ДВИГАТЕЛЬНО-ДВИЖИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС СУДНА И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 2002 года по МПК B63H11/09 

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым двигателям с водно-газовым реактивным движителем взамен судового дизеля с электрогенератором и гребных винтов с электромоторами. Изобретение может найти применение для любых морских и речных судов, работающих на бензиновом, дизельном, газовом топливах.

В качестве прототипа выбран судовой двигатель с водно-газовым реактивным движителем. Принятый прототип и заявленный объект изобретения имеют ряд общих признаков. К ним относятся: принцип создания реактивной тяги путем выталкивания из движителя столба воды газом высокого давления, движитель, система охлаждения камеры сгорания, камера сгорания с клапанами впрыска горючего и окислителя, электрическая свеча, клапан выпуска газов из камеры сгорания [1] .

Недостатком прототипа является: высокая степень сложности конструкции и как следствие - низкая надежность в работе, сложность уплотнения поворотных клапанов, заполнения движителя проточной водой через боковые окна, система охлаждения камеры сгорания, низкая скорость заполнения движителя проточной водой.

Задачей изобретения является увеличение быстродействия двигателе-движительного комплекса, упрощение конструкции и увеличение надежности его работы.

Поставленная задача реализуется следующим образом. Двигательно-движительный комплекс содержит сквозной водопроточный канал, по оси которого располагается камера сгорания. Полость камеры сгорания разделена поршнем на два разновеликих объема - непосредственную камеру сгорания и объем со сжатым газом для управления работой двигательно-движительного комплекса. К противоположным сторонам поршня присоединены два штока с клапанами для перекрытия протока воды через канал и выпуска газов высокого давления из камеры сгорания. Штоки клапанов связаны с поршнем через упругие элементы. Охлаждение камеры сгорания осуществляется проточной водой, входящей в диффузор комплекса.

Указанные признаки не выявлены в других технических решениях при изучении уровня данной области техники и, следовательно, решение является новым и имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 показан двигательно-движительный комплекс с одним движителем, на фиг.2 - схема действия сил на поршень камеры сгорания двигателя, на фиг.3 - двигательно-движительный комплекс с несколькими движителями.

Комплекс представляет собой несколько движителей, каждый из которых выполнен в виде сквозного осесимметричного водопроточного канала 1, внутри которого по оси располагается корпус двигателя 2, соединяющийся со стенками каналов с помощью пилонов. Объем двигателя 2 разделен поршнем 3 на два разновеликих объема: А - камера сжатого газа и В - камера сгорания. К противоположным сторонам поршня 3 через упругие элементы 4 и 5 присоединены два штока 6 и 7 с клапанами 8 и 9. Клапан 8 является впускным клапаном диффузора 10 и предназначен для перекрытия входного отверстия диффузора. Выпускной клапан 9 камеры сгорания служит для сброса в сопло 11 водопроточного канала высокого давления из камеры сгорания. Объем А предназначен для управления работой двигательно-движительного комплекса и перед запуском двигателя заполняется сжатым газом. Величина этого давления может изменяться в широких пределах и определяет мощность двигателя. Объем В - непосредственно камера сгорания, содержит окна впрыска горючего и окислителя, электрическую свечу для воспламенения смеси.

Канал диффузора перед клапаном 8 по периметру имеет систему отверстий 12, сообщающихся с наружной поверхностью комплекса и предназначенных для протока воды через канал диффузора при закрытом клапане 8 с целью уменьшения лобового сопротивления при движении.

Сопло 11 водопроточного канала на выходе разветвляется на две части 13, 14, выходящие на поверхность хвостовой части комплекса под малым углом к оси водопроточного канала. Выходные отверстия закрыты плоскими упругими пластинами 15, 16 для предотвращения засасывания воды в движитель после окончания рабочего цикла.

Работа комплекса осуществляется следующим образом.

В исходном состоянии водопроточный канал заполнен водой, в камере сжатого газа - А имеется давление сжатого газа для запирания выпускного отверстия камеры сгорания клапаном 9 и предотвращения попадания в нее воды. При этом положении поршня клапан диффузора 8 открыт. Камера сгорания В заполняется горючим и окислителем до давления, чтобы соблюдалось следующее соотношение сил, действующих на поршень: F_A>F_B (см. фиг.2). Из фиг.2 видно, что данное условие выполняется, когда давление Р_A=Р_B, поскольку оба торца поршня имеют различные площади воздействия давлений: со стороны объема А - кольцо, ограниченное диаметром поршня и диаметром штока, со стороны В - кольцо, ограниченное диаметром поршня и диаметром уплотнительного пояска выпускного клапана. В этом состоянии избыточная сила со стороны объема А надежно удерживает клапан 9 в закрытом положении.

При воспламенении горючего и окислителя происходит быстрый рост давления и температуры в камере сгорания В, при этом нарушается соотношение сил, действующих на поршень: F_B>F_A. При этом поршень начинает смещаться влево, сжимая упругий элемент 5, соединяющий его со штоком 7 клапана сброса давления из камеры сгорания. Одновременно происходит перемещение штока 6 с клапаном 8, закрывающим входное отверстие диффузора. В тот момент времени, когда упругий элемент 5 сожмется и поршень войдет в жесткий контакт со штоком клапана 9, произойдет закрытие клапана 8 диффузора и открытие клапана 9. При этом газ, находящийся в камере сгорания, через образовавшуюся щель попадет на противоположную сторону клапана 9 и уравновесит действующие на него силы. Под воздействием упругого элемента 5 клапан 9 полностью откроет выпускное отверстие камеры сгорания. Одновременно поршень надежно уплотнит входное отверстие диффузора клапана 8. Рост давления в канале после клапана диффузора приведет к дополнительному уплотнению клапана и выбросу водяного столба из сопла 11 движителя. При этом упругие пластинчатые клапаны 15, 16 автоматически откроются под воздействием давления воды в движителе. Произойдет быстрый выброс воды из движителя и автоматическое закрытие пластинчатых клапанов 15, 16 за счет упругости.

По мере падения давления газа в движительной части комплекса наступит момент, когда F_A>F_B. Начнется перемещение поршня вправо, приводящее к закрытию выпускного клапана камеры сгорания и открытию клапана диффузора. При этом шток клапана сброса давления находится в жестком контакте с поршнем и начинает перемещение в сторону закрытия. Шток 6 с клапаном 8 диффузора находится в упругом контакте с поршнем и остается на месте до момента времени, когда закроется выпускной клапан сброса давления 9, поскольку в канале имеется избыточное давление, удерживающее впускной клапан 8 диффузора в закрытом состоянии. Когда величина этого давления снизится до определенного уровня, клапан 8 откроется под воздействием упругого элемента 4.

Произойдет заполнение водопроточного канала водой, охлаждение камеры сгорания и цикл вновь повторится. Повысив давление в объеме А, можно увеличить давление смеси горючего и окислителя, подаваемых в камеру сгорания, и тем самым увеличить мощность двигателя.

Управление двигательно-движительным комплексом осуществляется с помощью контроллера по получаемой информации с датчиков давления, установленных в камере А, В и в конце движительного тракта.

Один из примеров (см. фиг. 3) компоновки двигательно-движительного комплекса, состоящего из пяти движителей. Каждый из двигателе-движителей включаются в работу поочередно, после завершения рабочего цикла одного из них. В данном случае диффузор разветвляется на пять каналов, в каждом из которых по оси располагается камера сгорания.

Источник информации
1. Патент РФ 2003587, В 63 Н 11/00, 1985 - прототип.

Изобретение относится к судостроению, в частности к судовым двигателям с водно-газовым реактивным движителем. Двигательно-движительный комплекс содержит сквозной водопроточный канал (1), по оси которого располагается корпус двигателя (2). Полость корпуса двигателя разделена поршнем (3) на две камеры - сжатого газа (А) и сгорания (В). На противоположных торцах поршня упруго закреплены два штока (6, 7) с клапанами (8, 9) для перекрытия впускного диффузора (10) и выходного сопла (11). Впускной клапан (8) срабатывает с опережением выпускного (9), перекрывая входной диффузор, а выпускной клапан (9) открывается с задержкой по времени, и избыточное давление в камере сгорания (В) выталкивает жидкость из водопроточного канала через выходное сопло, что позволяет увеличить быстродействие, упростить конструкцию и увеличить надежность комплекса. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигательно-движительный комплекс судна, содержащий несколько движителей, выполненных в виде водопроточных труб с входным диффузором и выходным соплом, а также двигателем с окнами подачи горючего и окислителя, отличающийся тем, что корпус двигателя размещен концентрично в цилиндрической части водопроточного канала движителя и образует с его стенками кольцевой канал, при этом внутренняя полость корпуса двигателя разделена поршнем на две камеры - сжатого газа и сгорания, причем на противоположных торцах поршня упруго закреплены с возможностью перемещения вдоль оси двигателя два штока с клапанами. 2. Способ работы двигательно-движительного комплекса судна по п.1, включающий получение импульса тяги поочередно в каждом из перечисленных двигателе-движителей комплекса, отличающийся тем, что в камере сжатого газа и сгорания создают соразмерные давления, затем воспламеняют топливную смесь в камере сгорания с образованием избыточного давления, воздействующего на поршень, перемещающий посредством штоков клапаны, при этом впускной клапан срабатывает с опережением выпускного, перекрывая входной диффузор движителя, а выпускной клапан открывается с задержкой по времени, выталкивая жидкость из водопроточного канала через выходное сопло.