ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ПНЕВМОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК F02K5/00 

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве реактивного двигателя.

Известен турбореактивный двухконтурный двигатель, содержащий наружный корпус, внутренний корпус, воздухозаборник, двухступенчатый вентилятор, расположенный в наружном корпусе, осевой многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, соединенную посредством вала о осевым многоступенчатым компрессором, форсажную камеру, реактивное сопло /Авиация, энциклопедия, гл. ред. Г.П.Свищев, Большая Российская энциклопедия. Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е.Жуковского, М., 1994, с.595, рис.2, с.70, рис.3, 4/.

Недостатками известного турбореактивного двухконтурного двигателя являются: большой расход топлива, значительный шум, сложность конструкции и изготовления, сложность запуска, высокая стоимость изготовления и эксплуатации, невозможность повышения температуры в камере сгорания.

Указанные недостатки обусловлены сложностью изготовления осевого многоступенчатого компрессора и газовой турбины, тепловыми и прочностными характеристиками газовой турбины, высокой пожароопасностью.

Известен также турбореактивный двигатель, содержащий корпус сигарообразной формы, воздухозаборник, осевой многоступенчатый компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, которая посредством вала соединена с осевым многоступенчатым компрессором, форсажную камеру, реактивное сопло /там же, с.595, рис.1, с.49, 50, рис.1, 2, 3, 4/.

Турбореактивный двигатель, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.

Недостатки турбореактивного двигателя, принятого за прототип, те же.

Целью настоящего изобретения является уменьшение расхода топлива, увеличение кпд, повышение температуры в камере сгорания.

Указанная цель, согласно изобретения, обеспечивается тем, что газовая турбина заменена несколькими пневмостатическими двигателями, размещенными внутри корпуса между осевым многоступенчатым компрессором и форсажной камерой один возле другого, валы которых соединены последовательно друг c другом посредством соединительных муфт, одинаковыми по конструкции, каждый из которых содержит герметичный корпус, имеющий впускной, выпускной и ограничительный клапаны, закрытый передней и задней крышками, внутри которого на подшипниках установлен вал, концы которого пропущены через отверстия передней и задней крышек и через герметичные приводы вращения, кроме того, на валу закреплено несколько одинаковых по конструкции дисков, в теле каждого из которых выполнено по два глухих, открывающихся в сторону от оси вращения, канала прямоугольного сечения, расположенных по разные стороны от оси вращения и развернутых относительно друг друга на 180 градусов, причем продольные оси глухих каналов параллельны одной линии диаметра и перпендикулярны другой линии диаметра диска, кроме того, плоскость дна каждого из глухих каналов расположена под углом к линии, проходящей через центр вращения и разделяющей два противоположно направленных глухих канала, закрытых крышками, выполненными в форме части кольцевого сектора, размещенными внутри направляющих и нагруженными пружинами, причем рабочим телом пневмостатических двигателей является сжатый воздух высокого давления, система сжатого воздуха высокого давления содержит баллоны сжатого воздуха высокого давления, запорные краны с электроприводами, электроприводы выпускных клапанов, подключенные через впускные клапаны к внутренним полостям корпусов пневмостатических двигателей, а те и другие электроприводы подключены к системе управления воздушно-реактивным пневмостатическим двигателем.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид воздушно-реактивного пневмостатического двигателя, на фигуре 2 - вид на воздушно-реактивный пневмостатический двигатель в разрезе, на фигуре 3 - общий вид пневмостатического двигателя, на фигуре 4 - вид на пневмостатический двигатель слева, на фигуре 5 - схема, пневмостатического двигателя в разрезе, на фигуре 6 - общий вид диска пневмостатического двигателя, на фигуре 7 - вид на диск пневмостатического двигателя сверху, на фигуре 8 - вид сверху в разрезе на диск пневмостатического двигателя, на фигурах 9, 10 - схема давления сжатого воздуха, действующего на стенки глухих каналов диска пневмостатического двигателя, на фигуре 11 - схема возникновения вращающего момента на диске пневмостатического двигателя, на фигуре 12 - схема давления атмосферного воздуха на стенки глухих каналов диска при закрытых крышках, на фигуре 13 - схема системы сжатого воздуха высокого давления воздушно-реактивного пневмостатического двигателя.

Воздушно-реактивный пневмостатический двигатель содержит наружный корпус 1, воздухозаборник 2, внутри которого на стойках 3 закреплен неподвижный обтекатель 4, осевой многоступенчатый компрессор 5 с лопатками направляющего аппарата 6, расположенный внутри передней части наружного корпуса. В средней части во внутреннем корпусе 7 размещены один возле другого пневмостатические двигатели 8, 9, 10, 11, 12 и генератор электрического тока 15. Валы пневмостатических двигателей соединены последовательно друг с другом посредством муфт 14 и через вал 15 связаны с валом осевого многоступенчатого компрессора. Вокруг внутреннего корпуса размещены камеры сгорания 16. Внутренний корпус соединен с наружным корпусом посредством стоек 17, В задней части наружного корпуса размещена форсажная камера 18 с блоком подачи топлива 19 и имеется реактивное сопло 20. Все пневмостатические двигатели одинаковы по конструкции. Каждый из них содержит герметичный корпус 21, имеющий впускной 22, выпускной 23 и ограничительный 24 клапаны и закрытый передней 25 и задней 26 крышками. Внутри герметичного корпуса на подшипниках 27, 28 стоек 29, 30 установлен вал 31, на концах которого закреплены рычаги 32, 33, которые соединены с рычагами 34, 35, закрепленными на выходных валах 36, 37, посредством стержней 38, 39, вставленных в шары 40, 41, закрепленные в обоймах 42, 43 и 44, 45, привернутых к крышкам. Стержни соединены с резиновыми чехлами 46, 47 и 48, 49, один конец каждого из которых закреплен на стержне, а другой прикреплен к стенке крышки. На валу закреплено несколько одинаковых по конструкции дисков 50, в теле каждого из которых выполнено по два глухих канала 51, 52 прямоугольного сечения, открывающихся в сторону от оси вращения, расположенные по разные стороны от оси вращения и развернутые относительно друг друга на 180 градусов. Продольные оси каждого глухого канала параллельны одной линии диаметра диска и перпендикулярны другой линии диаметра диска. Плоскость дна каждого из глухих каналов расположена под углом α к линии, проходящей через центр вращения и разделяющей два противоположно направленных глухих канала. Глухие каналы закрыты крышками 53, 54, выполненными в форме части кольцевого сектора, вставленными в направляющие 55, 56, привернутые к диску. Внутрь направляющих вставлены пружины 57, 58, удерживающие крышки в закрытом положении при атмосферном давлении. Внутренние полости герметичных корпусов пневмостатических двигателей, рабочим телом которых является сжатый воздух высокого давления, посредством трубопроводов соединены с баллонами сжатого воздуха высокого давления 59 и запорными кранами 60, 61, 62, 63, 64, золотники которых соединены с сердечниками электромагнитов 65, 66, 67, 68, 69. Золотники выпускных клапанов также соединены с сердечниками электромагнитов 70, 71, 72, 73, 74. Все электромагниты соединены электрически с системой управления воздушно-реактивного пневмостатического двигателя.

Работа воздушно-реактивного пневмостатического двигателя.

После проверки исправности узлов и агрегатов производится запуск воздушно-реактивного пневмостатического двигателя. Для этого подается ток в обмотки электромагнитов 65, 66 запорных кранов 60, 61 пневмостатических двигателей 8, 9. Под действием давления сжатого воздуха на торцевые части крышек 53, 54 дисков 50, поступившего из баллонов 59 в герметичные корпуса 21 (на фигуре 8 показано стрелками). Крышки перемещаются внутрь направляющих 55, 56, сжимая пружины 57, 58. Сжатый воздух поступает внутрь глухих каналов 51, 52 и производит давление на дно и стенки этих каналов. Так как стороны противоположных стенок равны l=l₁, l₂=l₃, l₄=l₅, l₆=l₇, то и площади противоположных стенок глухих каналов равны и силы давления сжатого воздуха, действующие на эти стенки, равны, уравновешивают друг друга и направлены в противоположные стороны F=F₁, F₂=F₃, F₄=F₅, F₆=F₇ (фиг.9, 10). Силы давления сжатого воздуха на дно каждого из глухих каналов F₈ и F₉ ничем не уравновешены и образуют плечи сил l₈ и l₉, приложенные к дискам 50 с двух сторон от оси вращения в противоположных направлениях. Эти силы создают вращающийся момент и вызывают вращение дисков 50 и валов 31, 36, 37. Силы давления сжатого воздуха F_в и F_в1, действующие на наружные поверхности дисков 50, не препятствуют вращению и не создают никаких других сил, которые делали бы это вращение невозможным потому, что векторы действия этих сил проходят через центр вращения, не образуя никаких плеч (фиг.11). Частота вращения дисков 50 будет определяться площадью дна каждого из глухих каналов 51, 52 и величиной давления сжатого воздуха на эти площади, которое может изменяться в небольших пределах, а также нагрузкой на валах 36, 37. Вместе с двумя пневмостатическими двигателями 8, 9 вращаются вхолостую пневмостатические двигатели 10, 11, 12 и осевой многоступенчатый компрессор 5, который сжимает и нагревает поступающий из воздухозаборника 2 воздух, который далее поступает в камеры сгорания 16, куда затем подается и воспламеняется топливо. Раскаленная струя газа поступает в форсажную камеру 18 и вытекает из реактивного сопла 20, создавая реактивную тягу. Для увеличения тяги электрический ток подается последовательно в обмотки электромагнитов 67, 68, 69, сердечники которых втягиваются внутрь обмоток, передвигая золотники и открывая запорные краны 62, 63, 64. Сжатый воздух из баллонов 59 устремляется внутрь герметичных корпусов 21 пневмостатических двигателей 10, 11, 12, последовательно приводя их в движение, как было описано выше. Возрастание мощности приводит к увеличению частоты вращения осевого многоступенчатого компрессора 5. Давление, температура и количество воздуха, подаваемое им, увеличивается. В камеры сгорания впрыскивается большее количество топлива и тяга возрастает. Еще больше тяга может возрасти, если подать топливо в форсажную камеру 18 посредством блока 19 и повысить в ней температуру. Стенки форсажной камеры могут быть выложены огнеупорной керамикой (на чертежах не показано), а отсутствие газовой турбины позволит значительно увеличить температуру газа и тем самым поднять величину тяги. Для уменьшения тяги необходимо уменьшить подачу топлива, отключить форсажную камеру и подать электрический ток в электромагниты 70, 71, 72, 73, 74 выпускных клапанов 13 одного или двух пневмостатических двигателей.

Сжатый воздух, выйдя из герметичных корпусов 21, отключит один или два указанных двигателей, которые станут вращаться вхолостую. Частота вращения осевого многоступенчатого компрессора 5 уменьшится, а с ней уменьшится и тяга воздушно-реактивного пневмостатического двигателя. Таким образом, отключая или запуская тот или иной пневмостатический двигатель и изменяя подачу топлива, можно регулировать величину тяги. При работе пневмостатического двигателя вращение вала 31 передается на рычаги 32, 33, а затем посредством стержней 38, 39 на рычаги 34, 35, которые и приводят в движение выходные валы 36, 37, а сжатый воздух удерживается внутри герметичного корпуса. Для остановки воздушно-реактивного пневмостатического двигателя необходимо прекратить подачу топлива и подать электрический ток в электромагниты 70, 71, 72, 73, 74 выпускных клапанов 13 пневмостатических двигателей 8, 9, 10, 11, 12. Выпускные клапаны откроются и сжатый воздух выйдет из герметичных корпусов 21. При этом под действием пружин 57, 58 крышки 53, 54 переместятся и закроют глухие каналы 51, 52 у всех пневмостатических двигателей. Осевой многоступенчатый компрессор 5 остановится, силы давления атмосферного воздуха станут уравновешивать друг друга F₁₀=F₁₁, F₁₂=F₁₃, F₁₄=F₁₅, F₁₆=F₁₇ и никакого вращающего момента возникать на дисках 50 не будет (фиг.12). Все пневмостатические двигатели остановятся и воздушно-реактивный пневмостатический двигатель перестанет создавать тягу.

О гидро- и пневмостатических двигателях см. Патент РФ №2148886, кл. Н 02 К 7/18, F 03 В 15/00, опубл. 10.05.2000, Бюл. № 13, Патент РФ №2131376, кл. В 63 G 8/00, В 63 G 8/08, опубл. 10.06,99, Бюл. №16, Патент РФ №2147528, кл, В 60 К 5/00, опубл. 20.04.2000, Бюл. №11. Патент РФ №2132797, кл, В 63 H 21/12, опубл. 10.07.99, Бюл. №19. Патент РФ №2137659, кл. B 63 B 3/13, В 63 G 8/08, опубл. 20.09.99, Бюл. №26.

Положительный эффект: экономия топлива, простота запуска двигателя на стоянке и в полете, более высокая тяга, возможность повышения температуры истекающих газов, возможность применения топлива с более высокой теплотворной способностью.

Воздушно-реактивный пневмостатический двигатель содержит корпус, воздухозаборник, осевой многоступенчатый компрессор, камеры сгорания, размещенные внутри корпуса, форсажную камеру, реактивное сопло. Несколько пневмостатических двигателей размещены внутри корпуса между осевым многоступенчатым компрессором и форсажной камерой. Валы пневмостатических двигателей соединены последовательно друг с другом посредством соединительных муфт и механически связаны с валом осевого многоступенчатого компрессора. Внутренние полости герметичных корпусов пневмостатических двигателей пневматически соединены с системой сжатого воздуха высокого давления. Все пневмостатические двигатели одинаковы по конструкции и каждый из них содержит герметичный корпус, имеющий впускной, выпускной и ограничительный клапаны и закрытый передней и задней крышками. На валу пневмостатических двигателей закреплено несколько одинаковых по конструкции дисков, в теле каждого из дисков выполнено по два глухих, открывающихся в сторону от оси вращения, канала прямоугольного сечения, расположенных по разные стороны от оси вращения и развернутых относительно друг друга на 180 градусов. Продольные оси глухих каналов параллельны одной линии диаметра диска и перпендикулярны другой линии диаметра диска. Плоскость дна каждого из глухих каналов расположена под углом к линии, проходящей через центр вращения и разделяющей два противоположно направленных глухих канала, закрытых крышками, выполненными в форме кольцевого сектора, размещенными внутри направляющих и нагруженными пружинами. Рабочим телом пневмостатического двигателя является сжатый воздух высокого давления. Изобретение позволяет уменьшить расход топлива и повысить кпд. 2 з.п.ф-лы, 13 ил.

1. Воздушно-реактивный пневмостатический двигатель, содержащий корпус, воздухозаборник, осевой многоступенчатый компрессор, камеры сгорания, размещенные внутри корпуса, форсажную камеру, реактивное сопло, отличающийся тем, что несколько пневмостатических двигателей размещены внутри корпуса между осевым многоступенчатым компрессором и форсажной камерой, валы которых соединены последовательно друг с другом посредством соединительных муфт и механически связаны с валом осевого многоступенчатого компрессора, а внутренние полости герметичных корпусов пневмостатических двигателей пневматически соединены с системой сжатого воздуха высокого давления.2. Воздушно-реактивный пневмостатический двигатель по п.1, отличающийся тем, что все пневмостатические двигатели одинаковы по конструкции и каждый из них содержит герметичный корпус, имеющий впускной, выпускной и ограничительный клапаны и закрытый передней и задней крышками, внутри которого на подшипниках установлен вал, концы которого через герметичные приводы вращения соединены с выходными валами, кроме того, на валу закреплено несколько одинаковых по конструкции дисков, в теле каждого из которых выполнено по два глухих, открывающихся в сторону от оси вращения, канала прямоугольного сечения, расположенных по разные стороны от оси вращения и развернутые относительно друг друга на 180 градусов, причем продольные оси глухих каналов параллельны одной линии диаметра диска и перпендикулярны другой линии диаметра диска, кроме того, плоскость дна каждого из глухих каналов расположена под углом к линии, проходящей через центр вращения и разделяющей два противоположно направленных глухих канала, закрытых крышками, выполненными в форме кольцевого сектора, размещенными внутри направляющих и нагруженных пружинами, причем рабочим телом пневмостатического двигателя является сжатый воздух высокого давления.3. Воздушно-реактивный пневмостатический двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что система сжатого воздуха высокого давления содержит баллоны сжатого воздуха высокого давления, запорные краны с электроприводами, которые посредством трубопроводов через впускные клапаны соединены с внутренними полостями герметичных корпусов пневмостатических двигателей, электроприводы выпускных клапанов, причем все электроприводы подключены к системе управления воздушно-реактивным пневмостатическим двигателем.