СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЯГИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02K3/08 F02K7/04 

Изобретение относится к способам и средствам для преобразования химической энергии топлива в иные виды энергии и может быть использовано для создания двигателей и электрогенераторов различного назначения (наземного, морского, воздушно-космического).

Принципиальными недостатками современных способов преобразования химической энергии топлива в различных двигателях, работающих по соответствующим термодинамическим циклам, являются неудовлетворительные массогабаритные показатели, низкие (0,15-0,35) эффективные к.п.д. двигателей, а также сложность их конструктивного исполнения и эксплуатации. В отличие от электромагнитных двигателей, характеризуемых значениями к.п.д. 0,87-0,95, реальные значения эффективных к. п. д. тепловых двигателей принципиально не могут превысить 0,5. Главной причиной указанных недостатков является то, что в современных тепловых двигателях реализуется режим так называемого дефлаграционного горения топлива, характеризуемый весьма низкими (10-15 м/с) скоростями распространения фронта пламени в горючих газовых смесях, что приводит к большим потерям тепла в циклах. Современные ракетные двигатели, оборудуемые соплами Лаваля, отличаются, кроме того, низкими значениями удельных импульсов. Возможности эволюционного совершенствования существующих типов тепловых двигателей полностью исчерпаны. Еще более острой является проблема создания мощного компактного высокоэкономичного экологически чистого электрогенератора, конструктивно совместимого с тепловым двигателем. В связи с этим актуальным является поиск принципиально новых технических решений, единых по конструктивному исполнению как для тепловых двигателей, так и для электрогенераторов. Весьма перспективными для решения указанных проблем являются попытки использования детонационного режима горения топлива, при котором скорость фронта детонационной волны достигает нескольких км/с.

Известен способ получения тяги по патенту РФ 2034996, заключающийся в том, что наряду с обязательными для любого теплового двигателя термодинамическими процессами сжатия компонентов топлива, инициирования химической реакции между ними, расширения продуктов сгорания с последующим их охлаждением производят сжигание горючего с избытком окислителя с последующей подачей горючего в полученные продукты сгорания, причем для получения рабочего тела и преобразования его внутренней энергии в работу силы тяги осуществляют дополнительный пиролиз горючего и замораживание продуктов пиролиза до получения рабочего тела, а преобразование внутренней энергии последнего производят посредством периодически повторяющегося процесса детонации, при этом подачу горючего в продукты сгорания осуществляют до достижения суммарного коэффициента избытка окислителя, равного 0,1-0,9, а сжигание горючего с окислителем проводят с коэффициентом избытка окислителя, равным 1-4.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при их использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа первого самостоятельного объекта заявляемого изобретения.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной цели, является недостаточное использование особенностей, органически присущих детонационным процессам, что ведет к снижению к.п.д. данного способа получения тяги, а также невозможность преобразования химической энергии топлива непосредственно в электрическую.

Целью изобретения является повышение эффективности способа непосредственного преобразования химической энергии топлива в механическую и электрическую посредством максимального использования возможностей детонационного процесса горения топлива, охарактеризованного в работах: А.И. Розловский. Научные основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. М.: Химия, 1972, 368 с., А. Бауэр, М. Мук и Р. Кейс. Плазма, образующаяся при детонации. В сб. Магнитогидродинамический метод преобразования энергии. М.: Гос. изд. физико-матем. лит., 1963, 536 с.

К этим особенностям относятся
- ширина фронта детонационной волны (в котором реализуются процессы химических превращений горючего и окислителя) соизмерима с длиной пробега молекул этих веществ, в результате чего эти превращения происходят на уровне энергий валентных электронов атомов с характерными для атомных масштабов временами 10^-9-10^-12 с. Поэтому газодинамика этих процессов (на организацию которой направлены основные усилия конструкторов современных тепловых двигателей) становится не столь существенной. С другой стороны, это приводит к тому, что поверхность теплообмена между фронтом детонационной волны и стенками канала становится пренебрежимо малой, в результате чего при скорости фронта детонационной волны в несколько км/с отпадает необходимость в принудительном охлаждении стенок канала,
- в детонационным процессе за фронтом детонационной волны распространяется волна разрежения (в пределах которой происходит резкое охлаждение и замораживание химического состава горючей смеси), в результате чего стабилизируются термодинамические параметры горючих смесей за фронтом детонационной волны. Кроме того, образование волны разрежения (достигающего в ряде случаев 0,3-0,4 кг/см²) способно обеспечить самовсасывание необходимых количеств холодных компонентов топлива в зоны формирования детонационных процессов и отказаться от необходимости использования нагнетателей для поддержания автоколебательного характера детонационного процесса, который, как это следует из экспериментов по акустике, при частотах, превышающих 15-20 кГц, становится практически бесшумным,
- отражение детонационной волны от твердой преграды (отражателя) сопровождается многократным повышением давления (и соответствующим повышением температуры), в результате чего во фронте отраженной детонационной волны дополнительно (причем на более высоком энергетическом уровне) активизируются процессы химических превращений горючего и окислителя. С практической же точки зрения, явление повышения давления во фронте отраженной детонационной волны может быть использовано для создания реактивного движения,
- образование и распространение детонации в шероховатом канале приводит к резкому сокращению длины канала,
- в отличие от плазмы, например, дугового разряда, плазма детонационной волны является метастабильной и способна распространяться как единое целое даже в изогнутых каналах в течение достаточно длительного времени. Это означает, что такая плазма способна передавать электрическую энергию непосредственно в электрическую нагрузку без необходимости использования каких-либо магнитных систем,
- образование детонационных процессов может быть инициировано посредством применения современных средств раздельной принудительной активации горючего и окислителя, например высокочастотных искровых разрядников, питаемых от внешних источников электрической энергии. Такая активация может производиться в резонансном режиме при атмосферном давлении в условиях комнатных температур, что позволяет иметь полностью холодные зоны активации и отказаться вследствие самовсасывающего эффекта волны разрежения от необходимости сильного сжатия компонентов топлива для подачи их в зоны реакции. Резонансная активация компонентов топлива заключается в приведении энергетических уровней валентных электронов атомов горючего и окислителя к общему единому уровню энергии, что при смешении компонентов топлива приводит к надежному инициированию химической реакции воспламенения химического топлива в преддетонационном процессе при минимальных затратах внешней электрической энергии.

Согласно изобретению способ получения тяги, включающий сжатие компонентов топлива, подвод к ним теплоты посредством инициирования химической реакции между ними в периодическом детонационном процессе, расширение продуктов реакции с последующим их охлаждением, характеризуется тем, что предварительно осуществляют раздельную резонансную активацию компонентов топлива, после чего периодический детонационный процесс осуществляют путем последовательных отражений фронта детонационной волны от по меньшей мере двух оптически связанных между собой поверхностей.

В этом заключается совокупность существенных признаков первого независимого объекта изобретения, обеспечивающих получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Кроме этого, заявленное решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, конкретные формы его материального воплощения либо особые условия его использования, а именно:
- резонансную активацию компонентов топлива осуществляют путем подведения к ним внешней электрической энергии посредством, например, импульсных высокочастотных искровых разрядов,
- управление параметрами детонационного процесса осуществляют путем взаимного перемещения друг относительно друга поверхностей отражения фронта детонационной волны,
- часть энергии детонационной волны преобразуют в электрическую путем съема электрического тока по меньшей мере с одной из поверхностей отражения фронта детонационной волны.

Для оценки новизны и изобретательского уровня второго независимого объекта заявленного решения рассмотрим известное техническое средство аналогичного назначения по патенту РФ 2034996.

Известное устройство для получения тяги содержит расположенные в корпусе с образованием кольцевого канала камеру сгорания, промежуточную камеру, присоединенную к выходу последней замыкающую камеру и преобразователь внутренней энергии рабочего тела в механическую работу силы тяги, причем выход камеры сгорания подсоединен к входам промежуточной камеры и кольцевого канала, а выход последнего - к преобразователю, который выполнен в виде газодинамического резонатора, выполненного в виде эквидистантно расположенных наружного и внутреннего дисков, последний из которых снабжен отверстиями, соединяющими его с замыкающей камерой.

По наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при их использовании результату данное техническое решение выбрано в качестве прототипа второго самостоятельного объекта заявляемого изобретения.

Недостатками прототипа, не позволяющими достичь поставленной нами цели, является конструктивная сложность, низкие массогабаритные и эксплуатационные показатели, а также невозможность преобразования химической энергии топлива непосредственно в электрическую.

Целью изобретения является упрощение конструкции, улучшение массогабаритных и эксплуатационных показателей, возможность получения с помощью заявляемого устройства не только механической тяги, но также и электрической энергии посредством максимального использования возможностей детонационных процессов.

Сущность второго независимого объекта заявляемого изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанной цели.

Согласно изобретению устройство для осуществления описанного выше способа получения тяги, содержащее корпус, средства для подачи горючего и окислителя и размещенную в корпусе с образованием кольцевого канала камеру сгорания, характеризуется тем, что в корпусе образованы отдельно размещенные зоны резонансной активации горючего и окислителя, в которых размещены средства для принудительной активации компонентов топлива, при этом камера сгорания выполнена с геометрическими размерами, обеспечивающими протекание в ней периодических процессов распространения детонационных волн и волн разрежения, автоматически поддерживаемых при работе устройства посредством размещения на выходе камеры сгорания отражателя и оптически связанного с ним центрально расположенного экрана.

В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающих получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты.

Кроме этого, заявленное решение имеет факультативные признаки, характеризующие его частные случаи, конкретные формы материального воплощения либо особые условия его использования, а именно:
- средства для принудительной резонансной активации компонентов топлива выполнены в виде, например, высокочастотных искровых разрядников, соединенных с выходами блока управления резонансной активацией,
- внутренние поверхности камера сгорания в зоне распространения детонационной волны снабжены шероховатостью в виде нарезки,
- отражатель и экран выполнены с возможностью перемещения их поверхностей друг относительно друга,
- отражатель или экран выполнены из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, электрически изолированы от корпуса и проводниками соединены с полезной нагрузкой.

Заявленное техническое решение является новым, так как оба заявленных варианта характеризуются наличием новых совокупностей признаков, отсутствующих в известных объектах техники аналогичного назначения.

Непосредственный технический результат, который может быть получен при реализации заявленных совокупностей признаков, заключается в возможности одновременного непосредственного преобразования химической энергии топлива в механическую работу силы тяги и электрическую энергию в малогабаритном высокоэффективном, простом по конструкции, управлению, эксплуатации, предельно дешевом малошумном устройстве, не требующем для обеспечения своей работы охлаждения, смазки, применения магнитных систем и нагнетателей. Устройство обладает способностью к немедленному вводу и выводу из действия, отличается высокими показателями по экологической чистоте, приемистости, ремонтопригодности и надежности.

Указанное позволяет признать заявленное техническое решение соответствующим критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено устройство, реализующее заявленный способ, на фиг.2 - диаграмма p-v идеального термодинамического цикла устройства, на фиг.3 - условная схема съема электрической энергии непосредственно на полезную нагрузку в частном случае возможной конструктивной реализации этого процесса. Цифрами в квадратиках на чертежах обозначены характерные точки цикла.

Устройство содержит корпус 1, блок подачи горючего и окислителя 2, размещенную в корпусе с образованием кольцевого канала камеру сгорания 3. В корпусе 1 образованы отдельно размещенные зона резонансной активации горючего 4 и зона резонансной активации окислителя 5, в которых размещены средства резонансной активации, например искровые разрядники 6, соединенные с выходами блока управления 7. Камера сгорания 3 выполнена с геометрическими размерами, обеспечивающими протекание в ее кольцевом канале периодических детонационных процессов распространения волн детонации и волн разрежения. На выходе камеры сгорания 3 размещен отражатель 8 и оптически связанный с ним центрально расположенный профильный экран 9, выполненный с вогнутой поверхностью для фокусирования отраженной детонационной волны и более эффективного снятия электрического заряда с детонационной плазмы в соответствии с известными опытными закономерностями растекания электрического заряда по поверхности конусообразного электропроводящего тела при сообщении ему электрического заряда. Ко входу блока управления 7 подключен выход блока питания 10, в качестве которого может быть использована стандартная автомобильная аккумуляторная батарея. Внутренние поверхности кольцевого канала камеры сгорания в зоне распространения детонационной волны выполнены с шероховатостью в виде нарезки 11. Отражатель 8 и экран 9 выполнены с возможностью перемещения их поверхностей друг относительно друга. В частности, отражатель 8 может быть выполнен в виде устройства с управляемой диафрагмой. Для обеспечения работы средств активации 6 и эффективного съема электрической энергии экран 9 или отражатель 8 выполнены из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, посредством изолятора 12 электрически изолированы от корпуса 1 и проводниками 13 соединены с полезной нагрузкой 14. Блок подачи горючего и окислителя 2 обеспечивает дозированную подачу компонентов топлива в зоны их высокочастотной резонансной активации 4 и 5, осуществляемой посредством средств активации 6. Блок управления 7 предназначен для холодной высокочастотной резонансной активации валентных электронов атомов горючего и окислителя, а также для задания напряжения снимаемого с устройства электрического тока.

Заявленное устройство, по существу, является управляемым реактивным двигателем, выполняющим также функции электрогенератора, в котором энергия химического топлива (горючего и окислителя) в периодических детонационных плазменных процессах непосредственно преобразуется в механическую энергию силы тяги и электрическую энергию. В связи с этим сила тяги выражается обычной для реактивных двигателей формулой R=Gw+s(p_отр-p₀), где G, w, s, p_отр, р₀ - соответственно расход топлива, скорость истечения продуктов сгорания, эффективная поверхность отражения детонационной волны, давление во фронте отраженной детонационной волны, атмосферное давление. Очевидно, что в отличие от реактивных двигателей, оборудуемых соплами Лаваля (в которых величину силы тяги обеспечивает, в основном, первый член этой формулы), заявленное устройство функционирует только благодаря действию второго члена формулы, что при обычно достигаемых в детонационных процессах значениях р_oтp=8-10 кг/см² позволяет развивать всего лишь на площади 10•10 см² силу тяги до 800-1000 кг. Это позволяет оценить возможные массогабаритные показатели заявленного устройства, которые несопоставимы с массогабаритными показателями современных тепловых двигателей равной с ним мощности.

Устройство, реализуя заявленный способ, работает следующим образом.

При подаче напряжения от блока питания 10 на блок управления 7, включении в работу блока подачи горючего и окислителя 2 в зоны 4, 5 с помощью резонансных средств активации (искровых разрядников 6) осуществляется холодная высокочастотная резонансная активация валентных электронов атомов горючего и окислителя в этих зонах, что иллюстрируется диаграммой p-v на фиг.2 (на диаграмме участок 1-2). После этого в кольцевом канале камеры сгорания 3 происходит смешение и воспламенение активированных компонентов топлива и начинается процесс образования детонационной волны по ударной адиабате Гюгонио (на диаграмме участок 2-3). Проходя вдоль снабженных шероховатостью 11 поверхностей кольцевого канала, фронт детонационной волны турбулизуется, что способствует достижению режима устойчивой детонации в канале, а также существенному сокращению осевого габаритного размера канала и устройства в целом. При отражении от отражателя 8 продукты сгорания топлива расширяются по линии Михельсона (на диаграмме участок 3-4) и отражаются в сторону экрана 9, что сопровождается ростом давления и температуры во фронте отраженной от экрана 9 волны до их значений в точке 5 диаграммы фиг.2. В кольцевом канале за фронтом детонационной волны образуется волна разрежения (на диаграмме участок 2"-2), способствующая самовсасыванию новых порций холодных компонентов топлива в зоны 4, 5 (на диаграмме участок 1-2"), что в условиях постоянной работы резонансных средств активации 6 способствует образованию в канале самоподдерживаемого автоколебательного режима детонации. Параметры волны разрежения существенно зависят от геометрических размеров кольцевого канала, а также от температуры химических превращений горючего и окислителя. С уменьшением геометрических размеров и повышением температуры частота автоколебаний в этой зоне увеличивается. Для снижения шума, образуемого этими автоколебаниями, до пределов слышимости их частота должна превышать 15-20 кГц.

Далее происходит процесс расширения продуктов сгорания по линии Михельсона (участок 5-6 диаграммы). При отражении от экрана 9 происходит сжатие продуктов сгорания по адиабате Гюгонио (участок 6-7). Последующее их расширение происходит сначала по линии Михельсона (участок 7-8), а затем за пределами устройства - по обычной адиабате Пуассона (участок 8-9). Действие профильного экрана 9 выражается в том, что на участках диаграммы 7-8, 8-9 отраженная от экрана волна фокусируется, что способствует сокращению длины выхлопной струи продуктов сгорания до размеров 3-4 калибров. В реальных условиях замыкание цикла происходит при атмосферном давлении и температуре, на 70-80^oС превышающей температуру окружающей среды (точка 9'). Посредством перемещения поверхности отражателя 8 относительно экрана 9 осуществляется регулирование силы тяги (и соответственно мощности электрической энергии, поступающей с устройства, в частности, от электрически изолированного от корпуса посредством изолятора 12 экрана 9) с помощью проводников 13 на полезную нагрузку 14 в виде высокочастотного электрического тока при напряжении, равном рабочему напряжению блока управления 7, а по частоте - рабочей частоте средств активации 6. Дальнейшее преобразование полученной электроэнергии в электроэнергию промышленных стандартов производится посредством применения известных устройств - трансформатора и делителя частоты (не показаны). Затраты внешней электрической энергии на функционирование блока управления 7 в режиме резонансной активации компонентов топлива не превышают нескольких долей процента от номинальной мощности самого устройства, что приводит к более экономичной работе блока питания 10.

Следует особо отметить, что устройства способно работать только в режиме устойчивой детонации, возможном лишь при постоянном номинальном по максимальной мощности и к.п.д. устройства (то есть - наиболее экономичном) расходе топлива. В таком режиме устройство способно работать и управляться в качестве двигателя (при отключенной полезной нагрузке 14), электрогенератора (при полностью подключенной полезной нагрузке 14), двигателя-электрогенератора (при частично подключенной полезной нагрузке 14), а также в режиме холостого хода (при отсутствии отражения фронта детонационной волны от поверхности отражателя 8). В последнем случае замыкание идеального цикла в атмосфере происходит в процессах 3-4, 4-9'' (последний из которых, изображенный на диаграмме штриховой линией, представляет собой адиабату Пуассона). В реальных условиях замыкание цикла в режиме холостого хода происходит в атмосфере в точке 9'''(на фиг.1 точки 9'', 9''', а также 2' не обозначены).

На диаграмме для сравнения представлен также термодинамический цикл Отто (жирными линиями) обычного автомобильного двигателя (1-2'-3-4'). Из этой диаграммы видно, что в цикле Отто в процессе 1-2' происходит подвод теплоты в количестве q', а в процессе 3-4' отвод теплоты q'_отв, в связи с чем термический к.п.д. этого цикла равен

в то время как в заявленном устройстве подвод теплоты происходит в процессах 2-3 (в количестве q₁), 4-5 (в количестве q₂), 6-7 (в количестве q₃), a отвод теплоты в процессе 9-1 (в количестве q_отв). В связи с этим термический к. п. д. цикла заявляемого устройства на номинальном режиме мощности равен

а его значение приближается к 1,0. При управлении силой тяги (или электрической мощностью) числитель и знаменатель этой формулы соответственно уменьшаются (в числителе снижается величина q_отв, а в знаменателе - величины q₂, q₃), вследствие чего величина термического к.п.д. цикла изменяется незначительно.

Этим объясняются высокая энергетическая экономичность заявляемого устройства на любых режимах мощности, а также его потенциально высокие экологические показатели.

Возможность промышленного применения заявленного технического решения не вызывает сомнения, так как оно в обоих вариантах может быть использовано с применением известных технологий (детонационные процессы) и технических средств (высокочастотные разрядники).

Изобретение относится к способам и средствам для получения тяги и может быть использовано в конструкциях двигателей различного назначения. В способе получения тяги предварительно осуществляют раздельную резонансную активацию компонентов топлива, после чего детонационный процесс осуществляют путем последовательных отражений фронта детонационной волны от, по меньшей мере, двух оптически связанных между собой поверхностей. Устройство, по существу, является электромагнитно-гравитационным управляемым реактивным двигателем, в котором энергия химического топлива (горючего и окислителя) в периодических детонационных процессах непосредственно преобразуется в энергию квантованных во времени и пространстве электромагнитно-гравитационных волн. Изобретение позволяет улучшить возможности детонационных процессов и обеспечивает повышение эффективности преобразования химической энергии топлива в тягу. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ получения тяги, включающий сжатие компонентов топлива, подвод к ним теплоты посредством инициирования химической реакции между ними в периодическом детонационном процессе, расширение продуктов реакции с последующим их охлаждением, отличающийся тем, что предварительно осуществляют раздельную резонансную, активацию компонентов топлива, после чего периодический детонационный процесс осуществляют путем последовательных отражений фронта детонационной волны от, по меньшей мере, двух оптически связанных между собой поверхностей. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что резонансную активацию компонентов топлива осуществляют путем подведения к ним электромагнитной энергии посредством импульсных высокочастотных искровых разрядов с частотой не менее 25 кГц. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что управление параметрами детонационного процесса осуществляют посредством взаимного перемещения друг относительно друга поверхностей отражения фронта детонационной волны. 4. Способ по любом из пп. 1-3, отличающийся тем, что часть энергии детонационной волны преобразуют в электрическую энергию путем съема электрического тока, по меньшей мере, с одной из поверхностей отражения фронта детонационной волны. 5. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее корпус, средства для подачи горючего и окислителя, размещенную в корпусе с образованием кольцевого канала камеру сгорания, отличающееся тем, что в корпусе образованы отдельно размещенные зоны резонансной активации горючего и окислителя, в которых размещены средства для принудительной активации компонентов топлива, при этом на выходе камеры сгорания размещены отражатель и оптически с ним связанный центрально расположенный экран, причем камера сгорания выполнена с геометрическими размерами, обеспечивающими протекание в нем периодических детонационных процессов. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что средства для принудительной активации компонентов топлива выполнены, например, в виде исковых разрядников, соединенных с выходами блока управления резонансной активацией. 7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что внутренние поверхности кольцевого канала камеры сгорания в зоне распространения детонационной волны снабжены шероховатостью в виде нарезки. 8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что отражатель и экран выполнены с возможностью перемещения их друг относительно друга. 9. Устройства по п. 5 или 8, отличающиеся тем, что отражатель или экран выполнены из материала с высокой относительной магнитной проницаемостью, электрически изолированы от корпуса и проводниками соединены с полезной нагрузкой.