РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК F02K7/16 

Изобретение относится к газотурбинным установкам, в частности к реактивному двигателю вакуумного принципа действия, и может быть использовано в воздушном, водном и наземном транспорте.

Известен роторно-реактивный двигатель по заявке №93052921, Россия, публ. 1966.07.10, который имеет ось вращения или вал, камеры сгорания с лопастями, компрессор, систему регулирования подачи топлива и воздуха в камеры сгорания, систему зажигания, систему запуска двигателя, систему управления двигателем.

Известен реактивный двигатель по патенту РФ №2187011, публ. 2002.10.08, который имеет камеру сгорания, за которой установлена турбина, центральное тело, сопло, выходная труба.

Недостатком известных аналогов является усложненная конструкция двигателей из-за наличия вспомогательных сложных систем двигателя, кроме того, исключается возможность получения высокого коэффициента использования тепла, в связи с тем, что энергия газа из камеры сгорания поступает непосредственно на лопасти турбины, которые не выдерживают высокой температуры газа, вследствие чего происходит вынужденное охлаждение газа перед турбиной.

Наиболее близким аналогом к заявляемому является усовершенствованный прямоточный двигатель по заявке №96107452, Россия, публ. 1988.07.10, который имеет корпус, воздухозаборник, турбину, сопло, компрессор, и как минимум, одну камеру сгорания, между камерами сгорания расположен турбокомпрессорный агрегат газового компрессора, перед камерой сгорания расположен воздушный компрессор, одна из камер сгорания является камерой прерывистого действия, другая является жидкостно-ракетной камерой сгорания, а одна из других камер сгорания прерывистого действия имеет, как минимум, один лопаточный вращающийся золотник.

Известный аналог имеет сложную и трудоемкую конструкцию, перенасыщенную камерами сгорания, и так же как предыдущие аналоги, не позволяет получить высокий коэффициент полезного использования энергии тепла. Вследствие того, что между камерой сгорания и реактивным соплом имеется довольно сложное устройство - турбокомпрессорный агрегат газового компрессора, который в процессе прохождения газа высокой температуры обжигает лопасти турбины, тем самым, сдерживает возможность полного использования газа в камере сгорания.

Технической задачей предлагаемого к патентованию изобретения является создание условий для получения высокого коэффициента использования энергии “тепла” за счет расширения, нагнетания и преобразования энергии “тепла” с использованием энергии “холода”.

Для решения технической задачи, реактивный двигатель, включающий корпус, воздухозаборник, турбину, компрессор, сопло и камеру сгорания (признаки сходные с ближайшим аналогом), снабжен устройством преобразования энергии и устройством преобразования жидкого топлива в газообразное состояние непрерывного действия. Устройство преобразования жидкого топлива в газообразное состояние выполнено в виде запальника, имеющего во входной части форсунку со свечами зажигания, а во выходной удлиненной его части установлен прибор подготовки топлива и топливные форсунки для подачи газообразного топлива в рабочую камеру сгорания, которая имеет входное воздушное устройство с диффузором, жаровую часть, заданного объема для возможности круговых движений воздуха и увеличения скорости его потока, и выходную сужающуюся часть, которая имеет удлиненную форму в виде горловины, входящей в устройство преобразования энергии, соединенного со входом реактивного сопла через смесительную камеру. Устройство преобразования энергии выполнено в виде нескольких последовательно установленных и входящих друг в друга с зазорами, цилиндрических труб, всасывающего принципа действия, одинаковой длины, жестко соединенных между собой направляющими пластинами, образующими воздушные щели - каналы с заданной площадью сечения для возможности движения по ним атмосферного воздуха. Цилиндрические трубы имеют разные диаметры отверстий с увеличением диаметра отверстий последующих труб для создания инерционного прямолинейно-направленного движения по ним газовоздушной массы в смесительную камеру и реактивное сопло. Смесительная камера имеет цилиндрическую форму и своей круглой поверхностью соединена с расширительной частью реактивного сопла, на входе которого установлена камера для направления газовоздушного потока параллельно оси двигателя. Со стороны корпуса двигателя на выходе воздухозаборника расположена вакуумная камера с воздуховодными трубами, с противоположной стороны которой плотно прилегает полусфера с отверстиями, в которые входят всасывающие воздуховодные трубы, соединяющие устройство преобразования энергии с вакуумной камерой. Вакуумная камера имеет цилиндрическую форму с внешней и внутренней оболочкой, внутри последней, перед устройством преобразования жидкого топлива в газообразное состояние, установлен осевой воздушный компрессор, на одной оси с которым, на входе воздухозаборника, установлена воздушная турбина, снабженная плоскими лопастями из механически прочного металла и соединенная с конусным устройством, установленным на одной оси с двигателем. Расстояние от внешней оболочки вакуумной камеры до ее внутренней оболочки равно длине плоской лопасти осевой воздушной турбины.

Совокупность новых отличительных от ближайшего аналога конструктивных признаков, в их новой взаимосвязи, обеспечивает новизну и полезный результат от реализации предлагаемого двигателя:

получение высокого коэффициента использования энергии “тепла” за счет расширения, нагнетания и преобразования энергии “тепла” с использованием энергии “холода”.

За счет конструктивного выполнения устройства преобразования энергии в виде нескольких, последовательно установленных друг в друга цилиндрических труб одинаковой длины, но с разными диаметрами отверстий, расположения этого устройства перед смесительной камерой и после рабочей камеры сгорания непрерывного действия, обеспечивается использование сверхзвуковой скорости инерционного, прямолинейно-направленного движения потока увеличенной рабочей газовоздушной массы, а также использование потенциальной внутренней энергии “холода” молекул воздуха и преобразование энергии газа высокой температуры с энергией “холода”, атмосферного воздуха.

В результате проведенного патентного поиска по фонду Краснодарского ЦНТИ, других аналогов, с совокупностью признаков, присущих заявленному изобретению, кроме описанных выше, не обнаружено, в связи с чем, можно сделать вывод, что предлагаемый к патентованию реактивный двигатель обладает новизной и патентоспособностью.

На чертеже схематично изображен реактивный двигатель. Двигатель содержит корпус 1 цилиндрической формы, воздухозаборник 2, по центру которого на одной оси с двигателем жестко установлено конусное устройство 3, выполненное из легкого, механически прочного материала с острым концом, выступающим за пределы корпуса воздухозаборника 2. Внутри конусного устройства 3 установлены вспомогательные агрегаты, например топливный насос 4, который посредством муфты сцепления 5 соединен с генератором электрического тока 6, выполняющим функции стартера, который посредством муфты сцепления 7 соединен с валом осевой воздушной турбины 8, которая расположена в зоне входящих воздушный потоков, установлена на входе воздухозаборника и имеет собственные плоские лопасти 9 из механически прочного металла, лопасти 10 вентилятора, которые образуют каналы 11 осевой воздушной турбины 8 и каналы 12 осевого воздушного компрессора 13, установленного на одной оси с осевой воздушной турбиной 8 перед устройством преобразования жидкого топлива в газообразное состояние. Осевой воздушный компрессор предназначен для повышения давления воздуха перед поступлением его в рабочую камеру сгорания 27 и состоит из трех ступеней, обеспечивающих нагнетаемым воздухом работу устройства преобразования жидкого топлива в газообразное состояние, а также непрерывность работы рабочей камеры сгорания 27. От осевого воздушного компрессора 13 отходят воздуховодные трубы 15 и 16, по его длине, в зоне входящих воздушных циркуляционных каналов расположена вакуумная камера 18, выполненная из высокопрочного металла с внешней и внутренней оболочками. Расстояние от внешней оболочки вакуумной камеры до ее внутренней оболочки равно длине плоской лопасти 9 осевой воздушной турбины. Во внутреннюю оболочку вакуумной камеры установлен осевой воздушный компрессор 13 с противоположной стороны вакуумной камеры плотно прилегает полусфера 40 с отверстиями 41, в которые входят всасывающие воздуховодные трубы 17, соединяющие устройство преобразования энергии с вакуумной камерой 18.

Устройство преобразования жидкого топлива в газообразное состояние выполнено в виде запальника 19 овально-цилиндрической формы, имеющего в своей входной части форсунку 22 со свечами 23 зажигания и в выходной своей части прибор 20 подготовки топлива и топливные форсунки 21 для подачи газообразного топлива в рабочую камеру сгорания 27 непрерывного действия.

Рабочая камера сгорания так же, как и запальник 19, имеет овально-цилиндрическую форму и состоит из диффузора 24 (расширяющейся части), входного воздушного устройства 25 “лепесткового типа” для создания циклонного вращательного движения воздуха, жаровой части со свечами 42 и с заданным объемом для круговых движений воздуха, сужающейся части 28 (конфузора) для движения уплотненного газа и увеличения скорости его потока и выходной удлиненной части - горловины 29 для создания сверхзвуковой скорости движения газа, соединенной с устройством преобразования энергии таким образом, что входит удлиненной горловиной в его первое отверстие наименьшего диаметра.

Устройство преобразования энергии выполнено в виде нескольких последовательно установленных и входящих друг в друга цилиндрических труб 30, 31 и 32 всасывающего принципа действия, одинаковой длины, жестко соединенных между собой в продольном направлении направляющими пластинами с зазорами, образующими воздушные щели-каналы 33, 34, 35 и 36, с заданной площадью сечения для возможности движения по этим каналам малыми дозами воздуха, поступающего из атмосферы.

Цилиндрические трубы 30, 31 и 32 имеют одинаковые по длине размеры, но разные диаметры отверстий, которые выполнены с увеличением диаметра отверстий последующих труб по отношению к диаметрам отверстий предыдущих труб для возможности обеспечения инерционного прямолинейно-направленного движения по этим трубам газовоздушной массы в смесительную камеру.

Смесительная камера 37 имеет цилиндрическую форму и предназначена для накопления увеличенной газовоздушной массы, использования кинетической энергии сверхзвуковой скорости инерционного прямолинейно-направленного движения газовоздущной массы, направления газовоздушного потока параллельно оси двигателя, а также преобразования потенциальной внутренней “тепловой” энергии молекул газа и потенциальной энергии “холода” молекул воздуха. Смесительная камера соединена своей круглой цилиндрической поверхностью с расширительной частью реактивного сопла 38, на выходе которого расположена камера 39 для направления газовоздушного потока параллельно осевой линии двигателя.

Двигатель работает следующим образом.

Для запуска двигателя в работу подается электрическое питание на станцию электронного управления.

Кнопкой “пуск” включают напряжение на генератор электрического тока 6, работающий в данном случае в качестве стартера. Стартер раскручивает топливный насос 4, воздушную турбину 8 и осевой воздушный компрессор 13, в результате лопасти 10 вентилятора осевой воздушной турбины нагнетают воздух в осевой воздушный компрессор 13. Воздух из атмосферы через конусное устройство 3 воздухозаборника нагнетается по воздуховодным трубам 15 и 16. При этом конусное устройство уплотняет и направляет поток воздуха на плоские лопасти 9 осевой воздушной турбины. Скорость проходящего воздушного потока через эти плоские лопасти 9 равна скорости инерционного движения потока газовоздушной массы в смесительной камере. Одновременно воздух нагнетается в кожух 26 рабочей камеры сгорания 27 и диффузор 24 входной части рабочей камеры сгорания, при этом за счет диффузора увеличивается масса воздуха и давление в рабочей камере сгорания. Одновременно воздух подается по воздуховодной трубе 16 во входную часть запальника 19 устройства преобразования жидкого топлива в газообразное состояние, при этом входная часть этого устройства изменяет направление движения воздуха на 90°. Внутри запальника 19 воздух приобретает круговое вращательное движение, уплотняется на его стенках, в центре воздушного вихря плотность воздуха уменьшается и жидкое топливо подается непрерывно под давлением в камеру сгорания запальника, распыляется в нем форсункой 22. Затем подается напряжение на свечи 23 запальника 19 и искра зажигания воспламеняет топливную смесь в устройстве преобразования жидкого топлива в газообразное состояние, т.е. в запальнике идет реакция горения обогащенного топлива с воздухом и тепловая энергия газа проходит через удлиненную горловину запальника 19 в полость рабочей камеры сгорания 27. Жидкое топливо в распыленном виде через топливную форсунку 21 прибора подготовки топлива 20 также подается в газовый тракт удлиненной горловины запальника 19. Топливо прогревается в обогащенном газовом потоке, испаряется до парогазообразования и затем поступает в рабочую камеру сгорания 27, в отверстия входного устройства 25 “лепесткового типа”, где создается циклонное круговое вращательное движение воздуха на 90°.

Далее воздушный поток переходит в жаровую часть рабочей камеры сгорания 27, где в ее заданном объеме происходит круговое движение воздуха и увеличение скорости его потока. В вихревом движении смешиваются воздух с газообразным топливом и в рабочей камере сгорания образуется газовоздушная смесь, которая воспламеняется от температуры газа запальника 19 или свечей зажигания 42 рабочей камеры сгорания на период запуска двигателя.

Реакция горения в рабочей камере сгорания в ее овальной жаровой части идет интенсивно, в результате чего, газообразное топливо с воздухом сгорает мгновенно и полно с выделением высокой температуры, которая с увеличенной плотностью и увеличенным давлением выходит через сужающуюся часть 28 (конфузор) рабочей камеры сгорания в ее удлиненную, цилиндрической формы, горловину 29, в которой кинетическая энергия движения потока газа достигает сверхзвуковой инерционной скорости и газовый поток получает направленное движение по цилиндрическим трубам 30, 31 и 32 устройства преобразования энергии, сначала в его первую цилиндрическую трубу с наименьшим диаметром отверстия, а затем проходит через следующие отверстия цилиндрических труб с увеличенным диаметром отверстий по отношению к отверстиям предыдущих цилиндрических труб.

Скорость газовоздушного потока, проходящего по цилиндрическим трубам, достигает сверхзвуковой скорости. В щелях 33, 34, 35 и 36 устройства преобразования энергии создается разреженная зона и просходит всасывание воздуха из всасывающих воздуховодных труб 17, входящих в отверстия 41 полусферы 40 вакуумной камеры 18, и нагнетание воздуха в смесительную камеру 35. Вся газовоздушная масса поступает в смесительную камеру 37, а затем в расширительную часть реактивного сопла 38, где за счет расширения газовоздушной массы происходит мгновенное падение ее плотности и давления, что способствует увеличению всасывающего из атмосферы воздуха в воздуховодные трубы 17 и вакуумную камеру 18 через конусное устройство 3 воздухозаборника 2. При расширении газовоздушной массы в реактивном сопле появляется разница между давлением в рабочей камере сгорания 27 и давлением в расширительной части реактивного сопла 38, в результате разности этих давлений увеличивается реактивная тяга двигателя, положительно влияющая на производительность работы устройства преобразования энергии.

Таким образом, реактивный двигатель работает в постоянно действующем стабильном режиме, обеспечивающем постоянную циркуляцию воздуха внутри корпуса двигателя и непрерывное всасывание воздуха из атмосферы, тем самым достигается высокий коэффициент использования энергии “тепла” за счет расширения, нагнетания и преобразования энергии “тепла” с использованием энергии “холода”, т.е. атмосферного воздуха.

В связи с тем, что воздушная турбина расположена на входе воздухозаборника перед осевым воздушным компрессором, обеспечена надежная его защита от воздействия на его лопасти газов высокой температуры, в отличие от вышеописанных аналогов, тем самым повышается долговечность и производительность работы воздушной турбины и двигателя в целом.

По сравнению с ближайшим аналогом и другими известными в области реактивных двигателей предлагаемое к патентованию изобретение имеет наиболее упрощенную и экономичную конструкцию.

Реактивный двигатель для транспорта снабжен устройством преобразования энергии и устройством преобразования жидкого топлива в газообразное состояние, между которыми расположена рабочая камера сгорания непрерывного действия. Устройство преобразования жидкого топлива в газообразное состояние выполнено в виде запальника, имеющего во входной части форсунку со свечами зажигания, а в выходной удлиненной его части установлен прибор подготовки топлива и топливные форсунки для подачи газообразного топлива в рабочую камеру сгорания. Камера сгорания имеет входное, воздушное устройство с диффузором, жаровую часть со свечами зажигания и выходную сужающуюся часть, которая выполнена удлиненной формы в виде горловины, входящей в устройство преобразования энергии. Последнее соединено со входом реактивного сопла через смесительную камеру и выполнено в виде нескольких последовательно расположенных и входящих друг в друга с зазорами цилиндрических труб. Цилиндрические трубы устройства преобразования энергии имеют разные диаметры отверстий с увеличением диаметра отверстий последующих труб по отношению к диаметру отверстий предыдущих труб. Смесительная камера соединена с расширительной частью реактивного сопла, на выходе которого установлена камера, направляющая газовоздушный поток параллельно оси двигателя. С другой стороны корпуса двигателя на выходе воздухозаборника установлена вакуумная камера с воздуховодными трубами. С противоположной стороны вакуумной камеры плотно прилегает полусфера с отверстиями, в которые входят всасывающие воздуховодные трубы, соединяющие устройство преобразования энергии с вакуумной камерой. Вакуумная камера имеет цилиндрическую форму с внешней и внутренней оболочкой. Внутри последней перед устройством преобразования жидкого топлива в газообразное состояние установлен осевой, воздушный компрессор, на одной оси с которым, на входе воздухозаборника, установлена воздушная турбина. Изобретение повышает долговечность и кпд двигателя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Реактивный двигатель, включающий корпус, воздухозаборник, камеру сгорания, турбину, компрессор и сопло, отличающийся тем, что он снабжен устройством преобразования энергии и устройством преобразования жидкого топлива в газообразное состояние, между которыми расположена рабочая камера сгорания непрерывного действия, причем устройство преобразования жидкого топлива в газообразное состояние выполнено в виде запальника, имеющего во входной части форсунку со свечами зажигания, а в выходной, удлиненной его части установлены прибор подготовки топлива и топливные форсунки для подачи газообразного топлива в рабочую камеру сгорания, которая имеет входное воздушное устройство с диффузором, жаровую часть со свечами зажигания, имеющую заданный объем для возможности круговых движений воздуха и увеличения скорости его потока, и выходную, сужающуюся часть, которая выполнена удлиненной формы в виде горловины, входящей в устройство преобразования энергии, которое соединено со входом реактивного сопла через смесительную камеру и выполнено в виде нескольких последовательно расположенных и входящих друг в друга с зазорами цилиндрических труб всасывающего принципа действия одинаковой длины, жестко соединенных между собой направляющими пластинами, образующими воздушные щели-каналы с заданной площадью сечения для возможности движения по ним атмосферного воздуха, причем цилиндрические трубы устройства преобразования энергии имеют разные диаметры отверстий с увеличением диаметра отверстий последующих труб по отношению к диаметру отверстий предыдущих труб для создания инерционного прямолинейно направленного движения газовоздушной массы в смесительную камеру и реактивное сопло, причем смесительная камера имеет цилиндрическую форму и своей круглой поверхностью соединена с расширительной частью реактивного сопла, на выходе которого установлена камера, направляющая газовоздушный поток параллельно оси двигателя, а с другой стороны корпуса двигателя расположена вакуумная камера, с противоположной стороны которой плотно прилегает полусфера с отверстиями, в которые входят всасывающие воздуховодные трубы, соединяющие устройство преобразования энергии с вакуумной камерой, которая имеет цилиндрическую форму с внешней и внутренней оболочками, внутри последней перед устройством преобразования жидкого топлива в газообразное состояние установлен осевой воздушный компрессор, на одной оси с которым на входе воздухозаборника установлена воздушная турбина, снабженная плоскими лопастями из механически прочного металла и соединенная с конусным устройством, установленным на одной оси с двигателем.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что расстояние от внешней оболочки вакуумной камеры до ее внутренней оболочки равно длине плоской лопасти осевой воздушной турбины.