Группа изобретений относится к тепловым двигателям, а именно к способу преобразования энергии в силовых установках и двигателях для выработки мощности на силовом валу. Заявляемые изобретения могут быть использованы вместе или по отдельности для автономного привода, например, мобильных электрогенераторов большой мощности, движителей транспортных средств и других устройств и механизмов, в том числе работающих под водой или в агрессивной среде с давлением, превышающим атмосферное, а также для получения мощности на силовом валу с одновременной выработкой сжатого воздуха, низкотемпературного воздуха, электроэнергии для обеспечения внешних потребителей без подключения дополнительных устройств, как в полевых стационарных условиях, так и на борту движущегося транспортного средства.
Уровень техники в данной области характеризуется различными направлениями совершенствования процессов преобразования тепловой энергии от сгорания топлива в механическую энергию вращения силового вала двигателей внутреннего сгорания для передачи мощности потребителю. При совершенствовании поршневых и газотурбинных двигателей использование таких методов, как турбонаддув, электронная система зажигания, повышение степени сжатия, увеличение проходного сечения клапанов и т.д. улучшает отдельные параметры, не исключая принципиальные недостатки, заключающиеся в том, что большая часть энергии в термодинамическом цикле остается неиспользованной, так как высокотемпературное рабочее тело выбрасывается из поршневого устройства до его полного расширения, что, наряду с прямыми потерями энергии, требует применения систем глушения, увеличивающих массу двигателя и снижающих его кпд, управление режимами работы осуществляется регулированием количества топлива, изменяющим оптимальное соотношение компонентов в топливовоздушной смеси, что ухудшают полноту ее сгорания, увеличивая потери энергии и токсичность выхлопов; значительная часть энергии теряется при принудительном охлаждении теплонапряженных узлов с последующим отводом тепла в окружающую среду; после достижения транспортным средством заданной скорости нельзя уменьшить затраты энергии до необходимого уровня, достаточного для преодоления диссипативных сил сопротивления движению без отключения части цилиндров, или изменения их объема, или применения многоступенчатых трансмиссий; необходим режим "холостого хода", на котором при нулевом кпд двигатель расходует топливо и загрязняет окружающую среду; много вспомогательных систем, например смазки, сцепления, запуска, регулирования подачи топлива, синхронизации зажигания, которые требуют затрат энергии на их привод, увеличивают массу двигателя, трудоемкость производства, технического обслуживания и снижают его надежность.
Характер преобразования энергии в турбовальных газотурбинных двигателях (ГТД) дает им определенные преимущества по сравнению с поршневыми: меньшие удельный вес на единицу мощности и габаритные размеры, легкий пуск в холодное время года, повышение мощности при работе двигателя в низкотемпературных условиях, работа на различных видах и сортах топлива и уменьшение токсичности выбросов, значительно меньшее число деталей двигателя. Величина кпд ГТД зависит от их предназначения, конструктивных схем и параметров реализуемого термодинамического цикла. Характерные при реализации традиционно применяемого в подавляющем большинстве ГТД термодинамического цикла Брайтона (с адиабатическим сжатием и расширением, и теплоподводом к рабочему телу при постоянном давлении) затраты механической работы на сжатие воздуха (от 25 до 75%, в зависимости от степени теплоподвода и повышения давления в цикле), даже при большой величине термического кпд не позволяют обеспечить большую величину эффективного кпд. Причем возможности совершенствования работающих по этому циклу ГТД за счет повышения параметров рабочего процесса (температуры цикла, степени повышения давления в нем), а также увеличения кпд элементов, осуществляющих процессы сжатия, сгорания и расширения, практически исчерпаны. Повышение параметров для достижения приемлемого термического кпд вынуждает использовать жаропрочные материалы и применять методы активного охлаждения лопаточных турбин, что увеличивает и без того большую массу, обусловленную принципом их конструкции. В связи с этим одно-двухступенчатые роторы лопаточных турбин, применяемые в ГТД транспортных средств, обладают повышенной инерционностью, ухудшающей динамичность двигателя, а применение многоступенчатых роторов, обеспечивающих более полное использование энергии реактивной массы, тем более увеличивает массу и инерционность, и поэтому нецелесообразно. В результате тепловая и кинетическая энергия реактивной струи рабочего тела, оставшаяся после срабатывания в лопатках компрессорной, а затем рабочей турбины ГТД транспортных средств, для выполнения полезной работы более не используется и, в лучшем случае, рассеивается в атмосфере, если не требует применения систем глушения, дополнительно увеличивающих массу и уменьшающих полезную работу расширения цикла.
Несколько лучше обстоит дело с использованием энергии рабочего тела, оставшейся после создания момента на валу, в турбореактивных двигателях (ТРД), используемых в качестве струйных движителей транспортных средств. Их эффективный кпд повышают за счет использования энергии рабочего тела, остающейся после привода турбокомпрессора, для создания реактивной тяги. При этом реактивную тягу увеличивают за счет более полного использования располагаемой энергии реактивной струи термодинамического контура для увеличения реактивной массы при одновременном снижении скорости ее истечения и уменьшении скоростных потерь реактивного выхлопа. Например, за счет эжектирования внешних масс атмосферного воздуха реактивной струей при установке эжекторного насадка на ТРД. Однако кпд этого процесса - параллельного присоединения дополнительных масс, в котором функцию активной струи выполняет стационарно истекающая реактивная струя, низок, поскольку коэффициент присоединения m (отношение присоединяемой массы воздуха к реактивной массе термодинамического контура) на начальных скоростях, когда в этом процессе возможен эффект увеличения тяги за счет эжекции атмосферного воздуха, незначительный, а после разгона при увеличении скорости набегающего потока воздуха прирост тяги снижается до нуля и даже уменьшает первоначальную тягу струйного движителя. В турбореактивных двухконтурных двигателях (ТРДД) за счет передачи части энергии внутреннего термодинамического контура вентилятору, сжимающему атмосферный воздух в наружном контуре для образования дополнительной реактивной массы, увеличивают количество присоединяемого воздуха и относительную скорость истечения увеличенной реактивной массы по сравнению с процессом присоединения в эжекторе. Причем эти двигатели можно адаптировать к условиям полета, изменяя степень двухконтурности m (отношение массы воздуха, присоединяемой через наружный контур, к реактивной массе внутреннего термодинамического контура) для повышения экономичности. Однако из-за большой величины механической работы сжатия цикла Брайтона ТРДД, также как и турбовальные ГТД, имеют низкий кпд термодинамического контура при большой массе турбокомпрессора газогенератора, а коэффициент m и кпд их струйного движителя меньше, чем у винтового или винтовентиляторного движителя, при незначительной разнице крейсерских скоростей полета, причем повышение их двухконтурности (при достигнутых экономически целесообразных в данном цикле предельных скоростях реактивной струи термодинамического контура), увеличивая тягу, будет дополнительно снижать скорость реактивной массы и уменьшать крейсерскую скорость, сужая сферу их применения.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к способу преобразования энергии в силовой установке является способ с использованием радиальной центробежной турбины - струйного двигателя, описанный в статье "Комбинированный силовой агрегат + маховик". Автомобильная промышленность, 1996г. , 11, стр.11,12 и продолжение-1997г., 1, стр17., автор Некрасов В.Г. Вращающий момент на силовом валу ротора струйного двигателя получают за счет реактивной тяги, создаваемой реактивной массой продуктов сгорания, истекающей из струйного устройства, а для получения реактивной массы затрачивают энергию на сжатие атмосферного воздуха в компрессоре и его нагрев в камере сгорания. Однако, как и при использовании темодина-мического цикла Брайтона в других ГТД, кпд силового агрегата в этом способе не может быть высоким.
В качестве прототипа другого варианта способа преобразования энергии в силовой установке используется способ, описанный в статье "АГТД. Конструктивные схемы". Автомобильная промышленность, 1996г., 6, стр. 16-21, автор Некрасов В.Г. В рассматриваемых схемах часть располагаемой энергии реактивной массы, оставшейся после создания момента на силовом валу, утилизируют с помощью теплообменника или газовой турбины с супермаховиком. Применение теплообменника увеличивает массу, а супермаховик требует сложной магнитной подвески ротора или сложной системы смазки подшипников.
Наиболее близкий аналог предлагаемого способа преобразования энергии в струйно-адаптивном двигателе описан в патенте России 2093715 от 20.10.1997г. , авторы Кондрашов Б.М., Саяпин В.В. Струйный двигатель является радиальной центробежной турбиной со 100% реактивностью, создающей момент на валу за счет реактивной массы, истекающей из струйных устройств. Основным преимуществом струйного двигателя при создании мощности, по сравнению с традиционно применяемыми лопаточными турбинами, является во много раз меньший момент инерции ротора, что дает возможность при его использовании получить более динамичную систему. Однако из-за скоростных потерь, составляющих значительную часть от располагаемой энергии реактивного выхлопа его струйных устройств, в качестве которых используют суживающиеся сопла или сопла Лаваля, струйный двигатель имеет низкий кпд. Кроме того, использование этих сопл вызывает потери энергии, связанные с перерасширением или недорасширением рабочего тела при изменении давления перед их критическим сечением, что еще больше снижает кпд и ограничивает сферу его применения.
В дальнейшем изложении под струйно-адаптивным двигателем будем понимать такой двигатель, в котором для достижения оптимальной экономичности при создании мощности в условиях многорежимного применения управляют величиной и термодинамическими характеристиками реактивной массы за счет изменения количества и параметров струйных устройств, задействованных в процессе ее создания, и изменения параметров процесса присоединения дополнительных масс.
В предлагаемом способе преобразования энергии используется термодинамический цикл с подводом тепла при постоянном объеме, который позволяет получить более высокий кпд и удельную мощность ГТД. Реализуют этот цикл в газогенераторах на базе камер периодического сгорания. Наиболее близкий аналог способа преобразования энергии в газогенераторе рассмотрен в работе "Оптимизация фазораспределения в ГТД периодического сгорания". Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1993 г. 10-12. Стр. 44-48. В процессе сгорания в замкнутом объеме камер периодического сгорания в каждом термодинамическом цикле повышается давление и увеличивается располагаемая работа расширения продуктов сгорания. Известные схемы организации процесса сгорания в этих камерах достаточно сложны в связи с необходимостью согласования продолжительности процессов наполнения, сгорания и расширения газа с фазораспределением, т.е. с моментами открытия и закрытия клапанов для обеспечения оптимального кпд газогенератора на различных режимах, а кроме того, они не обеспечивают заданную амплитуду и продолжительность импульсов рабочего тела при изменении частоты термодинамических циклов.
Технической задачей данной группы изобретений является создание эффективных способов преобразования энергии, обеспечивающих высокий кпд при создании мощности на различных режимах работы, расширение функционального назначения и взаимодействия основных элементов, участвующих в термодинамическом цикле ГТД, с целью повышения удельной мощности и экологичности при одновременном выполнении силовой установкой, двигателем и газогенератором дополнительных функций, расширяющих сферы их применения.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи в части одного варианта способа преобразования энергии в силовой установке, заключается в: увеличении мощности на силовом валу за счет организации процесса последовательного присоединения дополнительных масс при одновременном уменьшении затрат энергии на сжатие и нагрев атмосферного воздуха, а также уменьшении потерь на кпд устройств, осуществляющих эти процессы, потерь кинетической энергии реактивного выхлопа и потерь тепла, рассеивающегося с выхлопными газами в атмосфере; оптимизации затрат энергии на различных режимах работы за счет изменения количества и параметров устройств для создания объединенной реактивной массы, тяги и вращающего момента на валу с одновременным дополнительным снижением скоростных и тепловых потерь реактивного выхлопа на конкретном режиме; оптимизации затрат энергии и сохранении экологичности на переходных режимах работы при регулировании мощности за счет изменения периодичности сгорания без изменения количества топлива в термодинамическом цикле и при повышении экономичности на установившемся режиме; уменьшении потерь энергии за счет уменьшения кориолисовых сил; снижении инерционной массы и уменьшении необходимой жаропрочности турбинных лопаток за счет снижения температуры объединенной реактивной массы; увеличении мощности силовой установки при преодолении пиковых нагрузок за счет возможности использования дополнительных автономных источников энергии; утилизации и дополнительном использовании для выполнения полезной работы кинетической энергии объединенной реактивной массы, оставшейся после создания момента на силовом валу; использовании части потенциальной энергии продуктов сгорания, полученной за счет сгорания топлива в замкнутом объеме для сжатия воздуха; упрощении и повышении надежности в работе силовой установки за счет сжатия воздуха в струйном компрессоре; улучшении использования тепловой энергии от сгорания топлива за счет нагрева предварительно сжатого атмосферного воздуха в процессе охлаждения проточного тракта с последующим выполнением полезной работы при расширении; предотвращении рассеивания тепловой энергии от сгорания топлива через теплопроводные элементы конструкции в наружную среду за счет нагрева рабочего тела второго термодинамического контура через теплопроводные стенки основного термодинамического контура; упрощении и повышении надежности в работе силовой установки за счет уменьшения разности скоростей между внутренними и наружными кольцами подшипников силового вала, увеличивающего их ресурс и работоспособность без применения систем принудительной смазки; повышении экономичности и удельной мощности силовой установки, а также получении дополнительных преимуществ при ее компоновке для привода различных видов транспортных средств при применении биротативной турбины с дифференциальной передачей для использования кинетической энергии реактивной струи вращающегося соплового аппарата, остающейся после создания момента на силовом валу струйно-адаптивного двигателя; уменьшении массы воздуха, необходимой для создания реактивной массы, за счет образования замкнутого термодинамического контура и использования отработавших газов в качестве дополнительно присоединяемой массы; повышении качества нейтрализации выхлопных газов за счет увеличения времени контактирования с катализатором отработавших газов и использовании в качестве катализаторов в процессе нейтрализации не редкоземельных и благородных металлов, а широко распространенных недорогих материалов; снижении шумового эффекта при выпуске отработавших газов до нормативных требований без применения дополнительных внешних систем глушения.
Сущность изобретения в части одного варианта способа преобразования энергии в силовой установке заключается в следующем. Способ преобразования энергии в силовой установке, при котором вращающий момент на силовом валу ротора струйного двигателя получают за счет реактивной тяги, создаваемой реактивной массой продуктов сгорания, истекающей по меньшей мере из одного струйного устройства, а для получения реактивной массы затрачивают энергию на сжатие атмосферного воздуха в компрессоре и его нагрев в камере сгорания, причем за счет повышения температуры в процессе сгорания в замкнутом объеме камеры периодического сгорания в каждом термодинамическом цикле в несколько раз, по сравнению с потенциальной энергией топливовоздушной смеси, увеличивают потенциальную энергию продуктов сгорания, которые затем направляют в струйные устройства вращающегося соплового аппарата эжекторного типа, расположенного по меньшей мере на одном уровне внешней части рабочего колеса по меньшей мере одной ступени ротора струйно-адаптивного двигателя силовой установки, для преобразования полученной потенциальной энергии в кинетическую энергию импульса сверхзвуковой реактивной струи, истекающей из струйного устройства в устройство присоединения дополнительных масс этого соплового аппарата и создающей в каждом термодинамическом цикле, вслед за движущейся в этом устройстве со сверхзвуковой скоростью газовой массой продуктов сгорания, разрежение, которое используют для подачи в это же устройство дополнительных газовых масс и осуществления процесса их последовательного присоединения в промежутках между импульсами, в котором эти дополнительные массы ускоряют за счет передачи им части энергии импульсов реактивной струи продуктов сгорания и получают объединенную реактивную массу, создающую реактивную тягу и вращающий момент на валу, при этом пропорционально повышению давления в процессе сгорания и величине коэффициента присоединения дополнительных масс m уменьшают затраты энергии на сжатие воздуха в компрессоре и его нагрев в камере сгорания.
В частных случаях реализации способа
Для получения необходимого момента на валу ротора струйно-адаптивного двигателя управляют силой реактивной тяги, изменяя количество и параметры струйных устройств с устройствами присоединения, за счет подключения через отдельные каналы к каждому устройству или к группам устройств, соответствующих по своим параметрам заданному режиму работы, камер периодического сгорания и источников дополнительных масс для изменения величины и скорости объединенной реактивной массы.
Для получения необходимого момента на валу ротора струйно-адаптивного двигателя управляют силой реактивной тяги, изменяя частоту термодинамических циклов в камерах периодического сгорания и, соответственно, массу и термодинамические характеристики подаваемых в единицу времени продуктов сгорания, параметры процессов присоединения и коэффициенты присоединения дополнительных масс m, задействованных в процессе создания объединенной реактивной массы устройств, для изменения величины и скорости объединенной реактивной массы. При этом в процессе сгорания не изменяют количество топлива в составе топливовоздушной смеси, а на установившемся режиме увеличивают степень сжатия воздуха, обедняя топливовоздушную смесь.
Момент на валу ротора струйно-адаптивного двигателя получают за счет истечения объединенной реактивной массы из вращающегося соплового аппарата по меньшей мере одной ступени ротора и одновременного воздействия объединенной реактивной массой из неподвижного соплового аппарата на лопатки по меньшей мере одной лопаточной ступени этого же ротора.
Одновременно с объединенной реактивной массой, полученной в процессе последовательного присоединения дополнительных масс, для создания момента на силовом валу струйно-адаптивного двигателя используют также реактивную массу, полученную другим способом, например при стационарном истечении рабочего тела из реактивных сопл или полученную в процессе параллельного присоединения дополнительных масс за счет их эжектирования стационарно истекающей реактивной струей.
Воздух сжимают в компрессоре динамического принципа действия за счет части располагаемой кинетической энергии объединенной реактивной массы, остающейся после создания момента на валу струйно-адаптивного двигателя. Эту энергию утилизируют, направляя струю для воздействия на лопатки, по меньшей мере одной турбины, ротор которой кинематически не связан с силовым валом и, преобразуя в кинетическую энергию его вращения, обеспечивают привод компрессора.
Воздух сжимают в компрессоре объемного принципа действия за счет части прироста потенциальной энергии продуктов сгорания, полученного в процессе сгорания топлива в замкнутом объеме камеры периодического сгорания. За счет частичного расширения продуктов сгорания внутри объема камеры сгорания перемещают ее золотниковый клапан и, воздействуя им на поршень компрессора, сжимают пружину, а также воздух, находящийся в объеме перед поршнем, и создают разрежение в объеме за двигающимся поршнем для поступления атмосферного воздуха. В конце этого хода поршня из камеры сгорания выпускают продукты сгорания, а из компрессора - сжатый воздух для их расширения в струйных устройствах, затем золотниковый клапан и поршень компрессора возвращают в первоначальное положение за счет энергии, аккумулированной пружиной. Во время обратного хода поршня сжимают поступивший воздух, который используют для образования топливовоздушной смеси следующего термодинамического цикла.
Воздух сжимают в струйном компрессоре, образуя смесь дополнительных масс воздуха с продуктами сгорания из камеры сгорания, за счет кинетической энергии которых эти дополнительные массы ускоряют и объединяют в одном потоке. При торможении потока получают сжатую газовую смесь для использования при расширении в струйных устройствах и в качестве компонента топливовоздушной смеси с пропорцией окислителя и продуктов сгорания, обеспечивающей сгорание топлива и уменьшение количества окислов азота в продуктах сгорания камер периодического сгорания основного термодинамического контура, а также камеры сгорания струйного компрессора.
В каждом термодинамическом цикле объединенную реактивную массу получают при использовании в процессе последовательного присоединения дополнительных масс энергии одного импульса реактивной струи продуктов сгорания из камеры периодического сгорания и энергии по меньшей мере одного импульса предварительно сжатого атмосферного воздуха или других газов, которые через расчетный промежуток времени направляют вслед за продуктами сгорания для увеличения температуры и потенциальной энергии этих газов перед расширением и одновременного снижения температуры проточного тракта термодинамического контура.
Энергию от сгорания топлива в камерах периодического сгорания основного термодинамического контура используют, направляя по дополнительному - второму термодинамическому контуру, каналы которого расположены параллельно каналам основного контура, рабочее тело из другого источника, например, атмосферный воздух или сжатый воздух, или другие газы, имеющие температуру, близкую к температуре окружающей среды, для контакта с теплопередающей поверхностью стенок термонапряженных элементов конструкции, через которые его нагревают, одновременно охлаждая эти стенки, выполняющие функции нагревателя рабочего тела при постоянном давлении.
Для подачи рабочего тела во второй термодинамический контур используют кинетическую энергию реактивной массы, истекающей из струйных устройств струйно-адаптивного двигателя и создающей разрежение на входе в устройства присоединения дополнительных масс, за счет которого рабочее тело, например атмосферный воздух, поступает в это устройство присоединения для образования объединенной реактивной массы, причем во время движения по радиальным каналам вращающегося ротора его сжимают за счет центробежной силы.
В зависимости от величины коэффициента присоединения в процессе последовательного присоединения дополнительных масс снижают температуру, а также скорость истечения объединенной реактивной массы и скорость вращения ротора струйно-адаптивного двигателя на установившемся режиме до расчетного уровня, при котором обеспечивают необходимое снижение термонапряженности проточного тракта и работоспособность подшипников силового вала без применения системы принудительной смазки.
Подшипники силового вала закрепляют на валу лопаточной турбины, которую используют для утилизации кинетической энергии объединенной реактивной массы, оставшейся после создания момента на валу струйно-адаптивного двигателя, причем эти валы располагают соосно один внутри другого и вращают в одну сторону для уменьшения расчетной скорости вращения подшипников на установившемся режиме за счет уменьшения разности скоростей между их наружными и внутренними кольцами.
Часть располагаемой кинетической энергии объединенной реактивной массы, остающуюся после создания тяги вращающимся сопловым аппаратом предыдущей ступени ротора струйно-адаптивного двигателя, утилизируют, разворачивая струю в направляющем аппарате и направляя на лопатки следующей лопаточной ступени для получения дополнительного момента на валу.
Часть располагаемой кинетической энергии объединенной реактивной массы, остающуюся после создания момента на валу струйно-адаптивного двигателя, утилизируют, при этом струей воздействуют на лопатки ротора первой ступени биротативной турбины, который вращают в противоположную сторону и кинематически связывают с валом ротора струйно-адаптивного двигателя через дифференциальную планетарную передачу с передаточным числом, обеспечивающим расчетное уменьшение окружной скорости лопаток первой ступени биротативной турбины по отношению к окружной скорости вращающегося соплового аппарата струйно-адаптивного двигателя, для увеличения силы воздействия струи на лопатки биротативной турбины и момента на валу ротора ее первой ступени. Этот момент через дифференциальную планетарную передачу суммируют с моментом, создаваемым на валу ротора струйно-адаптивного двигателя. Кроме того, на выходном валу водила этой планетарной передачи располагают, по меньшей мере, одноступенчатый ротор второй ступени биротативной турбины, вращающийся в сторону, противоположную вращению первой ступени. Момент, образованный при воздействии струи на ее лопатки, также суммируют, объединяя через дифференциальную планетарную передачу все три потока мощности в один и обеспечивая оптимальное соотношение увеличения силы воздействия струй на лопатки ступеней биротативной турбины с кпд этих ступеней в зависимости от их скорости вращения, при этом суммарную мощность передают потребителю через один или одновременно несколько выходных валов.
Суммарную мощность, образованную на выходном валу водила дифференциальной планетарной передачи, передают потребителю через редуктор с передаточным числом, обеспечивающим дополнительное увеличение момента на выходном валу и снижение скорости его вращения на установившемся режиме до расчетной величины.
Суммарную мощность, образованную на выходном валу водила дифференциальной планетарной передачи, через центральную шестерню входного вала дополнительной дифференциальной планетарной передачи и ее сателлиты передают на ротор первой ступени дополнительной биротативной турбины, а через вал водила - на закрепленный на нем ротор второй ступени этой турбины. За счет передаточного числа снижают и синхронизируют скорости вращения роторов и увеличивают момент на их валах, а за счет оставшейся кинетической энергии объединенной реактивной массы, истекающей из лопаток второй ступени предыдущей биротативной турбины и воздействующей на лопатки обеих ступеней дополнительной биротативной турбины, создают дополнительный суммарный момент на валах ее роторов. Для передачи мощности потребителю в качестве выходных валов используют один, например, для привода лопастей воздушного винта, однорядного винтовентилятора, или одновременно оба - двухрядного винтовентилятора. При этом кинетическую энергию их вращения преобразуют в кинетическую энергию реактивной струи, создающей реактивную тягу силовой установки как движителя.
При истечении объединенной реактивной массы из последней ступени биротативной турбины, например центробежной, ее направляют по каналам, расположенным внутри лопастей вентилятора или винтовентилятора, закрепленного на выходном валу водила дополнительной дифференциальной передачи, для образования реактивной тяги, при истечении из их периферийной части, и дополнительного вращающего момента.
Объединенную реактивную массу, кинетическую энергию которой использовали для выполнения полезной работы, используют в следующих термодинамических циклах в качестве дополнительных масс. Для этого выхлопной канал силовой установки соединяют с входом устройств присоединения, образуя замкнутый термодинамический контур, в котором под действием разрежения, получаемого за счет кинетической энергии струй, истекающих из струйных устройств в камеры присоединения дополнительных масс, отработавшие в предыдущих циклах газы, движущиеся по выхлопному каналу в наружную среду, поступают в устройства присоединения и образуют объединенную с продуктами сгорания данного цикла реактивную массу. При увеличении суммарной массы отработавших газов в замкнутом термодинамическом контуре за счет продуктов сгорания в наружную среду через выхлопной канал вытесняют их излишки, масса которых от суммарной объединенной реактивной массы термодинамического цикла, создающей момент на силовом валу, составляет часть, равную 1/m, где m - величина коэффициента присоединения дополнительных масс.
За счет кинетической энергии реактивной струи, создающей разрежение на входе в устройство присоединения дополнительных масс, образуют циклически повторяющееся круговое движение отработавших газов в замкнутом термодинамическом контуре, в котором осуществляют их механическую очистку с помощью фильтра и/или нейтрализацию каталитическим нейтрализатором для снижения эмиссии токсичных веществ, при этом за счет повторения циклов прохождения через них отработавших газов улучшают качество очистки и/или повышают эффективность нейтрализации выхлопных газов.
При использовании устройств присоединения дополнительных масс, лопаточных ступеней ротора струйно-адаптивного двигателя и/или лопаточных турбин, выполняющих полезную работу за счет кинетической энергии реактивной массы, истекающей из струйных устройств, а также использовании замкнутого термодинамического контура, постепенно снижают скорость сверхзвуковых импульсов реактивных струй продуктов сгорания до расчетного уровня, обеспечивающего снижение шумового эффекта при выпуске отработавших газов в атмосферу до нормативных требований без применения дополнительных внешних систем глушения.
Мощность на выходном валу силовой установки обеспечивают за счет совместного применения струйно-адаптивного двигателя и по меньшей мере одного двигателя другого принципа действия, например электродвигателя, при этом включают их в работу совместно или автономно.
Мощность на выходном валу силовой установки обеспечивают, используя для получения активной струи, истекающей в процессе последовательного присоединения из струйных устройств соплового аппарата, наряду с продуктами сгорания, сжатый атмосферный воздух, который направляют из пневмоаккумулятора через механическое или пневматическое устройство, обеспечивающее его подачу к критическому сечению реактивных сопл в импульсном режиме.
Мощность струйно-адаптивного двигателя силовой установки регулируют, изменяя частоту импульсов реактивной струи, выполняющей функцию активной в процессе последовательного присоединения дополнительных масс за счет изменения частоты циклов сгорания в камерах периодического сгорания и /или за счет изменения частоты импульсной подачи сжатого воздуха.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи в части другого варианта способа преобразования энергии в силовой установке, заключается в: повышении эффективности использования кинетической энергии реактивной струи, остающейся после образования момента на силовом валу силовой установки, путем ее утилизации, преобразования, накопления и расходования в необходимый момент для выполнения полезной работы; снижении расхода топлива, улучшении экологических характеристик и увеличении мощности силовой установки в моменты пиковых нагрузок за счет использования утилизированной и аккумулированной энергии; использовании удельной мощности аккумулятора кинетической энергии при первоначальном накоплении энергии инерционной массой для обеспечения продолжительной работы силовой установки без сжигания топлива и выхлопов продуктов сгорания; уменьшении затрат энергии в дискретном процессе сжатия атмосферного воздуха в центробежном компрессоре и расходовании сжатого воздуха в заданном режиме при одновременном выполнении ротором компрессора дополнительной функции накопителя и источника энергии для осуществления сжатия; увеличении скорости вращения центробежного компрессора без замены подшипников вала его ротора на более скоростные и без применения систем принудительной смазки при снижении скорости турбины, приводящей его во вращение, и увеличении силы воздействия реактивной струи на ее лопатки; повышении экономичности и экологичности, особенно при городском режиме движения, за счет создания условий для ускорения транспортного средства в начале его движения без затрат энергии на поддержание скорости вращения силового вала на режиме "холостого хода" при уменьшении времени, необходимого для ускорения; уменьшении расхода топлива за счет рекуперации энергии, затраченной при разгоне транспортного средства, ее накоплении инерционной массой, преобразовании и использовании в необходимый момент; уменьшении расхода окислителя для сжигания топлива при работе силовой установки под водой за счет сжатия газов, отработавших в предыдущих циклах, и использования их в качестве дополнительно присоединяемой массы в следующем цикле вместо атмосферного воздуха при создании объединенной реактивной массы в процессе последовательного присоединения при повышенном давлении в термодинамическом контуре; увеличении объема полезной работы, выполняемой за счет потенциальной энергии отработавших газов после их стравливания под давлением из замкнутого термодинамического контура с последующим расширением, выполнением полезной работы и выбросом в наружную среду с меньшим давлением; увеличении ресурса работы под водой за счет использования энергии, накапливаемой инерционной массой для преобразования в электрическую энергию и получения путем гидролиза водорода и кислорода для осуществления термодинамических циклов; снижении токсичности выхлопных газов за счет повышения скорости химических реакций в процессе нейтрализации отработавших газов при повышенном давлении и увеличенном времени контактирования реагентов с катализатором; повышении экологичности, эффективности использования энергии и расширении сфер применения силовой установки за счет одновременной выработки "холода" и мощности на силовом валу без выброса отработавших газов в наружную среду; увеличении момента на силовом валу при одновременном охлаждении присоединяемых масс атмосферного воздуха для использования "холода" потребителями и утилизации оставшейся кинетической энергии объединенной реактивной массы; охлаждении атмосферного воздуха до низких температур, при которых содержащуюся в нем влагу замораживают в виде кристаллов льда и улавливают для дальнейшего использования воды после размораживания.
Сущность изобретения в части другого варианта способа преобразования энергии в силовой установке состоит в следующем: способ преобразования энергии в силовой установке, при котором на силовом валу машины - двигателя создают вращающий момент за счет использования кинетической энергии реактивной массы, истекающей из струйного устройства, а часть располагаемой энергии, оставшейся после создания момента на силовом валу, утилизируют, причем истечение реактивной массы направляют на лопатки ротора лопаточной турбины, который кинематически не связан с силовым валом, и непрерывно преобразуют в кинетическую энергию вращения устройств, кинематически связанных с этой турбиной и обладающих инерционной массой, с помощью которой ее аккумулирует и, при необходимости, преобразуют в электрическую энергию и/или потенциальную энергию сжатого газа с использованием получаемой энергии во время преобразования и/или ее аккумулирования с последующим использованием, при этом с помощью датчиков контролируют допустимый расчетный предел скорости вращения инерционной массы, при превышении которого увеличивают расходование накопленной энергии.
В частных случаях реализации способа
Накопленную инерционной массой утилизированную энергию используют для увеличения мощности на силовом валу сверх мощности, полученной за счет энергии реактивной массы с продуктами сгорания.
Накопленную инерционной массой утилизированную энергию используют при получении мощности на силовом валу и/или обеспечении энергией внешних потребителей для частичной или полной замены энергии, получаемой от сжигания топлива, при которой за счет управления дискретным процессом сгорания топлива одновременно уменьшают или полностью прекращают его сжигание и выброс продуктов сгорания в атмосферу.
При запуске силовой установки первоначальное накопление устройствами, обладающими инерционной массой, кинетической энергии осуществляют, вращая их с помощью электродвигателя за счет внешних источников электроэнергии.
При запуске силовой установки первоначальное накопление устройствами, обладающими инерционной массой, кинетической энергии осуществляют, вращая их за счет кинетической энергии реактивной массы из соплового аппарата, которую направляют на лопатки ротора турбины, кинематически не связанного с силовым валом, и преобразуют в кинетическую энергию вращения инерционной массы, кинематически связанных с ротором устройств.
Используют ротор компрессора, масса которого выбрана из условия одновременного выполнения им функций устройства, обладающего инерционной массой, аккумулирующей кинетическую энергию, и ее дискретного управляемого преобразования в потенциальную энергию, сжимаемых в этом же компрессоре газов. При этом сжатые газы через обратный клапан нагнетают в пневмоаккумулятор до верхнего расчетного уровня давления, при превышении которого одним пнемоклапаном перекрывают доступ газов в компрессор, а через другой выпускают остатки сжатого газа, находящегося в объеме между входом в пневмоаккумулятор и выходом из компрессора, ротор которого после этого вращается вхолостую, не расходуя энергию инерционной массы на сжатие, до тех пор, пока давление не снизится до расчетного уровня, при котором возобновляют подачу газов на вход компрессора.
Увеличивают скорость вращения ротора компрессора по отношению к скорости вращающей его лопаточной турбины за счет кинематической связи между ними через планетарную передачу, снижая окружную скорость лопаток турбины относительно скорости реактивной массы, истекающей из предыдущей ступени ротора струйно-адаптивного двигателя после образования момента на его валу, и увеличивают силу ее воздействия на эти лопатки. Вал компрессора и вал лопаточной турбины располагают один внутри другого и вращают через планетарную передачу в одну сторону. При этом разность скоростей вращения наружных и внутренних колец подшипников вала компрессора уменьшают на величину скорости вращения вала лопаточной турбины, на котором закрепляют эти подшипники.
Используют электрогенератор, масса которого выбрана из условия выполнения им функций устройства, обладающего инерционной массой для аккумулирования кинетической энергии, которую в этом же электрогенераторе, подключая к нему нагрузку, преобразуют в электрическую.
В начале движения транспортного средства величину момента, необходимую для приведения силового вала ротора струйно-адаптивного двигателя его силовой установки из неподвижного состояния во вращение, создают, используя дискретность процессов сгорания топлива и подачи рабочего тела в струйные устройства, для подключения к ним в любое заданное время расчетного количества камер периодического сгорания и других автономных источников энергии, в том числе, образованных за счет энергии, накопленной инерционной массой, и подачи необходимого количества рабочего тела с расчетными термодинамическими характеристиками для образования суммарной реактивной массы, обеспечивающей заданную величину момента на силовом валу, при этом за счет малой инерционности и обратной зависимости величины момента на валу от скорости вращения ротора струйно-адаптивного двигателя уменьшают время, необходимое для ускорения транспортного средства после начала движения.
При заданном снижении скорости или движении под действием внешних сил кинетическую энергию, накопленную массой транспортного средства, преобразуют через его движитель в кинетическую энергию вращения ротора тягового электродвигателя, включенного в генераторный режим, и/или ротора компрессора, в котором сжимают газы и через сопловой аппарат направляют на лопатки турбины для преобразования в кинетическую энергию инерционной массы и ее аккумулирования, и/или сжимают в радиальных каналах ротора струйно-адаптивного двигателя, а при истечении из его вращающегося соплового аппарата воздействуют на лопатки лопаточной турбины для преобразования и накопления энергии.
Работу силовой установки в среде с давлением, превышающим атмосферное, обеспечивают за счет энергии, накопленной инерционной массой, которую используют для привода компрессора, создающего разрежение в области истечения отработавших газов, с одновременным сжатием отработавших газов в выхлопном канале, который соединяют с входом в устройства присоединения дополнительных масс струйно-адаптивного двигателя и образуют замкнутый термодинамический контур, в котором отработавшие в предыдущих циклах газы используют в качестве дополнительных масс, совершающих циклически повторяющийся процесс последовательного присоединения, при повышенном давлении на входе в устройства присоединения, к реактивной массе продуктов сгорания данного цикла, истекающей из струйных устройств, и истечения объединенной реактивной массы в область с пониженным давлением. Для выброса излишков отработавших газов выхлопной канал соединяют с наружной средой через обратный клапан и стравливают через него часть сжатых газов, если давление в канале превышает давление наружной среды.
При работе под водой отработавшие газы, сжатые в выхлопном канале замкнутого термодинамического контура, за счет части кинетической энергии, накопленной инерционной массой по меньшей мере частично стравливают через обратный клапан в пневмоаккумулятор и накапливают в нем до расчетного давления, а при снижении давления за бортом используют в качестве рабочего тела для совершения полезной работы при их расширении с последующим выбросом в наружную среду.
При работе под водой часть энергии инерционной массы преобразуют в электроэнергию для создания момента на силовом валу с помощью электродвигателя, накапливают ее в аккумулирующих устройствах и/или осуществляют гидролиз для частичной замены органического топлива и сжатого воздуха водородом и кислородом и использования части кислорода в системах жизнеобеспечения.
В замкнутом термодинамическом контуре за счет части кинетической энергии, накопленной инерционной массой, образуют циклически повторяющееся круговое движение отработавших газов и при повышенном давлении в выхлопном канале осуществляют их механическую очистку с помощью фильтра и/или нейтрализацию каталитическим нейтрализатором для снижения эмиссии токсичных веществ. За счет повторения циклов прохождения через них отработавших газов улучшают качество их очистки и/или увеличивают время контактирования реагентов с катализатором, чем, наряду с повышенным давлением, повышают эффективность нейтрализации.
Атмосферный воздух сжимают в компрессоре за счет энергии, накопленной инерционной массой, затем аккумулируют в пневмоаккумуляторе, из которого в необходимый момент, напрямую или через теплообменное устройство, направляют в реактивные сопла струйно-адаптивного двигателя, причем, расширяя в соплах, понижают его температуру и направляют для охлаждения элементов силовой установки и/или внешних объектов, а затем по меньшей мере частично возвращают в компрессор для повторного сжатия и сжатый воздух вновь направляют в пневмоаккумулятор, образуя замкнутый холодильный контур, который, наряду с выработкой "холода", используют для создания мощности на силовом валу без выброса отработавших газов в наружную среду.
Сжатый и низкотемпературный воздух из замкнутого холодильного контура используют, например, для образования топливовоздушной смеси или обеспечения внешних потребителей. Израсходованную массу воздуха восполняют из атмосферы, создавая за счет кинетической энергии реактивной струи, образованной при расширении сжатого воздуха из пневмоаккумулятора в реактивных соплах, разрежение на входе устройств присоединения дополнительных масс для втекания атмосферного воздуха, который используют в качестве дополнительно присоединяемой массы в процессе присоединения. При этом создают объединенную реактивную массу, увеличивающую момент на силовом валу, утилизируют часть ее кинетической энергии, оставшейся после создания момента, и затем направляют для использования части "холода" потребителями и/или на вход устройств присоединения дополнительных масс следующей ступени ротора струйно-адаптивного двигателя и/или на вход компрессора.
Воздух, поступающий на вход устройств присоединения дополнительных масс из атмосферы, при периодическом восполнении его количества, израсходованного внешними потребителями из холодильного контура, в процессе присоединения охлаждают до температуры, при которой, во время истечения струй, содержащуюся в нем влагу кристаллизуют, а кристаллы улавливают и концентрируют в объеме, расположенном до входа в компрессор. После прекращения истечения низкотемпературного воздуха кристаллы льда под действием тепла, передаваемого через теплопроводные элементы конструкции термодинамического контура и/или под действием специально нагреваемых элементов, тают, а образовавшуюся воду собирают в емкости.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи в части способа преобразования энергии в струйно-адаптивном двигателе, заключается в: увеличении объединенной реактивной массы, по сравнению с первоначальной массой активной струи и момента на силовом валу, без дополнительных затрат энергии топлива, а также адаптации двигателя к условиям многорежимного применения для достижения оптимальной экономичности за счет управления величиной суммарной реактивной массы и параметрами процесса присоединения дополнительных масс при получении объединенной реактивной массы с расчетными термодинамическими характеристиками; снижении инерционной массы и уменьшении необходимой жаропрочности турбинных лопаток за счет снижения температуры объединенной реактивной массы; увеличении момента на силовом валу за счет одновременного использования неподвижных и вращающихся сопловых аппаратов, а также многоступенчатого ротора; повышении адаптивности за счет использования струйных устройств для образования реактивной струи, выполняющей функцию активной в процессе присоединения дополнительных масс с различными параметрами; в повышении кпд при использовании в качестве струйного устройства в процессе последовательного присоединения дополнительных масс детонационной камеры сгорания; увеличении момента на силовом валу за счет организации процесса параллельного присоединения дополнительных масс в устройстве присоединения; увеличении момента на силовом валу за счет организации процесса последовательного присоединения дополнительных масс в устройстве присоединения; увеличении момента на силовом валу за счет организации процесса последовательного присоединения дополнительных масс в устройстве присоединения, вход которого связан непосредственно с радиальным каналом для подачи присоединяемого рабочего тела; увеличении момента на силовом валу за счет организации процесса последовательного присоединения дополнительных масс в устройстве присоединения и одновременном сокращении в этом процессе затрат энергии основного рабочего тела и потерь за счет использования импульсов, образованных вторым рабочим телом с меньшей потенциальной энергией, для предварительного ускорения присоединяемых масс; увеличении момента на силовом валу за счет организации процесса последовательного присоединения дополнительных масс в устройстве присоединения и одновременном сокращении в этом процессе затрат энергии основного рабочего тела и потерь за счет использования второго рабочего тела с меньшей потенциальной энергией, образующего стационарно истекающую реактивную струю, для предварительного ускорения присоединяемых масс; увеличении момента на силовом валу за счет организации процесса присоединения дополнительных масс при использовании одновременно двух устройств присоединения; автоматической оптимизации затрат основного рабочего тела за счет изменения критического сечения реактивных сопл в зависимости от величины центробежной силы на различных режимах работы; увеличении удельной мощности при использовании воздушных лопастей движителя транспортного средства в качестве ротора и кинетической энергии реактивной струи, оставшейся после создания вращающего момента, для создания тяги, дополнительной к тяге движителя; расширении сферы применения за счет одновременного создания мощности на валу, выполнения функций детандера и воздушной холодильной машины, а также насоса, струйного генератора и центробежного компрессора.
Сущность способа преобразования энергии в струйно-адаптивном двигателе заключается в следующем: в способе, при котором кинетическую энергию реактивной массы, истекающей из струйного устройства, используют для образования вращающего момента на валу ротора струйного двигателя, а для получения реактивной массы в струйном двигателе используют несколько различных по своим термодинамическим характеристикам рабочих тел. За счет основного рабочего тела, обладающего большей потенциальной энергией, в струйном устройстве образуют реактивную струю, которую направляют в устройство присоединения дополнительных масс и используют в качестве активной струи в процессе присоединения дополнительных масс, а другое рабочее тело с меньшей потенциальной энергией, чем основное, направляют на вход этого же устройства для присоединения в качестве дополнительных масс и за счет частичной передачи кинетической энергии активной струи, в процессе присоединения ускоряют его, объединяя оба рабочих тела в одном потоке для создания объединенной реактивной массы. Причем величиной и скоростью объединенной реактивной массы управляют, изменяя количество и параметры струйных устройств и устройств присоединения, участвующих в процессе ее создания, за счет подключения через отдельные каналы источников рабочего тела и изменения термодинамических характеристик рабочих тел, подаваемых к каждому задействованному устройству или к группам устройств, с расчетными параметрами для данного режима работы, а также изменения параметров процессов присоединения дополнительных масс, настраивая струйно-адаптивный двигатель для достижения оптимальной экономичности при выработке суммарного момента на различных режимах работы, тем самым адаптируют его к условиям многорежимного применения.
В частных случаях реализации способа
Полученную в процессе присоединения дополнительных масс объединенную реактивную массу, истекающую, по меньшей мере, из одного устройства присоединения дополнительных масс неподвижного соплового аппарата, направляют на лопатки по меньшей мере одной лопаточной ступени ротора струйно-адаптивного двигателя.
Истечение полученной в процессе присоединения дополнительных масс объединенной реактивной массы осуществляют из устройств присоединения дополнительных масс соплового аппарата, расположенного по меньшей мере на одном уровне внешней части рабочего колеса по меньшей мере одной ступени ротора струйно-адаптивного двигателя для создания реактивной тяги и вращающего момента на валу. При этом основное рабочее тело подают в струйные устройства вращающегося соплового аппарата для создания реактивной струи, выполняющей функцию активной в процессе присоединения дополнительных масс, по радиальным каналам ступени.
Момент на валу струйно-адаптивного двигателя получают за счет одновременного воздействия объединенной реактивной массой из соплового аппарата на лопатки по меньшей мере одной лопаточной ступени и истечения объединенной реактивной массы из вращающегося соплового аппарата по меньшей мере одной ступени этого же ротора струйно-адаптивного двигателя.
Дополнительный момент на валу струйно-адаптивного двигателя с многоступенчатым ротором образуют, направляя струю, истекающую из лопаток или вращающегося соплового аппарата предыдущей ступени, через направляющий аппарат на лопатки следующей лопаточной ступени ротора или на вход устройств присоединения дополнительных масс ступени с вращающимся сопловым аппаратом в качестве дополнительных масс.
Для увеличения момента на валу реактивную струю, истекающую из предыдущей ступени, через направляющий аппарат направляют на лопатки следующей ступени ротора, а после истечения из лопаток направляют на вход устройств присоединения дополнительных масс вращающегося соплового аппарата, закрепленного на этой же ступени ротора вслед за лопатками по направлению истечения струи, в качестве дополнительных масс.
Для образования реактивных струй, используемых в процессах присоединения дополнительных масс в качестве активных, применяют струйные устройства различного принципа действия, например электрореактивные, реактивные сопла, детонационные камеры сгорания, причем реактивную струю из этих устройств направляют непосредственно в устройство присоединения дополнительных масс или через радиальный канал.
Реактивные струи, используемые в качестве активных в процессах присоединения, образуют в детонационных камерах сгорания, в которых продукты сгорания направляют для образования реактивных струй, истекающих навстречу друг другу в точку фокуса сферической части детонационной камеры сгорания, а по параллельным каналам подают сжатую топливовоздушную смесь, реактивную струю которой направляют в эту же точку для столкновения струй, вызывающего локальное повышение температуры и давления и инициирующего автоколебательный процесс детонационного сгорания с образованием высокочастотных детонационных волн, распространяющихся в противоположную сторону от сферической части детонационной камеры сгорания, и с большой кинетической энергией разгоняющих продукты сгорания, причем процесс длится до момента прекращения подачи продуктов сгорания или топливовоздушной смеси, а вновь начинается при возобновлении подачи.
Основное рабочее тело, создающее через струйное устройство стационарно истекающую реактивную струю, направляют в устройство присоединения дополнительных масс, вход которого сообщается с атмосферой или с другим источником дополнительных масс, которые в процессе параллельного присоединения эжсктируют этой реактивной струей, передавая им часть энергии за счет турбулизации и смешения потоков в устройстве присоединения дополнительных масс.
Потенциальную энергию основного рабочего тела в струйном устройстве преобразуют в кинетическую энергию импульсов реактивной струи, истечение которой направляют в устройство присоединения дополнительных масс и создают в нем разрежение, которое сохраняют в течение промежутка времени, необходимого для последовательного втекания за каждым импульсом реактивной струи расчетного количества дополнительных масс, которые в процессе последовательного присоединения ускоряют и образуют объединенную реактивную массу.
Потенциальную энергию основного рабочего тела в струйном устройстве преобразуют в кинетическую энергию импульсов реактивной струи, которую направляют в устройство присоединения дополнительных масс, а по каналу, соединенному непосредственно с входом этого же устройства, подают атмосферный воздух или другое рабочее тело в качестве дополнительных масс и, увеличивая в процессе последовательного присоединения их кинетическую энергию за счет энергии основного рабочего тела, образуют объединенную реактивную массу.
Для получения импульсов реактивной струи, выполняющей функцию активной струи в процессе последовательного присоединения дополнительных масс, используют, по меньшей мере, два различных по своим термодинамическим характеристикам рабочих тела, причем импульсы, образованные рабочим телом с меньшей потенциальной энергией, используют для предварительного ускорения дополнительных масс с целью сокращения потерь за счет уменьшения разности скоростей встречи при последующем их взаимодействии с массой основного рабочего тела, обладающего большей кинетической энергией, а также относительного сокращения затрат его энергии и увеличения скорости объединенной реактивной массы.
Потенциальную энергию основного рабочего тела в струйном устройстве преобразуют в кинетическую энергию импульсов реактивной струи, выполняющей функцию активной струи в процессе последовательного присоединения дополнительных масс. Другое рабочее тело с постоянным давлением и меньшей потенциальной энергией направляют в это же устройство через кольцевое реактивное сопло для образования стационарно истекающей реактивной струи, энергию которой используют в процессе присоединения дополнительных масс, поступающих на вход этого же устройства в промежутках между импульсами активной струи, для создания постоянного разрежения на входе в устройство присоединения и предварительного ускорения дополнительных масс с целью сокращения потерь энергии при последующем их взаимодействии с массой основного рабочего тела за счет уменьшения разности скоростей.
Процесс присоединения дополнительных масс осуществляют последовательно, используя одновременно два устройства присоединения, расположенные одно за другим, при этом реактивная струя, истекающая после процесса присоединения дополнительных масс из первого устройства, выполняет функцию эжектирующей струи в процессе присоединения дополнительных масс во втором устройстве, при этом одновременно с приростом момента за счет увеличения объединенной реактивной массы снижают скорость ее истечения и угловую скорость струйно-адаптивного двигателя до расчетного уровня.
В условиях многорежимного применения при изменении скорости вращения ротора автоматически, за счет изменения центробежной силы, изменяют площадь критического сечения реактивных сопл вращающегося соплового аппарата, настраивая струйно-адаптивный двигатель на расход основного рабочего тела, в соответствии с требуемой величиной момента на заданном режиме, например при ускорении транспортного средства во время начала движения требуется наибольшая мощность на валу, поэтому площадь сечения сопл максимальная, а уменьшают ее, перемещая регулирующий элемент сопл под действием центробежной силы, увеличивающейся по мере набора скорости вращения ротора, до минимальной площади сечения на установившемся режиме.
После создания момента на валу используют оставшуюся часть располагаемой кинетической энергии реактивной массы, управляя направлением ее истечения, для образования тяги, прикладываемой к месту крепления струйно-адаптивного двигателя.
В качестве ротора струйно-адаптивного двигателя используют движитель транспортного средства, например, лопасти воздушного винта или вентилятора, или винтовентилятора, или часть их лопастей, причем расчетную скорость вращения лопастей обеспечивают за счет изменения параметров процесса присоединения и расчетного количества суммарной объединенной реактивной массы и скорости ее истечения, при этом кинетическую энергию, оставшуюся после создания момента на валу, используют, управляя направлением истечения этой реактивной массы для создания дополнительной реактивной тяги к тяге, создаваемой движителем транспортного средства.
Сжатое рабочее тело с температурой, близкой к температуре окружающей среды, расширяют в реактивных соплах и охлаждают в зависимости от степени его сжатия до отрицательных температур ниже -130oС, одновременно используя струйно-адаптивный двигатель для создания момента на валу и выполнения функций детандера, а затем в процессе присоединения дополнительных масс в устройстве присоединения его используют для выполнения функций воздушной холодильной машины с хладагентом - основным рабочим телом, охлаждая дополнительно присоединяемые массы, причем понижают их температуру до расчетной, с возможностью ее регулирования в пределах, зависящих от изменения количества, диапазона термодинамических характеристик основного рабочего тела и коэффициента присоединения дополнительных масс m.
При создании момента на валу струйно-адаптивный двигатель одновременно настраивают на работу в режиме насоса для нагнетания внешних газовых масс за счет кинетической энергии реактивной массы, истекающей из струйных устройств и создающей разрежение на входах устройств присоединения дополнительных масс, а при принудительном вращении силового вала - в режиме центробежного компрессора и струйного генератора для сжатия внешних газов в радиальных каналах ротора и преобразования их потенциальной энергии в реактивных соплах в кинетическую энергию реактивной струи.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи в части способа преобразования энергии в газогенераторе, заключается в: обеспечении во всех термодинамических циклах расчетной продолжительности и амплитуды импульсов при выпуске продуктов сгорания для повышения эффективности процесса последовательного присоединения дополнительных масс в струйно-адаптивном двигателе силовой установки; осуществлении процесса вспрыскивания топлива без какой-либо его синхронизации с управляющими системами и получении давления для вспрыскивания, обеспечивающего качественное распыление топлива; одновременном выполнении газогенератором функций поршневого компрессора, сжатый воздух из которого, наряду с продуктами сгорания, используют для выполнения полезной работы в силовой установке, а также при продувке и образовании топливовоздушной смеси в камере периодического сгорания для обеспечения автономной работы газогенератора; одновременном выполнении газогенератором функций струйного движителя; одновременном выполнении газогенератором функций струйного компрессора, газовую смесь из которого используют для выполнения полезной работы в силовой установке, а также при продувке и образовании топливовоздушной смеси в камере периодического сгорания для обеспечения автономной работы газогенератора.
Сущность способа преобразования энергии в газогенераторе состоит в том, что: в способе преобразования энергии в газогенераторе для выработки рабочего тела, при котором в процессе сгорания топлива в замкнутом объеме камеры периодического сгорания в каждом термодинамическом цикле повышают давление и располагаемую работу расширения продуктов сгорания за счет части полученного прироста потенциальной энергии продуктов сгорания при их частичном расширении в замкнутом объеме камеры периодического сгорания, выполняют работу по перемещению золотникового клапана из исходного положения, в котором почти полностью разжата воздействующая на него пружина и закрыт выхлопной канал, вдоль его оси на расчетное расстояние, во время прохождения которого сжимают пружину, аккумулируя энергию для обеспечения возврата золотникового клапана в исходное положение - обратного хода, и открывают проходные сечения для выпуска продуктов сгорания, после которого под действием сжатой пружины клапан останавливают и начинают обратный ход, во время которого вспрыскивают топливо под давлением и подают сжатый воздух, обеспечивая смешение компонентов топливовоздушной смеси для следующего термодинамического цикла, начинающегося после возврата золотникового клапана в исходное положение и воспламенения топливовоздушной смеси, при этом необходимые термодинамические характеристики и количество продуктов сгорания, вырабатываемое в единицу времени, получают в зависимости от назначения и режимов использования газогенератора за счет: задаваемой периодичности воспламенения топливовоздушной смеси, изменения давления сжатого воздуха для ее образования, изменения объема камеры периодического сгорания при регулируемом заполнении части ее внутреннего объема несгораемой массой, причем, независимо от того, какой(ие) из указанных способов применяют для изменения параметров продуктов сгорания, во всех термодинамических циклах обеспечивают постоянное количество вспрыскиваемого топлива, а также расчетную продолжительность и амплитуду импульсов при их выпуске, величины которых в данном способе преобразования энергии не зависят от изменения частоты термодинамических циклов, что повышает эффективность процесса последовательного присоединения дополнительных масс, в том числе в струйно-адаптивном двигателе, при использовании данного способа для образования активной струи.
В частных случаях реализации способа
За счет энергии продуктов сгорания при их частичном расширении перемещают золотниковый клапан и создают разрежение в объеме, связанном во время его прямого хода через закрытый обратный клапан с проходным сечением для вспрыска топлива, а также с открытым каналом для подачи топлива из топливного бака, из которого в этот объем под действием полученного разрежения втекает расчетное количество топлива, которое в начале перемещения золотникового клапана во время его обратного хода изолируют, перекрывая канал для его подачи, а затем за счет энергии, аккумулированной пружиной, создают давление в этом объеме, открывают под действием давления обратный клапан и вытесняют расчетное количество топлива через проходное сечение для его вспрыска.
Во время выпуска продуктов сгорания из камеры периодического сгорания при снижении их давления до уровня давления воздуха, предназначенного для продувки, начинают его подачу в камеру и продолжают ее во время движения и остановки золотникового клапана после окончания прямого хода, перед началом обратного, а заканчивают во время обратного хода, в начале перемещения золотникового клапана после закрытия им выхлопного канала.
Продувку камеры периодического сгорания осуществляют воздухом, который сжимают поршнем компрессора, приводимым в действие за счет энергии продуктов сгорания при перемещении золотникового клапана во время прямого хода, а сжатие и подачу воздуха в эту камеру для образования топливовоздушной смеси следующего термодинамического цикла производят во время обратного хода тем же поршнем за счет энергии, аккумулированной пружиной.
В конце прямого хода золотникового клапана продукты сгорания, выпускаемые из камеры периодического сгорания, направляют в струйное устройство для образования импульсов реактивной струи, при этом газогенератор одновременно выполняет функции тепловой машины - пульсирующего струйного газогенератора и струйного движителя.
Продукты сгорания переобогащенной топливовоздушной смеси в конце прямого хода золотникового клапана через выхлопной канал направляют в детонационную камеру сгорания для образования сверхзвуковых реактивных струй, которые под углом направляют навстречу друг другу в точку фокуса сферической части детонационной камеры сгорания. Воздух, сжатый поршнем компрессора при перемещении золотникового клапана за счет энергии продуктов сгорания, или сжатый воздух из внешних источников подают в ту же точку для столкновения струй, вызывающего локальное повышение температуры и давления и инициирующего автоколебательный процесс детонационного сгорания с образованием высокочастотных детонационных волн, распространяющихся в противоположную сторону от сферической части камеры, и с большой кинетической энергией разгоняющих продукты сгорания. Этот процесс продолжается до момента прекращения подачи продуктов сгорания или воздуха в конце прямого хода каждого термодинамического цикла и возобновляется с заданной периодичностью воспламенения топливовоздушной смеси в камере периодического сгорания. При этом газогенератор одновременно выполняет функции тепловой машины - пульсирующего струйного газогенератора и струйного движителя.
Импульсы реактивной струй продуктов сгорания из струйного устройства камеры периодического сгорания газогенератора направляют в устройство присоединения дополнительных масс газогенератора, в котором в процессе последовательного присоединения за счет их кинетической энергии ускоряют массу атмосферного воздуха, объединяя ее в потоке между импульсами в расчетной пропорции с продуктами сгорания. До начала торможения потока в диффузоре устройства присоединения дополнительных масс за счет расчетных параметров процесса присоединения обеспечивают снижение скорости объединяемой массы ниже скорости звука и состав газовой смеси, позволяющий использовать ее в качестве компонента топливовоздушной смеси, уменьшающего количество окислов азота в продуктах сгорания. На выходе из диффузора получают сжатое рабочее тело и через обратный клапан направляют его в пневмоаккумулятор для накопления до расчетного уровня, при превышении которого прекращают воспламенение топливовоздушной смеси в камере периодического сгорания газогенератора, а при снижении давления ниже расчетного уровня ее вновь воспламеняют и продолжают процесс.
Рабочее тело из пневмоаккумулятора по каналам через пневмоклапаны направляют для использования во втором термодинамическом контуре силовой установки и/или в качестве компонента топливовоздушной смеси камеры периодического сгорания первого термодинамического контура силовой установки, и/или камеры периодического сгорания газогенератора, и/или для внешнего потребления.
На фиг. 1 изображена конструктивная схема варианта силовой установки на базе струйно-адаптивного двигателя для реализации способа преобразования энергии; на фиг.2, 3 - схемы клапанов камер сгорания установки, изображенной на фиг.1; на фиг.4, разрез А-А по фиг.1; на фиг.5 - разрез Б-Б по фиг.1; на фиг. 6 - узел Д на фиг.1; на фиг. 7 - конструктивная схема силовой установки на базе струйно-адаптивного двигателя для реализации способа преобразования энергии; на фиг.8 - узел А на фиг.7; на фиг.9 - разрез Б-Б по фиг.7; на фиг. 10 - принципиальная схема элемента решетки соплового аппарата эжекторного типа; на фиг. 11-13 - формы реактивных сопл; на фиг.14 - электрореактивное струйное устройство; на фиг.15 - струйной устройство с радиальным каналом для периодической подачи продуктов сгорания; на фиг.16 - детонационная камера сгорания; на фиг.17-22 - формы входа устройства присоединения, на фиг. 23-28 - формы устройства присоединения; на фиг.29 - принципиальная схема поршневого газогенератора для осуществления способа преобразования энергии; на фиг. 30,31 - крайние положения топливного клапана; на фиг.32 - принципиальная схема струйного газогенератора со струйным компрессором.
На чертежах следующие обозначения
Улитка 1 центробежного компрессора-маховика; пневмоклапан 2 для выпуска остатков сжатого воздуха из улитки; обратный клапан 3 пневмоаккумулятора; фильтр и каталитический нейтрализатор 4; промежуточный вал 5 ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; вращающийся сопловой аппарат 6 холодильного контура второй ступени ротора струйно-адаптивного двигателя; пневмоаккумулятор 7; лопатки 8 термодинамического контура второй ступени ротора струйно-адаптивного двигателя; пневмоклапан 9 для подачи сжатого воздуха из пневмоаккумулятора; пневмоклапан 10 заглушка входного патрубка; входной патрубок 11 атмосферного воздуха с воздушным фильтром и заглушкой; струйное устройство 12 вращающегося соплового аппарата термодинамического контура первой ступени струйно-адаптивного двигателя; вращающийся сопловой аппарат 13 холодильного контура первой ступени ротора струйно-адаптивного двигателя; вращающийся сопловой аппарат 14 термодинамического контура ротора струйно-адаптивного двигателя; ротор 75 струйно-адаптивного двигателя; пневмоклапан 16 подачи воздуха во вращающиеся сопловые аппараты первой ступени ротора струйно-адаптивного двигателя; обратный клапан 77 для подачи воздуха; камера 18 периодического сгорания; пружина 19 золотникового клапана; золотниковый клапан 20; обратный клапан 21 для подачи окислителя в камеру периодического сгорания; обратный клапан 22 для стравливания выхлопных газов; выхлопной патрубок 23, пневмоклапан 24 заглушка выхлопного патрубка; первая ступень 25 ротора струйно-адаптивного двигателя; вал 26 первой ступени ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; подшипник 27 вала ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; первая ступень 28 ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; турбинные лопатки 29 холодильного контура первой ступени ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; компрессорные лопатки 30 второй ступени ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; турбинные лопатки 31 термодинамического контура первой ступени ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; лопатки 32 направляющего аппарата компрессора лопаточной турбины-компрессора-маховика; лопатки 33 второй ступени холодильного контура ротора струйно-адаптивного двигателя; компрессорные лопатки 34 первой ступени ротора лопаточной турбины -компрессора-маховика; пневмоклапан 35 подачи холодного воздуха внешним потребителям; турбинные лопатки 36 термодинамического контура второй ступени ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; вторая ступень 37 ротора струйно-адаптивного двигателя; турбинные лопатки 38 второй ступени холодильного контура ротора лопаточной турбины-компрсссора-маховика; вторая ступень 39 ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; подшипники 40 вала ротора центробежного компрессора-маховика; тяговый электродвигатель 41; шестерни 42; силовой вал 43 струйно-адаптивного двигателя; шестерня 44 вала ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; вал 45 второй ступени ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика; вал ротора 46 центробежного компрессора-маховика; ротор 47 электрогенератора; обмотка статора 48 электрогенератора; планетарная передача 49, шестерня 50 вала электрогенератора; ротор 51 центробежного компрессора-маховика.
Лопатки 52 второй ступени биротативной лопаточной турбины; лопатки 53 первой ступени биротативной лопаточной турбины; ротор 54 первой ступени биротативной лопаточной турбины; внутренний объем 55 первой ступени биротативной лопаточной турбины с расположенной в нем дифференциальной планетарной передачей; сателлит 56 дифференциальной планетарной передачи; водило 57 дифференциальной планетарной передачи; центральная шестерня 58 дифференциальной планетарной передачи; ротор 59 второй ступени биротативной лопаточной турбины; центральная шестерня 60 планетарной передачи; водило 61 планетарной передачи; сателлит 62 планетарной передачи.
Реактивные сопла 63, струйное устройство 64 с радиальным каналом для периодической подачи продуктов сгорания; электрореактивные 65 струйные устройства; детонационные камеры 66 сгорания; сферическая часть 67 детонационной камеры сгорания; точка фокуса 68 сферической части детонационной камеры сгорания; реактивные сопла 69 для истечения продуктов сгорания в точку фокуса; вход 70 устройства присоединения для внешних масс; вход 71 устройства присоединения для подачи внешних масс по каналу; кольцевой канал 72 для подачи рабочего тела; кольцевое реактивное сопло 73 кольцевого канала; устройство 74 присоединения дополнительных масс; диффузор 75 устройства присоединения; устройство 76 присоединения без диффузора; устройство 77 присоединения без диффузора с косым срезом; устройство 78 присоединения с диффузором с косым срезом; устройство 79 присоединения с конфузором и диффузором и с косым срезом; устройство 80 присоединения с конфузором и диффузором; двухступенчатое устройство 81 присоединения.
Проходное сечение 82 для вспрыскивания топлива под давлением; поршень 83 компрессора; поршневой компрессор 84; электромагнит 85; обратный клапан 86; обратный клапан 87; площадь торцовой части 88 золотникового клапана; поршневой топливный клапан 89; обратный клапан 90; струйный газогенератор 91.
В предлагаемом варианте способа (конструктивные схемы, поясняющие реализацию способа, изображены на фиг.1-32 в процессе сгорания топлива в замкнутом объеме одной или нескольких камер 18 периодического сгорания (фиг. 1,7), в каждом термодинамическом цикле в несколько раз, в зависимости от степени предварительного сжатия и состава топливовоздушной смеси, увеличивают потенциальную энергию и располагаемую работу расширения продуктов сгорания. Затем через проходные сечения С золотникового клапана 20 (фиг.2,7) по каналам в1, в2 (фиг. 2,3,7) и в3 (фиг.4,7) продукты сгорания направляют в струйные устройства 12 (фиг.1,4,7,9,10) вращающегося соплового аппарата 14 (фиг.1,7,10) эжекторного типа, расположенного на внешней части рабочего колеса ступени 25 (фиг.1) ротора 15 струйно-адаптивного двигателя (фиг.1,7). В струйных устройствах 12 полученный прирост потенциальной энергии преобразуют в дополнительную кинетическую энергию импульса сверхзвуковой реактивной струи продуктов сгорания. Эта струя через вход 71-73 (фиг.17-22) истекает в устройство 76-80 присоединения дополнительных масс (фиг.23-27) соплового аппарата 14 эжекторного типа со сверхзвуковой скоростью и при движении создает вслед за собой разрежение, необходимое для подачи на вход 71-73 дополнительных газовых масс и осуществления процесса последовательного присоединения, в котором эти массы ускоряют за счет передачи им части энергии импульса реактивной струи продуктов сгорания. В результате на выходе из устройства 76-80 получают объединенную реактивную массу, увеличивающую реактивную тягу вращающегося соплового аппарата 14 и вращающий момент на силовом валу 43 (фиг.1,7). В предлагаемом способе используется известное "Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей", диплом 314, открытие - 2.07.1951г., авторы Кудрин О.И., Квасников А. В. , Челомей В.Н. Этот процесс последовательного присоединения дополнительных масс принципиально отличается от эжекционного процесса параллельного присоединения, так как не основан на трении газовых потоков. В связи с этим его кпд и коэффициент m выше. В зависимости от термодинамических характеристик реактивной струи, истекающей из струйных устройств 12, и конструктивных параметров устройства 74 присоединения вращающегося соплового аппарата 14 величина коэффициента m (отношение присоединенной массы к активной массе) достигает 50 и более и обеспечивает практически "холодный" выхлоп. Этот коэффициент в несколько раз превышает аналогичный показатель современных ТРДД со струйными движителями и сравним с величиной коэффициента m турбовинтовентиляторных двигателей, имеющих самый высокий кпд движителя. На режиме набора крейсерской скорости вращения ротора струйно-адаптивного двигателя 75, когда на силовом валу необходимо создавать наибольший вращающий момент, прирост реактивной тяги вращающегося соплового аппарата 14 в результате процесса последовательного присоединения дополнительных масс воздуха без дополнительных затрат энергии достигает 120-140% по отношению к исходной тяге реактивных сопл. Сравнительный анализ параметров процесса преобразования энергии топлива в турбовальных газотурбинных двигателях сопоставимой мощности, при получении и использовании одинакового количества реактивной массы в единицу времени, показывает, что в двигателях, работающих по термодинамическому циклу Брайтона с подводом тепла при постоянном давлении, более 50% от располагаемой энергии составляют потери, обусловленные его термодинамическим несовершенством. Так, для получения реактивной массы затрачивают энергию на механическую работу сжатия в компрессоре всей массы атмосферного воздуха, участвующей в образовании реактивной струи, с потерями на кпд турбокомпрессора, а в процессе непрерывного сгорания, в котором участует вся сжатая масса воздуха, вследствие влияния гидравлических потерь, понижается ее давление. Увеличиваются также потери, возникающие под влиянием сил вязкости, в процессе расширения всей массы сжатого воздуха при образовании реактивной массы. При этом большую часть кинетической энергии реактивной струи вначале используют для привода турбокомпрессора, обеспечивающего непрерывный процесс сжатия воздуха для ее получения, и только потом ее направляют для выполнения полезной работы термодинамического цикла - создания момента на силовом валу одно- или двухступенчатой лопаточной турбины, на которую используют 1/7-1/5 часть располагаемой энергии топлива. После создания момента часть тепловой и кинетической энергии реактивной массы, остающейся не использованной, рассеивается в атмосфере, причем, чем больше степень сжатия и температура нагрева воздуха перед расширением, тем больше доля потерь с выходной скоростью в объеме располагаемой энергии внесенного в двигатель топлива. Для уменьшения этих потерь необходимо применять многоступенчатые роторы и системы рекуперации, что резко увеличивает инерционность и массу турбовальных газотурбинных двигателей и сужает их сферу применения. В термодинамическом цикле предлагаемого способа сжимают расчетную массу воздуха, необходимую только для образования импульсов активной струи, которая в m раз меньше получаемой в результате процесса последовательного присоединения объединенной реактивной массы, создающей тягу. Следовательно, для сжатия меньшей массы до той же степени повышения давления и нагрева требуется в m раз меньше энергии. Кроме того, после воспламенения топливовоздушной смеси в камере периодического сгорания получают прирост давления без затрат энергии на работу механического сжатия, а только за счет организации процесса сгорания и повышения температуры продуктов сгорания в замкнутом объеме. В связи с этим еще в 3-6 раз (в зависимости от состава топливовоздушной смеси) снижают степень предварительного сжатия перед воспламенением топливовоздушной смеси и получением расчетного давления продуктов сгорания и, соответственно, во столько же раз дополнительно снижают затраты энергии, уже уменьшенные в m раз. В результате уменьшения механической работы сжатия в генераторном термодинамическом цикле и увеличения потенциальной энергии продуктов сгорания, которую используют для увеличения кинетической энергии активной струи, выполняющей полезную работу в процессе последовательного присоединения дополнительных масс, повышают кпд силовой установки при создании мощности на силовом валу на величину, пропорциональную разности затрат энергии на сжатие и нагрев воздуха для образования реактивной массы, и на величину потерь на кпд устройств, осуществляющих эти процессы, по сравнению с термодинамическим циклом Брайтона. Причем уменьшают также скоростные потери реактивного выхлопа и потери тепла с выхлопными газами. Кроме того, уменьшая пропорционально увеличению m массу воздуха, сжимаемого в компрессоре, уменьшают необходимую расчетную мощность и массу компрессора, тем самым дополнительно повышают удельную мощность силовой установки на базе струйно-адаптивного двигателя и расширяют возможные сферы ее применения. Например, для эффективного использования не только в различных стационарных системах, но и для привода движителей различных видов транспортных средств или привода мощных мобильных электрогенераторов или других мобильных систем.
Для получения необходимого момента на валу 43 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя управляют силой реактивной тяги. Для этого применяют, например, реактивные сопла 63 (фиг.11-13), или электрореактивные струйные устройства 65 (фиг.14,), или струйное устройство 64 с радиальным каналом для периодической подачи продуктов сгорания (фиг.15), или детонационные камеры сгорания 66 (фиг.16) с устройствами присоединения, изменяя их количество и параметры за счет подключения через отдельные каналы к каждому устройству или к группам устройств, соответствующих по своим параметрам заданному режиму работы, камер 18 периодического сгорания и источников дополнительно присоединяемой газовой массы для изменения величины и скорости объединенной реактивной массы, оптимизируя затраты энергии и снижая скоростные и тепловые потери реактивного выхлопа.
Для получения необходимого момента на валу 43 ротора 75 струйно-адаптивного двигателя управляют силой реактивной тяги, изменяя частоту термодинамических циклов в камерах 18 периодического сгорания и, соответственно, массу и термодинамические характеристики подаваемых в единицу времени к задействованным струйным устройствам 12 продуктов сгорания, параметры процессов присоединения и коэффициенты присоединения дополнительных масс m, задействованных в процессе создания объединенной реактивной массы устройств 76-81 присоединения, для изменения величины и скорости объединенной реактивной массы. При этом в процессе сгорания не изменяют количество топлива в составе топливовоздушной смеси, сохраняя ее расчетный состав и не увеличивая выброс в атмосферу токсичных веществ, в том числе и на переходных режимах, например, резко увеличивая частоту для получения расчетной мощности при необходимости ускорения транспортного средства. Причем на установившемся режиме, когда достигнута заданная скорость, не изменяя количества топлива в термодинамическом цикле, увеличивают степень сжатия воздуха, например, за счет дополнительного сжатия набегающего потока, обедняя при этом топливовоздушную смесь и повышая экономичность.
Момент на валу ротора 15 струйно-адаптивного двигателя получают за счет истечения объединенной реактивной массы из вращающегося соплового аппарата, например 13 ступени 25 ротора и одновременного воздействия объединенной реактивной массой из неподвижного соплового аппарата (не изображен) на лопатки 8 лопаточной ступени 37 этого же ротора. Причем турбинные лопатки и диск рабочего колеса для уменьшения инерционности могут быть выполнены из легкого не жаропрочного материала.
Одновременно с объединенной реактивной массой, полученной в процессе последовательного присоединения дополнительных масс, для создания момента на силовом валу 43 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя используют также реактивную массу, полученную другим способом, например, при подаче сжатого воздуха из пневмоаккумулятора 7 к критическому сечению реактивных сопл 63 вращающегося соплового аппарата 13, расположенного на ступени 25 ротора 15. При этом момент образуют за счет стационарного истечения активной струи в процессе параллельного присоединения дополнительных масс в устройствах 74-80 присоединения вращающихся сопловых аппаратов 13,6 и суммируют с моментом, образованным неподвижным сопловым аппаратом или вращающимся сопловым аппаратом 14. Использование пневмоаккумуляторов 7 и других автономных источников рабочего тела для образования реактивной массы позволяет увеличивать мощность силовой установки при пиковых нагрузках.
Воздух для образования топливовоздушной смеси и использования в других целях, в том числе для внешних потребителей, сжимают, не уменьшая при этом силу тяги и момент на силовом валу 43, а используют для сжатия часть располагаемой энергии реактивного выхлопа вращающегося соплового аппарата 14, остающейся после создания момента на валу 43, утилизируя ее и повышая кпд силовой установки. Для этого струю объединенной реактивной массы направляют на лопатки 31 и 36 первой 28 и второй 39 ступеней лопаточной турбины и преобразуют в кинетическую энергию вращения вала 26 ее ротора, который через вал 5 соединен с валом 45 второй ступени 39 этого же ротора, а вал 45 связан через планетарную передачу 49 с ротором 51 центробежного компрессора (фиг. 1). После сжатия в центробежном компрессоре воздух через улитку 1, клапан 3 пневмоаккумулятора 7 и пневмоклапан 9 по каналу а направляют в камеру 18.
Воздух можно сжимать также за счет использования части прироста давления продуктов сгорания, полученного без затрат энергии на механическое сжатие, а только за счет организации процесса сгорания топливовоздушной смеси с повышением температуры в замкнутом объеме камеры 18 периодического сгорания газогенератора с поршневым компрессором (фиг.29). Для чего под действием давления продуктов сгорания на площадь торцевой поверхности 88 золотникового клапана 20 перемещают этот клапан и, воздействуя им на поршень 83 компрессора 84, сжимают пружину 19. При перемещении поршня 83 сжимают воздух в объеме компрессора 84 для выполнения полезной работы при его расширении в этом же термодинамическом цикле. Например, охлаждают и/или продувают камеру 18 периодического сгорания при совмещении проходных сечений а6 золотникового клапана 20 и а5 корпуса камеры. Одновременно создают разрежение в объеме, образующимся за движущимся поршнем 83, для подачи в него через обратный клапан в 87 атмосферного воздуха. После выпуска продуктов сгорания из камеры 18 через сечение С поршень 83 возвращают в первоначальное положение за счет энергии, аккумулированной пружиной 19, и во время его обратного хода сжимают поступивший через обратный клапан 87 воздух, который через обратный клапан 21 направляют в камеру 18 периодического сгорания для образования топливовоздушной смеси следующего термодинамического цикла.
С целью упрощения и повышения надежности силовой установки воздух можно сжимать также в струйном компрессоре (фиг.32) за счет кинетической энергии продуктов сгорания, истекающих из струйного устройства 12 камеры 18 периодического сгорания газогенератора 91. Для этого присоединяемую массу воздуха ускоряют в устройстве 80 присоединения, а затем объединенную массу сжимают при ее торможении в диффузоре 75, получая сжатую газовую смесь с пропорцией окислителя и продуктов сгорания, которая, при использовании в качестве компонента топливовоздушной смеси, обеспечивает сгорание топлива и уменьшение количества окислов азота в продуктах сгорания. Полученную смесь используют для выполнения работы при ее расширении в этом же термодинамическом цикле или направляют через обратный клапан 3 в пневмоаккумулятор 7, накапливают в нем до расчетного давления и в необходимый момент используют, в том числе подавая через пневмоклапан 9 по каналу а для образования топливовоздушной смеси в камере 18 периодического сгорания термодинамического контура, а также по каналу а7 в камеру 18 струйного компрессора.
Для повышения эффективности использования тепловой энергии, полученной от сгорания топливовоздушной смеси, снижения удельного расхода топлива и термонапряженности камеры 18, каналов в1-в3, в каждом термодинамическом цикле объединенную реактивную массу получают при использовании в процессе последовательного присоединения энергии одного импульса реактивной струи продуктов сгорания из камеры 18 и одного или нескольких импульсов реактивной струи предварительно сжатого (например, за счет утилизированной после создания момента на силовом валу энергии реактивной струи или потенциальной энергии продуктов сгорания при их частичном расширении в объеме камеры 18 газогенератора с поршневым компрессором, или кинетической энергии продуктов сгорания из струйного устройства 12 камеры 18 струйного газогенератора 91 и дополнительно сжатых в радиальных каналах вращающегося ротора 15 струйно-адаптивного двигателя) атмосферного воздуха или других газов, которые через проходное сечение С1 золотникового клапана 20 перед импульсом продуктов сгорания из камеры 18 и/или вслед за ним направляют по тем же каналам в1-в3 и одновременно со снижением их термонапряженности увеличивают тепловую и потенциальную энергию сжатых газов перед расширением, например, в реактивных соплах 63.
Кроме того, тепловую энергию от сгорания топливовоздушной смеси в камере 18, наряду с использованием в основном термодинамическом контуре, предотвращая ее рассеивание через теплопроводные элементы конструкции в наружную среду, используют во втором термодинамическом контуре, который образуют, направляя по параллельным каналам, например а2 теплоизолированным от наружной среды, другое рабочее тело, имеющее температуру, близкую к температуре окружающей среды, с атмосферным давлением или предварительно сжатое, так же, как в предыдущем случае. Это рабочее тело, контактирующее со стенками термонапряженных элементов конструкции, например камеры 18, каналов в1-в3, струйных устройств 12 вращающегося соплового аппарата 14, нагревают через их теплопередающие поверхности и одновременно охлаждают эти элементы, выполняющие по отношению к рабочему телу функции нагревателя при постоянном давлении.
Для подачи рабочего тела во второй термодинамический контур используют кинетическую энергию реактивной массы, истекающей из струйных устройств 12 струйно-адаптивного двигателя 15 и создающей разрежение на входе 70,71 в устройства 74 присоединения, за счет которого рабочее тело поступает в это устройство для образования объединенной реактивной массы.
Причем до поступления в устройство 74 присоединения рабочее тело сжимают в радиальных каналах а2 вращающегося ротора 15 струйно-адаптивного двигателя. Полученную без дополнительных затрат топливовоздушной смеси тепловую энергию используют так же, как и увеличенную потенциальную энергию рабочего тела при его расширении, для увеличения реактивной массы и мощности струйно-адаптивного двигателя на различных режимах работы силовой установки (фиг. 1,7). Например, для уменьшения времени разгона транспортного средства, а на установившемся режиме - для поддержания заданной скорости при минимизации затрат энергии основного термодинамического контура за счет его временного отключения.
Одновременно с увеличением реактивной массы в зависимости от величины коэффициента m в процессе присоединения снижают скорость ее истечения, уменьшая скоростные потери и скорость вращения ротора 15 струйно-адаптивного двигателя на установившемся режиме до расчетного уровня, при котором можно использовать подшипники вала 43 без применения систем принудительной смазки, упрощая конструкцию силовой установки и повышая ее надежность. При необходимости дополнительного снижения расчетной скорости вращения подшипников на установившемся режиме их наружные или внутренние кольца закрепляют, например, на валу лопаточной турбины, предназначенной для утилизации энергии реактивной массы после создания момента на валу, причем оба вала вращают в одну и ту же сторону и располагают на одной оси один внутри другого, уменьшая разность скоростей между наружным и внутренним кольцами подшипников вала 43.
Часть располагаемой кинетической энергии объединенной реактивной массы, остающуюся после создания тяги вращающимся сопловым аппаратом 14 предыдущей ступени ротора 15 струйно-адаптивного двигателя, утилизируют, разворачивая струю в направляющем аппарате или в лопатках 31 ступени 28 и направляя на лопатки 8, следующей по ходу истечения струи, лопаточной ступени 37 ротора струйно-адаптивного двигателя 15 для воздействия на них и получения дополнительного момента на валу 43.
Для повышения эффективности использования располагаемой кинетической энергии реактивной массы, оставшейся после создания силы тяги вращающимся сопловым аппаратом 14 и вращающего момента на валу 43 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя (фиг.7), струю направляют непосредственно на лопатки 53 первой ступени 54 биротативной турбины, а ее ротор кинематически связывают с валом 43 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя через расположенную в объеме 55 дифференциальную планетарную передачу с передаточным числом, обеспечивающим расчетное уменьшение скорости вращения первой ступени 54 биротативной турбины и, соответственно, окружной скорости ее лопаток 53, вращающихся в сторону, противоположную направлению вращения вращающегося соплового аппарата 14 ротора 75 струйно-адаптивного двигателя. За счет уменьшения разности этих скоростей и увеличения скорости реактивной массы относительно лопаток 53 увеличивают силу ее воздействия на эти лопатки и вращающий момент на валу первой ступени 54 биротативной турбины. Этот момент через сателлиты 56 и центральную шестерню 58 суммируют с моментом, создаваемым на валу 43 за счет реактивной тяги вращающегося соплового аппарата 14. Вал водила 57 первой ступени 54 биротативной турбины связывают с ротором ее второй ступени 59, вращающейся в противоположную сторону. Момент, образованный ступенью 59 при воздействии струи на ее лопатки 52 на валу водила 57, также суммируют, объединяя через дифференциальную планетарную передачу все три потока мощности в один и обеспечивая оптимальное соотношение увеличения силы воздействия струи на лопатки 53,52 ступеней 54,59 биротативной турбины с кпд этих ступеней, в зависимости от скорости их вращения. Полученную суммарную мощность, в зависимости от конкретной конструкции, можно передавать потребителю одновременно через несколько или через любой из трех валов.
Для сохранения высокого кпд биротативной турбины и получения расчетной скорости вращения и момента на выходном валу силовой установки, необходимых непосредственно для привода движителей транспортных средств, суммарную мощность, образованную на выходном валу водила 57, передают потребителю через редуктор, например, еще одну планетарную передачу, расположенную с биротативной турбиной и ротором 15 струйно-адаптивного двигателя в общем объеме корпуса силовой установки (фиг.7). Для этого вал водила 57 через центральную шестерню 60 и сателлиты 62 соединяют с водилом 61. Конструкцию с такой компоновкой можно разместить, например, в объеме, не превышающем объем внутреннего пространства диска колеса транспортного средства, и без дополнительной трансмиссии передавать мощность для его привода, в том числе для реверса.
Наряду с увеличением момента на выходном валу при применении дополнительной передачи, используют также оставшуюся после истечения из лопаток 52 второй ступени 59 биротативной турбины часть располагаемой кинетической энергии реактивной массы. Для этого суммарную мощность, образованную на выходном валу водила 57 дифференциальной планетарной передачи, через центральную шестерню 60 входного вала и сателлиты 62 передают на ротор первой ступени дополнительной биротативной турбины с дополнительной дифференциальной планетарной передачей (не изображены), а через вал ее водила - на закрепленный на нем ротор второй ступени этой турбины. За счет передаточного числа дополнительной дифференциальной планетарной передачи снижают и синхронизируют скорости вращения роторов и увеличивают момент на их валах, а за счет оставшейся кинетической энергии реактивной массы, истекающей из лопаток 52 второй ступени 59 предыдущей биротативной турбины и воздействующей на лопатки обеих ступеней дополнительной биротативной турбины, создают дополнительный суммарный момент на валах ее роторов. Для передачи мощности потребителю используют один вал в качестве выходного для лопастей воздушного винта или однорядного винтовентилятора, или используют одновременно оба вала с разделением мощности для привода двухрядного винтоветилятора, преобразующего кинетическую энергию вращения в кинетическую энергию реактивной струи, создающей реактивную тягу силовой установки как движителя.
Реактивную массу, истекающую из последней ступени биротативной турбины, направляют по каналам, расположенным внутри лопастей вентилятора или винтовентилятора, закрепленного на выходном валу водила дополнительной дифференциальной передачи, для истечения из периферийной части лопастей и образования реактивной тяги, и дополнительного момента на валу.
В результате применения биротативной турбины с дифференциальной планетарной передачей для использования кинетической энергии реактивной струи вращающегося соплового аппарата, остающейся после образования момента на силовом валу струйно-адаптивного двигателя, повышают экономичность и удельную мощность силовой установки, а также получают дополнительные преимущества при ее компоновке и использовании для привода различных движителей транспортных средств.
Объединенную реактивную массу, кинетическую энергию которой использовали для выполнения полезной работы, используют в следующих термодинамических циклах в качестве дополнительно присоединяемой массы. Для этого выхлопной канал в5 (фиг.1) силовой установки через пневмоклапан 10 соединяют с входами 70,71 устройств 74 присоединения дополнительных масс вращающегося соплового аппарата 14 (фиг. 1,10) и образуют замкнутый термодинамический контур. Под действием разрежения, получаемого за счет кинетической энергии струи, истекающей из струйных устройств 12, например, в устройства 78 присоединения дополнительных масс (фиг.25), движущиеся по выхлопному каналу в5 при открытом пневмоклапане 24 (фиг.1) в наружную среду отработавшие газы поступают в устройства 78 присоединения для образования реактивной массы, объединяемой в данном цикле с продуктами сгорания. При увеличении суммарной массы отработавших газов в замкнутом термодинамическом контуре за счет количества продуктов сгорания, в наружную среду из выхлопного канала в5 через открытый пневмоклапан 24 вытесняют их излишки, масса которых составляет от суммарной объединенной реактивной массы термодинамического цикла, создающей момент на силовом валу, часть, равную 1/m, где m - величина коэффициента присоединения дополнительных масс.
Таким образом, по сравнению с ГТД с термодинамическим циклом при постоянном давлении, наряду с уменьшением затрат энергии на сжатие и подогрев атмосферного воздуха, при создании адекватной мощности требуется в m раз меньшее количество атмосферного воздуха.
При этом в замкнутом термодинамическом контуре за счет кинетической энергии реактивной струи, создающей разрежение на входах 70,77 устройств присоединения дополнительных масс 69, образуют циклически повторяющееся круговое движение отработавших газов. На их пути в выхлопном канале в5 устанавливают фильтр для механической очистки и каталитический нейтрализатор 4 для снижения эмиссии токсичных веществ. За счет увеличения количества циклов улучшают качество очистки выхлопных газов и повышают эффективность их нейтрализации. Кроме того, увеличение времени контактирования реагентов позволяет использовать в качестве катализаторов не редкоземельные и благородные металлы, а менее дорогие элементы.
При использовании устройств 76-81 присоединения дополнительных масс (фиг. 23-28), лопаточных ступеней 37 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя и/или биротативных и других лопаточных турбин, выполняющих полезную работу за счет кинетической энергии реактивной массы, истекающей из струйных устройств 12 при выпуске отработавших газов по выхлопному каналу в5 через открытый пневмоклапан 24 в атмосферу, постепенно снижают скорость сверхзвуковых импульсов реактивных струй продуктов сгорания до расчетного уровня, обеспечивающего снижение шумового эффекта до нормативных требований без применения дополнительных внешних систем глушения.
Необходимую мощность на выходном валу 43 силовой установки получают за счет совместного применения струйно-адаптивного двигателя и двигателя другого принципа действия, например электродвигателя 41, при этом включают их в работу совместно или автономно.
Необходимую мощность на выходном валу 43 силовой установки получают, используя для образования активной струи, истекающей в процессе последовательного присоединения из струйных устройств 12 соплового аппарата 14, наряду с продуктами сгорания из камеры 18 периодического сгорания, сжатый атмосферный воздух, который направляют из пневмоаккумулятора 7 через механическое или пневматическое устройство (не изображены), обеспечивающее его подачу к критическому сечению реактивных сопл в импульсном режиме.
Мощность струйно-адаптивного двигателя 15 силовой установки (фиг.1) регулируют, изменяя частоту импульсов реактивной струи, выполняющей функцию активной в процессе последовательного присоединения дополнительных масс, за счет изменения частоты циклов сгорания в камерах 18 периодического сгорания и изменения частоты импульсной подачи сжатого воздуха.
После создания момента на валу 43 часть энергии реактивной массы утилизируют, направляя струю на лопатки 31,29,36,38 ступеней 28,39 ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика (фиг.1), не связанной с валом 43, и накапливают в виде кинетической энергии вращения ступеней 28,39 ее ротора, а также шестерней планетарной передачи 49, ротора 51 центробежного компрессора-маховика, шестерней 44,50 и ротора 47 электрогенератора, обладающих инерционной массой. Накапливаемую инерционной массой этих устройств энергию преобразуют в электрическую, подключая нагрузку к обмотке 48 ротора 47 электрогенератора, который через шестерни 50 и 44 связан с валом 45 ступени 39. Эту энергию преобразуют также в потенциальную энергию сжатого газа, подавая для сжатия на вход ротора 51 центробежного компрессора-маховика при открытых пневмоклапанах 9 и/или 16 по каналам а и а3 через вращающиеся сопловые аппараты 13 и 6, лопатки 29,33,38 и объем Х атмосферный воздух. Сжатый воздух так же, как и электроэнергию используют для выполнения полезной работы, а также для обеспечения внешних потребителей непосредственно в момент ее выработки и/или накапливают, соответственно, в пневмоаккумуляторе 7 и/или электроаккумуляторах. При этом допустимые расчетные пределы скорости вращения роторов 28,39,51 контролируют датчиками и поддерживают, увеличивая при превышении допустимых пределов объем расходования энергии, накопленной инерционной массой, путем ее преобразования, тем самым снижая обороты до расчетного уровня.
Накопленную энергию дополнительных источников используют автономно и совместно с энергией, накопленной инерционной массой, преобразуя ее, когда необходима дополнительная мощность на валу 43 сверх мощности, получаемой за счет кинетической энергии реактивной массы, содержащей продукты сгорания и истекающей из неподвижного соплового аппарата и/или вращающегося соплового аппарата 14 основного термодинамического контура. Используют ее также для частичной замены энергии, получаемой от сжигания топлива в камерах 18 периодического сгорания или для полной замены, при которой за счет управления дискретным процессом сгорания топлива уменьшают или полностью прекращают сжигание топлива и выброс продуктов сгорания в атмосферу.
Таким образом, за счет утилизации кинетической энергии реактивной струи, остающейся после создания момента на силовом валу 43 и ее дополнительного преобразования, снижают расход топлива и, заменяя его энергию на утилизированную, повышают кпд и улучшают экологические характеристики силовой установки, а также увеличивают ее мощность в моменты пиковых нагрузок.
При запуске силовой установки первоначальное накопление инерционной массой кинетической энергии до расчетного уровня осуществляют, вращая ступени 28,39 ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика (фиг.1,4) и ротор 51 центробежного компрессора-маховика с помощью подключения обмотки 48 электрогенератора, включаемого в режим электродвигателя, к внешним источникам электроэнергии. Полученный момент передают через шестерни 50,44 на вал 45,5,26 ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика и через планетарную передачу 49 на вал 46 ротора 51 центробежного компрессора-маховика При отсутствии внешних источников электроэнергии первоначальное накопление осуществляют за счет кинетической энергии реактивной массы из неподвижного соплового аппарата и/или вращающегося соплового аппарата 14 ротора 75 струйно-адаптивного двигателя. Эту струю направляют на лопатки 31,36 и преобразуют в кинетическую энергию всех устройств, обладающих инерционной массой. При этом, в зависимости от расчетной величины инерционной массы и скорости ее вращения, набранной при запуске, можно накапливать количество энергии, превышающее, например, запас энергии электромобиля сопоставимой грузоподъемности для его пробега без подзарядки электроаккумуляторов, причем удельная мощность инерционной массы, как накопителя энергии, в десятки раз выше.
Массу ротора 51 центробежного компрессора-маховика выбирают из условия выполнения им функций устройства, обладающего инерционной массой, аккумулирующей кинетическую энергию, что позволяет повысить эффективность конструкции компрессора и упростить технологию его производства из-за отсутствия ограничений по массе. Часть энергии инерционной массы ротора 51 используют в этом же компрессоре для преобразования в потенциальную энергию сжатого воздуха. После сжатия воздух через обратный клапан 3 нагнетают в пневмоаккумулятор 7, который используют в качестве источника сжатого воздуха с управляемым распределением и расходованием. Накапливают воздух в пневмоаккумуляторе 7 до верхнего расчетного уровня давления, контролируемого датчиком, при превышении которого пневмоклапаном 16 перекрывают доступ атмосферного воздуха, поступающего по каналу а3 через устройство 74 присоединения вращающегося соплового аппарата 13, лопатки 29,33,38, объем Х на вход ротора 51 центробежного компрессора. В это же время через пневмоклапан 2 выпускают остатки сжатого воздуха из улитки 1. При этом ротор 51 центробежного компрессора-маховика продолжает вращаться вхолостую, не расходуя энергию инерционной массы на сжатие. В процессе расходования сжатого воздуха через пневмоклапан 9, при снижении давления в пневмоаккумуляторе 7 ниже расчетного уровня, открывают пневмоклапан 16 для подачи атмосферного воздуха на вход ротора 51 центробежного компрессора-маховика и только тогда продолжают процесс сжатия до прекращения подачи воздуха при следующем превышении расчетного уровня давления в пневмоаккумуляторе 7. В результате дискретного процесса сжатия эффективно расходуют энергию инерционной массы, обеспечивая расход сжатого воздуха в заданном режиме, например, для образования топливовоздушной смеси при периодическом включении расчетного количества камер сгорания 18, и/или использовании во втором термодинамическом контуре в качестве рабочего тела и/или при использовании внешними потребителями. При этом объем потребления сжатого воздуха может изменяться от минимально необходимого до максимального, ограниченного производительностью центробежного компрессора-маховика.
Для повышения эффективности процесса утилизации кинетической энергии реактивной массы, остающейся после создания вращающего момента на валу 43, а также процесса ее накопления инерционной массой, за счет планетарной передачи 49 скорость вращения ступеней 28,39 ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика (фиг.1) уменьшают относительно скорости вращения инерционной массы ротора 51 центробежного компрессора-маховика.
Увеличивая скорость вращения ротора 51 центробежного компрессора-маховика, повышают кпд компрессора, а также эффективность его, как накопителя энергии, с одновременным увеличением скорости реактивной массы относительно окружной скорости лопаток 31,36 и силы воздействия массы на эти лопатки для повышения кпд процесса утилизации. При этом вал 45 лопаточной турбины-компрессора-маховика располагают внутри вала 46 ротора 51 центробежного компрессора-маховика и оба вала вращают через планетарную передачу 49 в одну сторону, причем разность между скоростями вращения наружного и внутреннего колец подшипников 40 вала 46 ротора 51 центробежного компрессора-маховика уменьшают на величину скорости вращения вала 45, на котором закреплены эти подшипники, и, несмотря на большую скорость вращения ротора 51 компрессора, используют подшипники 40 с теми же предельными скоростями вращения, что и подшипники 27, и также без систем принудительной смазки, уменьшая тем самым массу силовой установки и упрощая ее конструкцию и эксплуатацию.
Массу ротора 47 электрогенератора выбирают из условия выполнения им функций устройства, обладающего инерционной массой для аккумулирования кинетической энергии, которую в этом же электрогенераторе преобразуют в электрическую для использования тяговым электродвигателем 41, который через шестерни 42 передает момент на вал 43, а также для обеспечения других потребителей электроэнергии, в том числе внешних, и/или для аккумулирования и использования в необходимый момент.
После временной остановки движителя, или при движении транспортного средства по инерции, или заданном снижении скорости энергию на принудительное вращение вала 43 без совершения полезной работы не тратят, исключая тем самым режим "холостого хода". В начале движения транспортного средства, необходимый для приведения силового вала 43 из неподвижного состояния во вращение момент создают, используя дискретность процессов сгорания топлива и подачи рабочего тела в струйные устройства 12 для подключения к ним в любое заданное время расчетного количества камер 18 периодического сгорания и других автономных источников энергии, в том числе, образованных за счет энергии, накопленной инерционной массой, и подачи необходимого количества рабочего тела с расчетными термодинамическими характеристиками для образования суммарной реактивной массы, истекающей из задействованных струйных устройств 12 и устройств 74 присоединения вращающегося соплового аппарата 14, обеспечивающей заданную величину момента на силовом валу 43. При этом за счет малой инерционности и обратной зависимости величины момента на валу 43 от скорости вращения ротора 15 струйно-адаптивного двигателя уменьшают время, необходимое для ускорения транспортного средства после начала движения. Таким образом, дополнительно повышают экономичность и экологичность транспортного средства, особенно при городском режиме движения.
Кроме того, при заданном снижении скорости или движении под действием внешних сил кинетическую энергию, накопленную массой транспортного средства, преобразуют через его движитель в кинетическую энергию ротора тягового электродвигателя 41, включенного в генераторный режим, и/или ротора компрессора (не изображен), в котором газы сжимают и через неподвижный сопловой аппарат направляют на лопатки 29,31 и 38,36 ступеней 28,39 для преобразования в кинетическую энергию инерционной массы и/или через вал 43 в энергию вращения ротора 15 струйно-адаптивного двигателя, в радиальных каналах которого газы сжимают, а реактивную массу из его вращающихся сопловых аппаратов 14,13,6 также направляют для преобразования энергии, ее накопления инерционной массой и использования, при соответствующем уменьшении расхода топливовоздушной смеси.
Работу силовой установки в окружающей среде с давлением, превышающим атмосферное, например под водой, обеспечивают используя энергию, накопленную инерционной массой ступеней 28,39 ротора лопаточной турбины-компрессора-маховика и ротора 51 центробежного компрессора, для одновременного создания разрежения в объеме в6 выхлопного канала в5, расположенного до компрессорных лопаток 34, в который истекает реактивная масса из вращающегося соплового аппарата 14, и сжатия отработавших газов за счет энергии инерционной массы в части выхлопного канала в5, расположенной за компрессорными лопатками 34,30. Для этого входы 70-73 устройств 74-80 присоединения вращающегося соплового аппарата 14 через компрессорные лопатки 34,30 пневмоклапаном 10 соединяют с объемом в6, образуя замкнутый термодинамический контур. В этом контуре отработавшие в предыдущих циклах газы используют в качестве присоединяемой массы, совершающей циклически повторяющийся процесс последовательного присоединения, при их повышенном давлении на входе в устройства присоединения вращающегося соплового аппарата 14, к реактивной массе, истекающей из струйного устройства 12 и состоящей из продуктов сгорания данного цикла, и обеспечивают истечение объединенной реактивной массы в объем в6 с пониженным давлением, дополнительно увеличивая тягу вращающегося соплового аппарата 14 и момент на валу 43 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя. Для выброса излишков отработавших газов выхлопной канал в5 соединяют с наружной средой через обратный клапан 22 и стравливают через него часть сжатых газов после того, как давление, создаваемое за компрессорными лопатками 34,30, превысит давление наружной среды, а заканчивают стравливание при его выравнивании с давлением наружной среды. В связи с тем, что масса продуктов сгорания, необходимая для образования импульсов активной струи в процессе последовательного присоединения дополнительных масс, меньше на величину коэффициента m, чем объединенная реактивная масса, создающая момент на силовом валу 43, фактический расход воздуха или другого окислителя уменьшается, по сравнению с турбовальными ГТД с термодинамическим циклом при постоянном давлении (при равном расходе реактивных масс в единицу времени и равной мощности), пропорционально увеличению коэффициента m, и соответствует расходу поршневого двигателя внутреннего сгорания значительно меньшей мощности. Таким образом, при давлении за бортом, не превышающим максимальное давление, создаваемое компрессором за счет энергии инерционной массы, как предварительно накопленной, например, за счет внешних источников энергии, так и накапливаемой во время рабочего режима струйно-адаптивного двигателя, можно сжигать топливо при работе под водой и затрачивать на выполнение одного и того же объема работы значительно меньшее количество окислителя.
После сжатия отработавших газов в выхлопном канале в5 замкнутого термодинамического контура, их можно направлять через регулируемый обратный клапан в ресивер (не изображены), накапливать в нем до расчетного давления, а при снижении давления за бортом в необходимый момент использовать в качестве рабочего тела для совершения полезной работы, например, расширения в струйных устройствах 12 с последующим выбросом в наружную среду.
При работе под водой часть энергии инерционной массы преобразуют в электрическую и используют для создания электродвигателем 41 момента на силовом валу 43, и/или аккумулируют, и/или осуществляют гидролиз для частичной замены органического топлива и сжатого воздуха на водород и кислород и использования части кислорода в системах жизнеобеспечения.
В замкнутом термодинамическом контуре за счет части кинетической энергии, накопленной инерционной массой, образуют циклически повторяющееся круговое движение отработавших газов и осуществляют их механическую очистку с помощью фильтра и нейтрализацию каталитическим нейтрализатором 4 для снижения эмиссии токсичных веществ в выбросе. Для этого лопатками 34,31 ступеней 39,28 сжимают отработавшие газы, повышая давление в выхлопном канале в5, под действием которого они поступают на вход, например, 73 устройств 78 присоединения неподвижного соплового аппарата или вращающегося соплового аппарата 14 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя. За счет повторения циклов прохождения через фильтр и нейтрализатор 4 отработавших газов улучшают качество механической очистки, а также увеличивают время контактирования реагентов с катализатором, чем, наряду с повышенным давлением, повышают скорость химических реакций и эффективность нейтрализации.
Энергию, накопленную инерционной массой, используют для выработки "холода" и создания мощности на силовом валу без выброса отработавших газов в окружающую среду, например, при работе под водой. Для этого атмосферный воздух предварительно сжимают в роторе 51 центробежного компрессора-маховика и затем аккумулируют в пневмоаккумуляторе 7. В необходимый момент, напрямую или через теплообменное устройство (не изображено), сжатый воздух из пневмоаккумулятора 7 направляют в реактивные сопла 63 струйно-адаптивного двигателя 15, расширяя в соплах, создают реактивную струю, момент на валу 43 и понижают температуру воздуха, который затем используют для охлаждения элементов силовой установки или направляют через пневмоклапан 35 для охлаждения внешних объектов, после чего, по меньшей мере, частично возвращают в ротор 51 компрессора для повторного сжатия и вновь направляют в пневмоаккумулятор 7, образуя замкнутый холодильный контур.
Израсходованную массу воздуха восполняют из атмосферы, создавая за счет кинетической энергии реактивной струи, образованной при расширении сжатого воздуха из пневмоаккумулятора 7 в реактивных соплах 63, разрежение, например, на входе 70 устройств 77 присоединения дополнительных масс для втекания атмосферного воздуха, который используют в качестве дополнительно присоединяемой массы в процессе присоединения. В результате этого процесса создают объединенную реактивную массу, увеличивающую момент на силовом валу 43, и утилизируют часть ее кинетической энергии, оставшейся после создания момента, а после процесса утилизации направляют для использования части "холода" потребителями и/или на входы устройств 70-73 присоединения следующей ступени 37 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя и затем на вход ротора 51 компрессора для повторного сжатия.
Атмосферный воздух, поступающий на входы 70-71 устройства 74 присоединения вращающихся сопловых аппаратов 13,6, при периодическом восполнении воздуха, израсходованного из холодильного контура, в процессе присоединения охлаждают до температуры, при которой во время истечения низкотемпературных струй, содержащуюся в воздухе влагу, замораживают в виде кристаллов льда и улавливают, концентрируя в объеме X, расположенном до входа в ротор 51 центробежного компрессора-маховика. Когда пневмоклапанами 9 и 16 перекрывают доступ воздуха, прекращается истечение низкотемпературного воздуха, и кристаллы льда под действием тепла, передаваемого через теплопроводные элементы конструкции термодинамического контура и/или под действием специально нагреваемых элементов, тают, а образовавшуюся воду направляют в емкость для использования в полевых условиях или электролиза на борту транспортного средства, также осуществляемого за счет энергии, накапливаемой инерционной массой.
Для получения реактивной массы, создающей вращающий момент на силовом валу 43 ротора 51 струйно-адаптивного двигателя (фиг.1,7) используют несколько различных по своим термодинамическим характеристикам рабочих тел. За счет основного, обладающего большей потенциальной энергией, например, из камеры 18 периодического сгорания или пневмоаккумулятора 7, через струйное устройство 12 образуют реактивную струю, истекающую, например, через вход 70 в устройство 74 присоединения. Другое рабочее тело, например атмосферный воздух, направляют также на вход 70 устройства 74 присоединения. В этом устройстве, за счет частичной передачи кинетической энергии реактивной струи основного рабочего тела, выполняющей в процессе присоединения дополнительных масс функцию активной струи, увеличивают кинетическую энергию дополнительных масс присоединяемого рабочего тела, ускоряя его и объединяя затем оба рабочих тела в одном потоке. В результате этого процесса в зависимости от способа присоединения, термодинамических характеристик рабочих тел и геометрических параметров устройств 74 присоединения увеличивается величина объединенной реактивной массы, по сравнению с первоначальной массой активной реактивной струи и момент на валу 43 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя без дополнительных затрат энергии топлива. При этом величиной и скоростью объединенной реактивной массы управляют, изменяя количество и параметры струйных устройств 12 и устройств 74 присоединения, участвующих в процессе ее создания, за счет подключения через отдельные каналы в1,в2,в3,в4 источников рабочего тела и изменения термодинамических характеристик рабочих тел, подаваемых из этих источников к каждому задействованному устройству или к группам устройств, с расчетными параметрами для данного режима работы, а также изменения параметров процессов присоединения дополнительных масс, настраивая струйно-адаптивный двигатель для достижения оптимальной экономичности при выработке суммарного момента на различных режимах работы, тем самым адаптируют его к условиям многорежимного применения. Например, в начале движения транспортного средства, когда необходимо резко увеличивать мощность, для создания объединенной реактивной массы подключают большее количество струйных устройств и получают большую суммарную объединенную реактивную массу с меньшей скоростью истечения, чем на режимах движения, при которых уменьшают суммарную объединенную реактивную массу и увеличивают ее скорость, поскольку для преодоления сопротивления на установившемся режиме движения транспортного средства требуется незначительно ускорить или поддержать достигнутую скорость движения. На режимах с заданным постоянным расходом энергии для адаптации струйно-адаптивного двигателя к изменению нагрузки используют характер зависимости величины момента от скорости вращения ротора, получая максимальный момент при скорости вращения ротора, равной нулю с автоматическим уменьшением его, по мере возрастания скорости вращения ротора, пропорционально уменьшению разности скоростей истечения реактивной массы и окружной скорости. Например, когда при увеличении сопротивления движению и постоянном расходе энергии для выработки мощности на валу 43 уменьшается скорость наземного транспортного средства и, соответственно, скорость вращения ротора 15 струйно-адаптивного двигателя, связанного с его движителем, одновременно автоматически (без изменения передаточных чисел для передачи мощности движителю и перебоев в работе) увеличивается момент для его преодоления, а при уменьшении сопротивления - наоборот, скорость возрастает, а момент уменьшается.
Полученную в процессе присоединения дополнительных масс объединенную реактивную массу, истекающую из устройства 74 присоединения неподвижного соплового аппарата (не изображен), направляют на лопатки 8,33 лопаточной ступени 37 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя.
Истечение полученной в процессе присоединения дополнительных масс объединенной реактивной массы осуществляют из устройств 74 присоединения вращающихся сопловых аппаратов, расположенных на разных уровнях внешней части рабочих колес ступеней 25,37 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя для создания реактивной тяги и вращающего момента на валу 43, причем основное рабочее тело подают в струйные устройства 12 вращающихся сопловых аппаратов для создания реактивной струи, выполняющей функцию активной в процессе присоединения дополнительных масс, по радиальным каналам этих ступеней.
Момент на валу 43 ротора 15 струйно-адаптивного двигателя получают за счет одновременного воздействия объединенной реактивной массы из неподвижного соплового аппарата, например, на лопатки 8 лопаточной ступени 37 и истечения объединенной реактивной массы из вращающегося соплового аппарата 13 ступени 25 этого же ротора 15 струйно-адаптивного двигателя.
Дополнительный момент на валу 43 с многоступенчатым ротором 15 струйно-адаптивного двигателя образуют, направляя струю, истекающую, например, из вращающегося соплового аппарата 14 (фиг. 1,4) предыдущей ступени 25, через лопатки 31, играющие роль направляющего аппарата, на лопатки в следующей ступени 37 ротора 15.
Для увеличения момента на валу 43 реактивную струю, истекающую из предыдущей ступени 25 (фиг.1,5), через лопатки 29, выполняющие роль направляющего аппарата, направляют на лопатки 33 следующей ступени 37 ротора 15, а после истечения из лопаток 33 в качестве присоединяемой массы направляют на вход 70 устройства 74 присоединения вращающегося соплового аппарата 6, расположенного на этой же ступени 37 ротора 15 за лопатками 33 по направлению истечения струи.
Для образования реактивных струй, используемых в процессах присоединения в качестве активных, применяют струйные устройства 12 различного принципа действия, например электрореактивные 65 (фиг.14), реактивные сопла 63 (фиг. 11-13), детонационные камеры сгорания 66 (фиг.16). Реактивную струю из этих устройств направляют непосредственно на входы 70-73 (фиг.17-22) устройств 76-81 присоединения (фиг.23-28) и/или через радиальный канал 64 (фиг.15).
При образовании этих струй, например в детонационных камерах 66 сгорания (фиг. 16), продукты сгорания по кольцевому каналу в2 через реактивные сопла 69 направляют навстречу друг другу в точку фокуса 68 сферической части 67 детонационной камеры 66 сгорания в виде реактивных струй. По параллельному каналу а2 подают сжатую топливовоздушную смесь, реактивную струю которой направляют в ту же точку 68 для столкновения струй, вызывающего локальное повышение температуры и давления и инициирующего автоколебательный процесс детонационного сгорания с образованием высокочастотных детонационных волн, распространяющихся в противоположную сторону от сферической части 67 камеры 66, и с большой кинетической энергией разгоняющих продукты сгорания. Процесс длится до момента прекращения подачи продуктов сгорания или топливовоздушной смеси и продолжается при возобновлении подачи.
Потенциальную энергию основного рабочего тела, например, из пневмоаккумулятора 7, в струйном устройстве 12 преобразуют в кинетическую энергию реактивной струи, стационарно истекающей в устройства 74 присоединения, например, вращающегося соплового аппарата 13. Вход 71 устройства 74 по каналам а3 через пневмоклапан 16 и входной патрубок 11 соединяют с атмосферой. При этом вращающийся сопловой аппарат 13 увеличивает тягу по принципу эжекторов, работающих в режиме параллельного присоединения, передавая часть энергии эжектирующей струи присоединяемым воздушным массам за счет турбулизации и смешения потоков в устройстве присоединения дополнительных масс 74.
Потенциальную энергию основного рабочего тела в струйном устройстве 12 преобразуют в кинетическую энергию импульсов реактивной струи. При движении газовой массы в устройстве 74-80 присоединения, вслед за ней создается разрежение, которое сохраняется в течение промежутка времени, необходимого для последовательного втекания за каждым импульсом из газовой массы основного рабочего тела расчетного количества дополнительных масс, которые в процессе присоединения ускоряют за счет энергии импульсов реактивной струи, образуя объединенный поток в устройстве 74-80 присоединения и объединенную реактивную массу на его выходе. Этот процесс представляет собой взаимодействие разделенных газовых масс импульсов реактивной струи с дополнительными массами газа, втекающими под действием разрежения, образованного импульсом, и выталкиваемых следующим импульсом, т.е. является процессом последовательного присоединения дополнительных масс, который по своему механизму принципиально отличается от процесса эжекции, так как не основан на трении газовых потоков, в связи с чем кпд этого процесса выше, а прирост импульса реактивной струи объединенной массы получают до 120% и более от первоначальной величины импульса реактивной струи основного рабочего тела, в зависимости от термодинамических характеристик рабочего тела и геометрических параметров устройства 74 присоединения.
Потенциальную энергию основного рабочего тела в струйном устройстве 12 преобразуют в кинетическую энергию импульсов реактивной струи, каждый из которых образует в устройстве 74-80 присоединения дополнительных масс разрежение. По каналу а2, соединенному непосредственно с входом 71 этого же устройства, за счет образованного разрежения поступает атмосферный воздух или другое рабочее тело. В процессе присоединения за счет энергии импульсов основного рабочего тела увеличивают кинетическую энергию рабочего тела, подаваемого по каналу а2, образуя объединенный поток в устройстве 74-80 присоединения и объединенную реактивную массу на его выходе. Данный процесс сравним с процессом, происходящим в прямоточном пульсирующем двухконтурном реактивном двигателе.
Для получения импульсов реактивной струи, образующих в процессе последовательного присоединения дополнительных масс разрежение в устройстве 74 присоединения, используют два различных по своим термодинамическим характеристикам рабочих тела, которые подают, например, через каналы в1-в3 к критическому сечению реактивных сопл 63 из различных источников с расчетной частотой и последовательностью. Импульсы, образованные рабочим телом с меньшей потенциальной энергией, используют для предварительного ускорения дополнительных масс с целью сокращения потерь за счет уменьшения разности скоростей встречи при последующем их взаимодействии с газовой массой импульса, образованного при расширении основного рабочего тела, обладающего большей кинетической энергией, а также относительного сокращения затрат его энергии, увеличения коэффициента m и скорости объединенной реактивной массы.
Потенциальную энергию основного рабочего тела в струйном устройстве 12 преобразуют в кинетическую энергию импульсов реактивной струи, образующих в устройстве 74-80 присоединения дополнительных масс разрежение. Другое рабочее тело с постоянным давлением и меньшей потенциальной энергией по каналу а2 направляют на вход этого же устройства через кольцевое реактивное сопло 73 для образования реактивной струи, стационарно истекающей параллельно направлению истечения импульсов реактивной струи. Энергию стационарно истекающей струи используют в процессе присоединения дополнительных масс, поступающих на вход 73 устройства 74-80 в промежутках между импульсами, для создания постоянного разрежения на входе 73 в устройство 74 присоединения и их предварительного ускорения за счет эжектирования этой струей, с целью сокращения потерь энергии при последующем взаимодействии дополнительных масс с массой импульсов за счет уменьшения разности скоростей встречи и как следствие относительного уменьшения затрат кинетической энергии импульсов увеличивают коэффициент m и скорость объединенной реактивной массы.
Процесс присоединения дополнительных масс осуществляют последовательно в устройстве 81 (фиг.28), используя одновременно два устройства 74 присоединения, расположенные последовательно одно за другим. Реактивная струя, истекающая после процесса присоединения из первого устройства 74, выполняет функцию эжектирующей струи в процессе присоединения во втором устройстве 74. Одновременно с приростом момента за счет увеличения объединенной реактивной массы снижают скорость ее истечения и угловую скорость ротора 15 струйно-адаптивного двигателя до расчетного уровня.
В условиях многорежимного применения при изменении скорости вращения ротора 15 струйно-адаптивного двигателя автоматически за счет изменения центробежной силы изменяют площадь критического сечения реактивных сопл 63, настраивая его на расход основного рабочего тела в соответствии с требуемой величиной момента на заданном режиме. Например, при ускорении транспортного средства во время начала движения требуется наибольшая мощность на валу, поэтому площадь сечения сопла на этом режиме максимальная. Уменьшают площадь сечения, перемещая регулирующий элемент сопла 63, например, центральное тело, под действием центробежной силы, увеличивающейся по мере набора скорости вращения ротора 15, до минимальной площади критического сечения на установившемся режиме.
При применении струйно-адаптивного двигателя в авиационных двигателях после создания момента на валу 43 оставшуюся часть располагаемой кинетической энергии реактивной массы можно использовать, управляя направлением ее истечения, например, за счет регулируемого направляющего аппарата для образования реактивной тяги.
В качестве ротора 15 струйно-адаптивного двигателя используют движитель транспортного средства, например лопасти воздушного винта или вентилятора, или винтовентилятора, или часть их лопастей, на которых располагают, например, вращающийся сопловой аппарат 14, создающий тягу и момент на валу 43. Расчетную скорость вращения лопастей обеспечивают без применения механического редуктора за счет изменения параметров процесса присоединения, количества суммарной объединенной реактивной массы и скорости ее истечения. Кинетическую энергию, оставшуюся после создания момента на валу 43, используют, управляя направлением истечения этой реактивной массы для создания дополнительной тяги к тяге, создаваемой движителем транспортного средства.
Сжатое рабочее тело с температурой, близкой к температуре окружающей среды, расширяют в реактивных соплах 63 и охлаждают, в зависимости от степени его сжатия, до отрицательных температур ниже -130oС, одновременно используя ротор 15 струйно-адаптивного двигателя для создания мощности на валу 43 и выполнения функций - детандера. Затем в процессе присоединения дополнительных масс в устройстве 76-80 присоединения двигатель используют для выполнения функций воздушной холодильной машины с хладагентом - основным рабочим телом, охлаждая дополнительно присоединяемые массы, поступающие через входы 70-73 устройства 76-80 присоединения. Температуру воздуха понижают до расчетной с возможностью ее регулирования в пределах, зависящих от изменения количества, диапазона термодинамических характеристик основного рабочего тела и коэффициента присоединения дополнительных масс m.
При создании момента на валу 43 струйно-адаптивный двигатель одновременно настраивают на работу в режиме насоса для нагнетания внешних газовых масс за счет кинетической энергии реактивной массы, истекающей из струйных устройств 12 в устройства 74 присоединения и создающей разрежение на их входах 70-73. При принудительном вращении вала 43, например, электродвигателем 41, его настраивают на работу в режиме центробежного компрессора и струйного генератора для сжатия внешних газов в радиальных каналах а2,в3 ротора 15 и преобразования их потенциальной энергии в соплах 63 в кинетическую энергию реактивной струи.
Для выработки газогенератором рабочего тела топливо сжигают в замкнутом объеме камеры 18 периодического сгорания (фиг.29), повышая в каждом термодинамическом цикле давление и располагаемую работу расширения продуктов сгорания. За счет части полученного прироста потенциальной энергии продуктов сгорания, при их частичном расширении в замкнутом объеме камеры 18, выполняют работу по перемещению золотникового клапана 20 из исходного положения, в котором разжата воздействующая на него пружина 19 и закрыто проходное сечение С, используемое для выпуска продуктов сгорания в выхлопной канал в1 вдоль его оси на расчетное расстояние. Во время прохождения этого расстояния сжимают пружину 19, аккумулируя энергию для обеспечения возврата в исходное положение - обратного хода золотникового клапана 20 и открывают проходное сечение С для выпуска продуктов сгорания. После его открытия под действием сжатой пружины 19 клапан 20 останавливается и начинается обратный ход, во время которого производят вспрыск топлива под давлением и подачу сжатого воздуха через обратный клапан 21, обеспечивая смешение компонентов топливовоздушной смеси для следующего термодинамического цикла, начинающегося после возврата золотникового клапана 20 в исходное положение при воспламенении топливовоздушной смеси в объеме камеры 18 периодического сгорания газогенератора, которое осуществляют через заданный промежуток времени. При этом необходимые термодинамические характеристики и количество продуктов сгорания, вырабатываемое в единицу времени, получают в зависимости от назначения и режимов использования газогенератора за счет задаваемой периодичности воспламенения топливовоздушной смеси, изменения давления сжатого воздуха для ее образования, изменения объема камеры периодического сгорания при регулируемом заполнении части ее внутреннего объема несгораемой массой. Причем независимо от того, какой(ие) из указанных способов применяют для изменения параметров продуктов сгорания, во всех термодинамических циклах обеспечивают постоянное количество вспрыскиваемого топлива, в том числе, на переходных режимах при резком изменении количества вырабатываемого рабочего тела в единицу времени, не увеличивая выброс токсичных веществ в атмосферу. На установившемся режиме при увеличении степени сжатия воздуха, например, за счет дополнительного сжатия набегающего потока воздуха, обедняют топливовоздушную смесь и повышают экономичность газогенератора. Кроме того, во всех циклах обеспечивают также расчетную продолжительность и амплитуду импульсов при выпуске продуктов сгорания. В связи с этим использование данного способа для образования активной струи в процессе последовательного присоединения дополнительных масс в струйно-адаптивном двигателе повышает эффективность силовой установки. Величины этих параметров в данном способе преобразования энергии при установленном расчетном давлении в процессе сгорания и постоянных проходных сечениях С могут изменяться только за счет времени открытия и закрытия проходных сечений С, зависящего от расстояния, на которое перемещается золотниковый клапан 20 и силы пружины 19, имеющих расчетную величину, и не зависящего от изменения частоты термодинамических циклов, диапазон которой может быть очень широким, так как каждый следующий цикл может начаться в любое заданное время после возврата золотникового клапана 20 в исходное положение, а время возврата может быть до тысячных долей секунды.
За счет энергии продуктов сгорания при их частичном расширении в замкнутом объеме камеры 18 перемещают золотниковый клапан 20. Клапан 20, двигаясь под действием давления продуктов сгорания, в расчетный момент входит в зацепление с поршневым топливным клапаном 89 и начинает его перемещение из объема D вдоль оси на расчетное расстояние (фиг.30,31). Этот объем во время прямого хода золотникового клапана 20 изолируют от проходного сечения 82 для вспрыска топлива обратным клапаном 90, поэтому при движении поршневого топливного клапана 99 в нем увеличивается объем, не занятый топливом, и образуется разрежение. В конце прямого хода золотникового клапана 20 поршневой топливный клапан 89 открывает проходное сечение С2, через которое объем D связывается с каналом Т, служащим для подачи топлива из топливопровода. Под действием полученного разрежения расчетный объем D заполняется топливом из канала Т. Во время обратного хода за счет энергии, аккумулированной пружиной 19, золотниковый клапан 20, перемещая поршневой топливный клапан 89 в исходное положение, перекрывает им проходное сечение С2 и изолирует топливо, поступившее в объем D, от канала Т. Затем в объеме D поршневым топливным клапаном 89 создается давление, под действием которого расчетное количество топлива, заполнившее этот объем, по каналу d вытесняется через обратный клапан 90 для вспрыскивания через проходное сечение 82. Подачу топлива для образования топливовоздушной смеси в первом термодинамическом цикле осуществляют за счет принудительного перемещения золотникового клапана 20 и сжатия пружины 19 электромагнитом 85. Распыление топлива для эффективного смешения топливовоздушной смеси обеспечивают за счет потенциальной энергии пружины 19. Причем габариты камеры 18 позволяют разместить пружину для вспрыскивания топлива под давлением несколько десятков или даже сотен атмосфер. В результате процесс вспрыскивания топлива осуществляют без какой-либо его синхронизации с управляющими системами и получают давление для вспрыскивания, обеспечивающее качественное распыление топлива.
Продувку камеры 18 периодического сгорания начинают во время выпуска продуктов сгорания при снижении их давления до уровня давления воздуха из внешнего источника, поступающего через обратный клапан 21. Во время движения и остановки золотникового клапана 20 после окончания прямого хода, перед началом обратного, сжатый воздух продолжает поступать в объем камеры 18, вытесняя остатки продуктов сгорания и обеспечивая продолжительность процесса продувки до тех пор, пока в начале обратного хода золотниковый клапан 20 не закроет проходные сечения С выхлопного канала.
Продувку камеры 18 периодического сгорания можно осуществлять воздухом, который сжимают поршнем 83 компрессора 84, приводимым в действие за счет энергии продуктов сгорания при перемещении золотникового клапана 20 во время прямого хода. Начинают его подачу при совмещении проходного сечения а5 с сечением а6, а заканчивают также в начале обратного хода золотникового клапана 20. Во время обратного хода за счет энергии, аккумулированной пружиной 19, поршнем 83 сжимают воздух, поступивший в объем компрессора 84 через обратный клапан 8 7 за счет разрежения, образованного при его движении во время прямого хода. Этот воздух направляют через обратный клапан 21 в камеру 18 для образования топливовоздушной смеси следующего термодинамического цикла. При возврате поршня 83 в исходное положение вслед за ним образуется разрежение, под действием которого атмосферный воздух через обратный клапан 86 поступает в объем компрессора 84 для сжатия в следующем термодинамическом цикле и продувки камеры 18 после выпуска продуктов сгорания. В результате газогенератор одновременно выполняет функции поршневого компрессора, сжатый воздух из которого, наряду с продуктами сгорания, используют для выполнения полезной работы в силовой установке, а также при продувке и образовании топливовоздушной смеси в камере периодического сгорания 18 для обеспечения автономной работы газогенератора.
В конце прямого хода золотникового клапана 20 продукты сгорания направляют через проходное сечение С камеры 18 периодического сгорания в струйное устройство 12 для образования импульсов реактивной струи. Газогенератор при этом одновременно выполняет функции тепловой машины - пульсирующего струйного газогенератора и струйного движителя.
Продукты сгорания переобогащенной топливовоздушной смеси в конце прямого хода золотникового клапана 20 через проходное сечение С и выхлопной канал в1 направляют в детонационную камеру 66 сгорания для образования сверхзвуковых реактивных струй, которые под углом направляют навстречу друг другу в точку фокуса 68 сферической части 67 детонационной камеры 66 сгорания. Воздух, сжатый поршнем 83 компрессора 84 при перемещении золотникового клапана 20 за счет энергии продуктов сгорания, или сжатый воздух из внешних источников, подают по каналу а2 через реактивное сопло в ту же точку 68 для столкновения реактивных струй, вызывающего локальное повышение температуры и давления и инициирующего автоколебательный процесс детонационного сгорания с образованием высокочастотных детонационных волн, распространяющихся в противоположную сторону от сферической части 67 камеры 66, и с большой кинетической энергией разгоняющих продукты сгорания. Этот процесс продолжается до момента прекращения подачи продуктов сгорания или воздуха в конце прямого хода каждого термодинамического цикла и возобновляется с заданной периодичностью воспламенения топливовоздушной смеси в камере 18 периодического сгорания. При этом газогенератор одновременно выполняет функции тепловой машины - пульсирующего струйного газогенератора и струйного движителя.
Импульсы реактивной струи продуктов сгорания из струйного устройства 12 камеры 18 периодического сгорания газогенератора 91 (фиг.32) направляют в устройство 80 присоединения дополнительных масс газогенератора. В процессе последовательного присоединения за счет кинетической энергии импульсов ускоряют массу атмосферного воздуха, объединяя ее в потоке между импульсами реактивной струи в расчетной пропорции с продуктами сгорания. До начала торможения потока в диффузоре 75 устройства 80 присоединения за счет расчетных параметров процесса присоединения обеспечивают снижение скорости объединяемой массы ниже скорости звука, а также состав газовой смеси, который позволяет использовать eе в качестве компонента топливовоздушной смеси, уменьшающего количество окислов азота в продуктах сгорания. На выходе из диффузора 75 получают сжатое рабочее тело и через обратный клапан 3 направляют его в пневмоаккумулятор 7 для накопления до расчетного уровня, при превышении которого прекращают воспламенение топливовоздушной смеси в камере 18 периодического сгорания газогенератора 91, а при снижении давления ниже расчетного уровня ее вновь воспламеняют и продолжают процесс. В результате газогенератор одновременно выполняет функции струйного компрессора, газовую смесь из пневмоаккумулятора 7 которого по каналу а через пневмоклапан 9 направляют для использования во втором термодинамическом контуре, и/или в качестве компонента топливовоздушной смеси камеры 18 периодического сгорания первого термодинамического контура, и/или для внешнего потребления, а по каналу a7 направляют в камеру 18 периодического сгорания газогенератора 91 для обеспечения автономной работы газогенератора.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| МИКРОРАЗМЕРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ | 2007 |
|
RU2354836C1 |
| РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ | 1995 |
|
RU2095589C1 |
| ГАЗОТУРБИННЫЙ СТРУЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ | 2010 |
|
RU2441998C1 |
| ТРАНСПОРТНЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВУХВАЛЬНЫЙ И ТРЕХВАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛИ (ВАРИАНТЫ) | 1997 |
|
RU2126906C1 |
| Способ организации рабочего процесса в турбореактивном двигателе с непрерывно-детонационной камерой сгорания и устройство для его осуществления | 2015 |
|
RU2620736C1 |
| СИЛОВАЯ УСТАНОВКА | 1988 |
|
RU2029120C1 |
| Газотурбинный двигатель с дополнительными лопатками-форсунками огневого подогрева | 2023 |
|
RU2826042C1 |
| СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА | 2018 |
|
RU2693953C1 |
| МИКРОРАЗМЕРНЫЙ ДВУХКОНТУРНЫЙ ГАЗОТУРБИННЫЙ МИКРОДВИГАТЕЛЬ | 2008 |
|
RU2386828C1 |
| ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ОБЪЕДИНЕННОЙ ОПОРОЙ ТУРБИНЫ НИЗКОГО И ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ | 2009 |
|
RU2414614C1 |
Использование: для автономного привода, например, мобильных электрогенераторов большой мощности, движителей транспортных средств и других устройств и механизмов. Способ преобразования энергии в силовой установке заключается в том, что момент на валу ротора силовой установки получают за счет реактивной тяги, создаваемой реактивной массой продуктов сгорания, которые вырабатывают с помощью камеры периодического сгорания и преобразуют в импульсы сверхзвуковой реактивной струи. Реактивная струя истекает из струйного устройства в устройство присоединения дополнительных масс, где вслед за движущейся в этом устройстве со сверхзвуковой скоростью струей продуктов сгорания создают разрежение для подачи в него дополнительных газовых масс, затем ускоряют последние за счет передачи им части энергии импульсов реактивной струи продуктов сгорания и получают объединенную реактивную массу для создания реактивной тяги. В ином варианте способа часть располагаемой кинетической энергии, оставшейся после создания момента, утилизируют посредством лопаточной турбины, которая кинематически не связана с силовым валом. Преобразуют истечение реактивной массы в кинетическую энергию вращения устройств, кинематически связанных с этой турбиной и обладающих инерционной массой, с помощью которой ее аккумулируют и, при необходимости, преобразуют в электрическую энергию и потенциальную энергию сжатого газа. В способе преобразования энергии в струйно-адаптивном двигателе для получения реактивной массы используют несколько различных по своим термодинамическим характеристикам рабочих тел. За счет основного рабочего тела, обладающего большей потенциальной энергией, в струйном устройстве образуют реактивную струю, которую направляют в устройство присоединения дополнительных масс и используют в качестве активной струи в процессе присоединения. Другoe рабочее тело с меньшей потенциальной энергией чем основное, направляют на вход этого же устройства присоединения в качестве присоединяемого. В способе преобразования энергии в газогенераторе при частичном расширении продуктов сгорания в замкнутом объеме камеры периодического сгорания выполняют работу по перемещению золотникового клапана из исходного положения, в котором разжата пружина и закрыт выхлопной канал, на расстояние, во время прохождения которого сжимают пружину, аккумулируя энергию для обеспечения возврата в исходное положение, и открывают проходные сечения для выпуска продуктов сгорания. Под действием сжатой пружины клапан останавливают и начинают обратный ход, во время которого производят вспрыск топлива под давлением и подачу сжатого воздуха для образования топливовоздушной смеси следующего термодинамического цикла. Изобретения позволяют повысить кпд. 4 с. и 64 з.п.ф-лы, 32 ил.
| ТУРБИНА ВНУТРЕННЕГО ГОРЕНИЯ | 1926 |
|
SU7563A1 |
| Турбина внутреннего горения | 1922 |
|
SU8245A1 |
| СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 1991 |
|
RU2013614C1 |
| СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКУЮ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ И ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ | 1992 |
|
RU2031225C1 |
| СПОСОБ СОЧЕТАННОЙ СТИМУЛЯЦИИ РЕПАРАТИВНОГО ОСТЕОГЕНЕЗА У ЖИВОТНЫХ | 2011 |
|
RU2469679C1 |
| GB 1221954 А, 10.02.1971 | |||
| Рабочий орган для скалывания льда | 1980 |
|
SU907145A1 |
