы выбрасывать количество воды, равное объему одной трубы. Для предотвращения возникновения момента по крену используются две обоймы, вращающиеся в разные стороны. Изобретение позволяет создать двигатель, преобразующий тепловую энергию непосредственно в работу отбрасываемой воды, отличающийся экологической и эксплуатационной безопасностью, простотой управления и обеспечивающий скрытность военных объектов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гидрореактивный двигатель-ускоритель, преобразующий тепловую энергию непосредственно в работу отбрасываемой из трубы воды и состоящий из парогазогенератора, соединенного с трубой, отличающийся тем, что двигатель дополнительно снабжен трубами, объединенными в обойму, имеющую возможность захватывать воду и переносить ее при вращении обоймы к выходному сечению парогазогенератора, приводящуюся во вращение электродвигателем постоянного тока, оборудованным регулятором-синхронизатором, имеющим возможность поддерживать обороты обоймы так, чтобы за один оборот обоймы выбрасывать количество воды, равное объему одной трубы. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что используются две обоймы, вращающиеся в разные стороны, не создавая момента по крену.