МОТОРНОЕ СУДНО С ГАЗОТУРБОИОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2002 года по МПК B63H21/16 

Настоящее изобретение относится к области судостроения и может найти применение в качестве морского или речного судна.

Известна мотолодка "Хайди", содержащая корпус с открытым кокпитом и встроенным в носовой части ящиком для снаряжения, в задней части которого закреплен подвесной мотор. Длина 3,2 м, ширина 1,55 м, высота борта 0,45 м, допустимая мощность мотора 12 л.с., вместимость 3 чел.

/X. Баадер, Разъездные, туристские и спортивные катера, перевод с немецкого. Л., Судостроение, 1976, с. 89-90/.

Недостатками известной мотолодки "Хайди" являются малая автономность плавания, большой расход органического топлива, загрязнение окружающей среды выхлопными газами.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией мотолодки и ее двигателя.

Известен также туристский катер "Бойеро", содержащий корпус с остроскулыми обводами, закрытый кокпит, носовую каюту, внутренний и наружный посты управления, двигатель, размещенный внутри корпуса и соединенный с гребным винтом. Длина 7 м, ширина 2,5 м, мощность двигателя 120 л.с., максимальная скорость движения 36 км/час, расход топлива 18 л/час при 3/4 максимальной скорости /там же, с. 123-125/.

Известный туристский катер "Бойеро", как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.

Недостатки известного туристского катера "Бойеро", принятого за прототип, те же.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных качеств моторного судна.

Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что двигатель внутреннего сгорания, топливные баки заменены газотурбоионным двигателем, содержащим несколько газовых турбин, изолированных друг от друга и закрепленных на общем валу, один конец которого соединен через центробежную соединительную муфту с пусковым электродвигателем, а другой связан с ведущим валом понижающего редуктора, причем впускной и выпускной каналы каждой из газовых турбин соединены между собой трубопроводом, имеющим снаружи штуцер с запорным краном и охладитель, а внутри содержащим ионизатор газа, ускоряющую систему и нейтрализатор, кроме того, внутренние полости каждой газовой турбины и трубопроводов заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом, ядерными (изотопными) высоковольтными батареями, каждая из которых содержит корпус, внутри которого установлен эмиттер, содержащий соли радиоактивного стронция и изолированный от корпуса вакуумом или диэлектриком, системой регулирования частоты вращения вала газотурбоионного двигателя, представляющую собой включатели, разбитые на несколько групп, связанных единым приводом и включенных в цепь ядерных батарей, ионизаторов газа, ускоряющих систем, нейтрализаторов и соленоидов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид моторного судна с газотурбоионным двигателем, на фиг. 2 - схема силовой установки моторного судна, на фиг. 3 - схема редуктора переднего и заднего хода, на фиг. 4 - общий вид газотурбоионного двигателя, на фиг. 5 - вид слева на газотурбоионный двигатель, на фиг. 6 - вид оправа на газотурбоионный двигатель, на фиг. 7 - газотурбоионный двигатель в разрезе, на фиг. 8 - схема газотурбоионного двигателя, на фиг. 9 - схема регулирования частоты вращения вала газотурбоионного двигателя, на фиг. 10 - схема понижающего редуктора газотурбоионного двигателя, на фиг. 11 - устройство центробежной соединительной муфты, на фиг. 12 - устройство ядерной высоковольтной батареи.

Предлагаемое моторное судно с газотурбоионным двигателем содержит корпус 1, имеющий кокпит, каюты, трюм, внутренний пост управления, внутри которого размещены баллоны 2 со сжатым водородом и высоковольтный батарейный отсек 3. Газотурбоионный двигатель 4 посредством редуктора 5 переднего и заднего хода, соединительных муфт 6, 7 и дейдвудного вала 8 соединен с гребным винтом 9. Редуктор переднего и заднего хода, являющийся также разобщительной муфтой, содержит корпус 10, внутри которого на подшипниках установлены ведущий вал 11, ведомый вал 12, первый 13 и второй 14 промежуточные валы. На шлицах ведущего вала установлена каретка 15, связанная с рычагом переключения 16. На первом промежуточном валу закреплены шестерня 17, которая может входить в зацепление с кареткой ведущего вала, и шестерня 18, входящая в постоянное зацепление с шестерней 19, закрепленной на ведомом валу. Второй промежуточный вал содержит большую шестерню 20, входящую в зацепление с шестерней 21, имеющей наружные и внутренние зубья и являющейся одной из опор ведущего и ведомого валов и малую шестерню 22, которая через промежуточную шестерню 23 входит в зацепление с шестерней ведомого вала.

Газотурбоионный двигатель содержит корпуса 24, 25, 26, закрытые крышками 27, 28, 29, соединенные болтами между собой, внутри которых установлены газовые турбины 30, 31, 32, закрепленные на общем валу 33. К крайним корпусам прикреплены корпус 34 центробежной муфты, связанной с пусковым электродвигателем 35, и корпус 36 понижающего редуктора. Центробежная муфта содержит ведущий вал 37, соединенный с валом пускового электродвигателя, на котором закреплена вилка 38, на концах которой, с возможностью продольного перемещения, установлены грузики 39, 40 с колодками 41, 42. На общем валу установлен диск 43 с фрикционной накладкой. Пружина 44 удерживает грузики в выключенном положении.

Понижающий редуктор содержит ведущую шестерню 45, закрепленную на общем валу и входящую в зацепление с большой шестерней 46 каретки, закрепленной на водиле 47, установленном на валу 48 газотурбоионного двигателя. Малая шестерня 49 каретки входит в зацепление с неподвижной шестерней 50, закрепленной на корпусе понижающего редуктора. Впускной и выпускной каналы каждой из турбин соединены между собой трубопроводами 51, 52, 53, снаружи которых установлены охладители газа 54, 55, 56 и штуцера с запорными кранами 57.

Внутри каждого из трубопроводов размещены ионизатор газа, ускоряющая система и нейтрализатор. Ионизатор газа содержит круглый пустотелый цилиндр 58, подключенный к положительному выводу высоковольтной батареи, источник электронов 59 в форме круглого стержня, вставленного внутрь круглого полого цилиндра и соединенного с ускоряющей сеткой 60, подключенных к ядерной высоковольтной батарей. Там же с противоположной стороны лопастей газовой турбины установлены замедляющая сетка 61 и нейтрализатор 62 в форме сетки, подключенные к ядерным высоковольтным батареям. Внутренние поверхности трубопроводов и лопасти газовых турбин должны быть покрыты электроизоляционным материалом. Снаружи на ионизаторе газа установлен соленоид 63. Все соленоиды соединены последовательно друг с другом и подключены к ядерным высоковольтным батареям. Система регулирования частоты вращения вала газотурбоионного двигателя содержит три группы ядерных высоковольтных батарей и включателей.

Первая группа содержит ядерные высоковольтные батареи 64, 65, 66, 67, 68 и включатели 69, 70, 71, 72, 73. Вторая группа содержит ядерные высоковольтные батареи 74, 75, 76, 77, 78 и включатели 79, 80, 81, 82, 83. Третья группа содержит ядерные высоковольтные батареи 84, 85, 86, 87, 88 и включатели 89, 90, 91, 92, 93. Все три группы ядерных высоковольтных батарей и включателей включены в цепи питания ионизаторов газа, ускоряющих систем, нейтрализаторов и соленоидов, причем каждая группа включателей имеет общий привод (не показано), а одни и те же элементы разных газовых турбин соединены между собой проводниками, как показано на фиг. 9. Внутренние полости газовых турбин и трубопроводов заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом газотурбоионного двигателя. Ядерные (изотопные) высоковольтные батареи одинаковы по конструкции и каждая из них содержит корпус 94, внутрь которого вставлен изолированный от корпуса эмиттер 95, являющийся носителем α или β частиц радиоактивного изотопа (например, стронция), заряжается отрицательно или положительно по отношению к корпусу. Эмиттер и корпус изолированы друг от друга вакуумом или диэлектриком 96. Необходимая величина напряжения ядерной высоковольтной батареи обеспечивается процентным содержанием радиоактивного изотопа в эмиттере и может находится в пределах 25-150 мккюри. Ядерные (изотопные) батареи безопасны, имеют небольшие размеры и срок службы порядка 15-25 лет. (О ядерных источниках тока см. В. Фильштих, Топливные элементы, пер. с немецкого, изд. Мир, М., 1968, с. 339, рис. 72 и С. И. Венецкий, О редких и рассеянных, Рассказы о металлах, М., Металлургия, 1980, с. 29-30).

Работа моторного судна с газотурбоионным двигателем.

Перед отплытием необходимо проверить давление водорода в трубопроводах 51, 52, 53 газотурбоионного двигателя по манометру, не показанному на чертежах, при необходимости, открыв запорные краны 57, добавить его из баллонов 2. Проверить исправность ядерных высоковольтных батарей и аккумулятора, питающего пусковой электродвигатель 35, не показанный на чертежах. После этого производится запуск газотурбоионного двигателя. Для чего рычаг переключения 16 редуктора переднего и заднего хода необходимо установить в нейтральное положение, отключив гребной винт 9. Включить пусковой электродвигатель 35, который станет вращать вилку 38 центробежной соединительной муфты, а вместе с ней и грузики 39, 40. Под действием центробежной силы грузики станут удаляться от центра вращения и передвигаться вперед, сжимая пружину 44. Колодки 41, 42 прижмутся к диску 43 и станут его вращать, а вместе с ним и общий вал 33 с газовыми турбинами 30, 31, 32. Водород станет перекачиваться по трубопроводам 51, 52, 53. Как только газовые турбины наберут достаточную частоту вращения, необходимо подключить посредством включателей 69, 70, 71, 72, 73 первую группу ядерных высоковольтных батарей 64, 65, 66, 67, 68 к ионизаторам газа, ускоряющим системам, нейтрализаторам и соленоидам. При этом с водородом, находящимся в ионизаторах газа, будет происходить объемная ударная ионизация. Заряженные положительно полые цилиндры 58 ионизируют атомы водорода, а круглые стержни 59 являются источниками электронов, которые, двигаясь в сторону полых цилиндров 58, ионизируют встречающиеся на их пути атомы водорода. (О ионизации газов см. В.А. Батушев, Электронные приборы, изд. 2, М., Высшая школа, 1980, с. 298-299).

При пропускании электрического тока через соленоиды 63 происходит перемешивание водорода и его более полная ионизация. Под действием электростатического поля ускоряющих систем ионы водорода выбрасываются через ускоряющие сетки 60 из ионизаторов газа в направлении нейтрализаторов 62. При движении ионы водорода встречают на своем пути лопасти газовых турбин 30, 31, 32 ударяют в них, передавая им часть своей энергии, заставляя газовые турбины вращаться, после чего они двигаются в сторону замедляющих сеток 61, где происходит их торможение. Достигнув нейтрализаторов 62, ионы водорода приобретают недостающие электроны и превращаются в нейтральные атомы. Далее водород движется через охладители 54, 55, 56, где отдает тепло, полученное при ионизации, а затем по трубопроводам 51, 52, 53 возвращается в ионизаторы газа, и все повторяется сначала. Как только газовые турбины наберут необходимую частоту вращения, пусковой электродвигатель 35 отключается, грузики 39, 40 под действием пружины 44 смещаются назад, колодки 41, 42 отходят от диска 43 и дальнейшее поддержание вращения газовых турбин осуществляется за счет электростатических сил. Скорость движения ионов водорода зависит от напряженности электрического поля ускоряющих систем. Следовательно, изменение частоты вращения газовых турбин и соответственно вала 48 газотурбоионного двигателя может осуществляться путем изменения напряжения, подаваемого на ионизаторы газа, ускоряющие системы, нейтрализаторы и соленоиды. Перевод газотурбоионного двигателя на вторую ступень частоты вращения осуществляется подключением второй группы ядерных высоковольтных батарей 74, 75, 76, 77, 78 посредством включателей 79, 80, 81, 82, 83 параллельно ядерным высоковольтным батареям первой группы. Для перевода газотурбоионного двигателя на третью ступень частоты вращения вала 48 необходимо подключить третью группу ядерных высоковольтных батарей 84, 85, 86, 87, 88 посредством включателей 89, 90, 91, 92, 93 параллельно ядерным высоковольтным батареям первой и второй групп. Для уменьшения частоты вращения вала 48 газотурбоионного двигателя необходимо произвести указанные выше операции в обратном порядке. Таким образом, ионизаторы газа, ускоряющие системы и нейтрализаторы выполняют роль насосов, заставляющих рабочее тело водород перемещаться по трубопроводам 51, 52, 53 и приводить во вращение газовые турбины 30, 31, 32. Аналогичное действие происходит в ионном ракетном двигателе (См. Машиностроение, Терминологический словарь, под общей редакцией М.К. Ускова, Э.Ф. Богданова, М. , Машиностроение, 1995, с. 151, рис. 13 И б) и с. 179, рис. 12 К). Вращающийся момент от общего вала 33 передается на ведущую шестерню 45 понижающего редуктора, которая приводит во вращение большую шестерню 46 подвижной каретки, а малая шестерня 49 этой же каретки обкатывается по зубьям неподвижной шестерни 50, увлекая за собой водило 47 и вращая вал 48 со скоростью, меньшей, чем скорость вращения газовых турбин, и подводя к нему более высокую мощность. При работе газотурбоионного двигателя возможна утечка водорода, которая может быть восполнена из баллонов 2 путем открытия запорных кранов 57. После того, как газотурбоионный двигатель 4 станет устойчиво работать, поворачивается рычаг 16 редуктора 5 переднего и заднего хода в положение "передний ход" и моторное судно начинает движение. Крутящийся момент от газотурбоионного двигателя 4 передается на ведущую каретку 15 ведущего вала 11 редуктора 5 переднего и заднего хода, а затем на шестерню 17 первого промежуточного вала 13 и далее через шестерню 18 на шестерню 19 ведомого вала 12 и через соединительные муфты 6, 7, дейдвудный вал 8 на гребной винт 9. При необходимости движения задним ходом рычаг 16 редуктора 5 переднего и заднего хода устанавливается в положение "задний ход". Крутящийся момент в этом случае передается от ведущей каретки 15 ведущего вала 11 на шестерню 21, а с нее на большую шестерню 20 второго промежуточного вала 14 и далее через малую шестерню 22 этого же вала, промежуточную шестерню 23 на ведомую шестерню 19 ведомого вала 12. Затем через муфту 7, дейдвудный вал 8 передается на гребной вал 9, который, вращаясь в противоположную сторону, создает упор и обеспечивает движение судна задним ходом. Так как газотурбоионный двигатель 4 имеет трехступенчатое регулирование частоты вращения вала 48, то и моторное судно может двигаться с тремя различными скоростями.

Дальнейшее управление моторным судном ничем не отличается от управления обычным судном. По прибытии к месту назначения и остановки у причала рычаг 16 редуктора 5 заднего и переднего хода устанавливается в нейтральное положение, в результате чего газотурбоионный двигатель 4 отсоединяется от гребного винта 9. После этого производится остановка газотурбоионного двигателя. Для этого ионизаторы газа, ускоряющие системы, нейтрализаторы и соленоиды отключаются от ядерных высоковольтных батарей. Движение водорода в трубопроводах 51, 52, 53 прекращается и газовые турбины 30, 31, 32 останавливаются.

Предлагаемое моторное судно может быть использовано на водоемах, куда затруднена доставка органического топлива.

Положительный эффект: не требует органического топлива, имеет более высокую автономность плавания, оказывает меньшее влияние на окружающую среду, простота обслуживания.

Изобретение относится к судостроению, в частности к конструкции морских и речных судов. Моторное судно содержит корпус. Внутри корпуса размещена энергетическая установка, соединенная через редуктор переднего и заднего хода, дейдвудный вал с гребным винтом. В качестве энергетической установки использован газотурбоионный двигатель, содержащий несколько газовых турбин, размещенных в отдельных корпусах, закрытых крышками и установленных на общем валу, один конец которого связан через центробежную соединительную муфту с пусковым электродвигателем, а другой соединен с ведущим валом пониженного редуктора. Впускной и выпускной каналы каждой турбины соединены между собой трубопроводом, имеющим снаружи охладитель и штуцер с запорным краном, а внутри - ионизатор газа, ускоряющую систему и нейтрализатор. Внутренние полости газовых турбин и трубопроводов заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом. Ионизаторы газа, ускоряющие системы и нейтрализаторы газовых турбин электрически соединены через коммутирующие устройства с ядерными высоковольтными батареями. Достигается повышение эксплуатационных качеств моторного судна. 12 ил.

Моторное судно с газотурбоионным двигателем, содержащее корпус с кокпитом, каютами, внутренним постом управления, внутри которого размещена энергетическая установка механически соединенная с гребным винтом, отличающееся тем, что энергетическая установка выполнена в форме газотурбоионного двигателя, содержащего пусковой электродвигатель с центробежной соединительной муфтой, понижающий редуктор, несколько газовых турбин, размещенных в отдельных корпусах, закрытых крышками и установленных на общем валу, один конец которого связан с центробежной соединительной муфтой, а другой соединен с ведущим валом понижающего редуктора, причем впускной и выпускной каналы каждой из газовых турбин соединены между собой трубопроводом, имеющим снаружи охладитель и штуцер с запорным краном, соединенный с баллоном сжатого водорода, а внутри - ионизатор газа, ускоряющую систему и нейтрализатор, кроме того внутренние полости газовых турбин и трубопроводов заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом, причем ионизаторы газа, ускоряющие системы и нейтрализаторы газовых турбин электрически соединены с ядерными высоковольтными батареями через коммутирующие устройства.