Сопло двигателя с истечением масс Российский патент 2021 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способу работы и устройству сопел с истечением масс для различных двигателей.

Изобретение основывается на особом способе работы и устройстве сопла Лаваля, представляющего собой газовый канал особого профиля (имеющий сужение при входе газов, а на выходе расширение) для изменения скорости проходящего по нему газового потока. Широко использовано на некоторых типах паровых турбин и является важной частью современных ракетных двигателей и сверхзвуковых реактивных авиационных двигателей. Эффективные сопла современных ракетных двигателей профилируются на основании газодинамических расчетов.

(https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%BE_%D0%9B%D 0%B0%D0%B2%D0%B0%D0%BB%D1%8F#)

Известно сопло ракетного двигателя, содержащее расширяющуюся сверхзвуковую часть, внутренняя теплозащита которой выполнена спиралевидной навивкой армирующей ленты. Внутренняя теплозащита сверхзвуковой части сопла содержит армирующее волокно, например углеродное или кремнеземное, и связующее, например, из фенолформальдегидной смолы. В процессе абляции связующего внутренняя теплозащита образует спиралевидную и выступающую в сверхзвуковой газовый поток шероховатость из армирующего волокна высотой не менее чем четвертая часть толщины ламинарного подслоя (RU 2211939, МПК F02K 9/97, опубл. 10.09.2003, бюл. №25).

Задачей, на решение которой направлено известное изобретение, является придание вращения ракете относительно продольной оси сопла, которое обеспечивает постоянное вращение в течение всего времени работы двигателя и не вызывает повышенные потери удельного импульса. Задача выполнена частично. Вращение ракеты будет, так как есть спираль во внутренней части, но потери удельного импульса, потери давления потока газов, а следовательно и скорости потока газов тоже будут. К этому прибавится изменение направления потока газов, в сторону уменьшения угла относительно плоскости, на которой стоит широкая часть сопла. Пояснения: в первом случае идет изменение потока в интервале 0° до 90° по отношению к горизонту (приложение). Центробежная сила потока направлена вверх под углом 45° к горизонту. Во втором случае идет изменение потока в интервале от 90° до 0° к горизонту. Центробежная сила потока направлена вниз под углом 45° к горизонту. Так как сопло расширяется к выходу газов, которые вращаются по спирали, то угол наклона витков спирали постоянно уменьшается. Следовательно, центробежная сила потока газов будет направлена в сторону расширения. А так как поток со стороны расширения будет упираться в следующий виток, то центробежная сила потока будет передаваться соплу и тянуть его в сторону расширения. В патенте 2211939 говориться, о наличии витков спирали, что уменьшает давление для организации потока. Скорость потока газов уменьшится. Поток пойдет по пути наименьшего сопротивления, мимо спирали, как обычно, при прямом выходе газов из камеры сгорания. Кроме того, сопло, внутри, содержит навитые спиралевидные ленты из армирующего материала, которые разрушаются под действием высокотемпературного и высокоскоростного газового потока, возникающего при работе двигателя.

В классическом реактивном двигателе, струя выходящих газов обладает очень большой энергией и может использоваться более эффективно. В спиралевидном сопле, часть энергии потоков передается соплу. Если в классическом сопле скорость потоков возрастает, то ее можно вырастить и оставить постоянной или понизить, в бесконечности до нуля. Также если делать сопло в виде «балетной юбки», то выходные газы будут выходить горизонтально.

Задачей стоящей перед автором является увеличение тяги реактивного, турбореактивного или водометного двигателя, а также винтового движителя.

Задача решается за счет использования центробежной силы потоков движения газа или жидкости по спиралевидным канавкам, с увеличением шага витков спирали внутри сопла.

Сущностью изобретения является возможность увеличения тяги реактивного, турбореактивного или водометного двигателя, а также винтового движителя за счет использования центробежной силы потоков движения газа или жидкости по спиралевидным канавкам внутри сопла, шаг витков которых постоянно увеличивается, компенсируя и делая постоянным угол наклона витков спирали.

Сопло состоит:

1 - входное отверстие в канал подачи потока жидкости или газа

2 - выход из канала подачи потока жидкости или газа

3 - канала подачи потока жидкости или газа

4 - спиралевидные канавки (углубления)

5 - узкая часть конуса сопла

6 - широкая часть конуса сопла

Устройство представляет собой сопло, с узкой части 5 которого имеются, входные отверстия 1, ведущие в каналы 3 подачи потока жидкости или газа; каналы 3 ведут в спиралевидные канавки 4 внутри сопла. Для обеспечения наименьшего угла входа жидкости или газов в спиралевидные канавки 4, необходимо минимальное наличие двух каналов 3. Так как диаметр сопла увеличивается, необходимо увеличивать и шаг между витками спиралевидных канавок 4, чтобы компенсировать и сделать постоянным угол наклона витков спирали, что поясняется формулой: Hsp=d(h)*tg(ϕ)*2 (разъяснения к формуле см. ниже). Количество и объем спиралевидных канавок 4, кратныо количеству каналов 3 и может увеличиваться по мере увеличения шага спирали.

Шаг витков спиралевидных канавок 4 сопла может быть разным, в зависимости от типа и назначения двигателя, но угол наклона витков канавок 4 относительно горизонта одинаковый, по всей длине канавок 4 сопла. Глубина канавок 4 зависит от количества килограмм реактивной струи в секунду.

Формула для расчета шага витков спиралевидных канавок внутри сопла:

HSP=d(h)*tg(ϕ)*2

Hsp - шаг витков спирали канавок, прямая проходящая через точки (0; d1) и точка (h; d0)

h - высота сопла (вертикаль);

d(1) - это конечный диаметр сопла;

d(0) - это начальный диаметр сопла;

d(h) - функция диаметра по высоте сопла;

ϕ - угол наклона витков спирали канавок.

На фиг. 1 показано сопло в разрезе (вид сбоку).

На фиг. 2 показано сопло (вид сверху).

На фиг. 3 схематично показан пример использования заявляемого сопла с винтовым движителем.

На фиг. 4 схематично показан пример расположения спиралевидной канавки внутри сопла.

На фиг. 5 схематично показано направление движения вихревых потоков внутри сопла и угол наклона спиралевидных канавок.

На фиг. 2 показано сопло, которое имеет два канала переходящие в спиралевидные канавки. В дальнейшем количество канавок увеличивается четно. На фиг. 1 показан размер канавок, который может увеличиваться по объему. Для того, чтобы газ или жидкость, который (которая) не поместились в канавки по объему и пошли мимо канавок, могли поместиться в них.

Работу заявляемого изобретения можно показать на примере сопла Лаваля реактивного двигателя.

В процессе работы реактивного двигателя, в камере сгорания «к» образуются продукты горения (газы), выходящие со стороны широкой части 6 сопла. На канавки 4 внутри сопла, действует центробежная сила потоков, направленная на стенки сопла, с нулевым углом ко дну конуса сопла. Вихревые потоки газов, проходя через канал 3, продолжают движение по спиралевидным канавкам 4, создавая давление внутри сопла своей центробежной силой (фиг. 5). От взаимодействия с внутренними стенками сопла, газовый поток закручивается по направлению навивки спиралевидных канавок 4 (сверху вниз). В результате, корпус сопла приобретает силу в сторону меньшего диаметра (в рамках второго закона Ньютона), которая может выражаться в увеличении тяги реактивного двигателя, к которому прикреплено сопло. И так конус сопла получит центробежную силу потока F направленную под 90° относительно оси конуса сопла. Так как сила F упирается в конус изнутри под углом «ϕ», то в формуле это «sin(ϕ)», а сама стенка образующая конус, тоже находится к вертикали под углом, это cos(ϕ).

Движение потоков газов по спирали, влечет собой момент сил, возникающий вокруг симметричной оси сопла, что вызывает вращение сопла, в зависимости от того, в какую сторону закручены спиралевидные канавки 4. Для сбалансированного движения ракеты, второе сопло должно иметь спиралевидные канавки 4, завитые в противоположную сторону, из этого можно сделать вывод, что для компенсации вращения сопел, нужно четное их количество.

Тяга двигателя увеличится от 2 до 10 раз.

Заявляемое сопло может работать не только от газового потока, образуемого в результате работы реактивного или турбореактивного двигателя, но и от потока жидкости (воды) принудительно подаваемого, например, винтами плавучего средства. При этом винт должен располагаться внутри сопла вблизи его узкой части 5, которая выполняет функцию водозаборника. В процессе работы винта, будут создаваться потоки воды, выходящие со стороны широкой части 6 конуса сопла, с большим диаметром, а само сопло, дополнительно, выполняет функцию конусообразного кожуха, прикрепленного к корпусу судна (фиг. 3). В этом случае сопло может состоять из двух частей (т.е. разрезанное пополам, вдоль оси сопла) стягиваться и совмещаться в единое целое.

Как и в описании предыдущего примера с потоками газа, в данном случае, на канавки 4 внутри сопла, будет действовать центробежная сила потоков воды, направленная на стенки сопла, с нулевым углом к нижней части конуса сопла. Вихревые потоки воды проходя через канал 3, продолжают движение по спиралевидным канавкам 4, создавая давление внутри сопла своей центробежной силой (фиг. 5). От взаимодействия с внутренними стенками сопла, водяной поток закручивается по направлению навивки спиралевидных канавок 4, которые имеют направленность в сторону водяного потока, создаваемого движением винта. В результате, корпус сопла приобретает силу в сторону меньшего диаметра (в рамках второго закона Ньютона), которая может выражаться в увеличении тяги винтового движителя.

Если мы прибавляем витки в спирали сопла, то во столько увеличится и соотношение, но надо учитывать потери давления на каждый виток.

Формулы для расчетов

Формула для расчета тяги заявляемого сопла:

T1=(m*v²*sin(ϕ)*cos(ϕ)/(R_a+R_b)/2/g

T1 - тяга заявляемого сопла

m - масса газов или жидкостей постоянно находящихся в сопле

v - скорость потока газов или жидкостей (м/сек.)

ϕ - угол наклона витков спирали канавок

R - изменяющийся радиус сопла от R_a до R_b

g - ускорение свободного падения для Земли

Формула для расчета тяги реактивного двигателя с соплом Лаваля:

Т2=((dm/t)*v/g - тяга обычного реактивного двигателя без сопла Лаваля

Т2 - тяга реактивного обычного двигателя с соплом Лаваля

K=Т1/Т2 - коэффициент соотношения

dm/t - изменение массы потоков газов в единицу времени

v - скорость потока газов с учетом сопла Лаваля (м/сек.)

g - ускорение свободного падения для Земли

Центробежную силу потоков жидкостей или газов, можно вычислить по формуле:

F=m*(v²/(R_a+R_b)/2)*sin(ϕ)*cos(ϕ).

m - масса газов или жидкостей постоянно находящихся в сопле

v - скорость потока газов или жидкостей (м/сек.)

R - изменяющийся радиус сопла от R_a до R_b

ϕ - угол наклона витков спирали канавок

Изменяя форму конуса от колокола с сужением снизу до «балетной юбки», можно получить выход газов из конуса от 90° до 0° по отношению ко дну конуса.

Теперь, выше описанное изобретение, можно применять в реактивных двигателях, в замен сопел Лаваля, а так же с винтовыми, водными движителями и водометами.

Если тяга будет в n раз больше, то:

1. Топливо меньше надо.

2. Полезного груза больше.

3. Двигатель дешевле.

4. Скорость, летательного или плавучего средства, больше.

Таким образом, поставленная перед автором задача, выполнена.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способу работы и устройству сопел с истечением масс для различных двигателей. Сопло двигателя с истечением масс содержит узкую и широкую часть. Сопло со стороны узкой части имеет входные отверстия, ведущие в каналы подачи потока жидкости или газа, которые ведут в спиралевидные канавки внутри сопла. При этом шаг витков спиралевидных канавок постоянно увеличивается, по мере увеличения диаметра сопла. Угол наклона витков относительно горизонта выполнен одинаковым, по всей длине канавок сопла. Использование изобретения обеспечивает возможность увеличения тяги реактивного, турбореактивного или водометного двигателя, а также винтового движителя за счет использования центробежной силы потоков движения газа или жидкости по спиралевидным канавкам внутри сопла. 5 ил.

Сопло двигателя с истечением масс, содержащее узкую и широкую часть, отличающееся тем, что сопло со стороны узкой части имеет входные отверстия, ведущие в каналы подачи потока жидкости или газа, которые ведут в спиралевидные канавки внутри сопла, при этом шаг витков спиралевидных канавок постоянно увеличивается, по мере увеличения диаметра сопла, а угол наклона витков относительно горизонта выполнен одинаковым, по всей длине канавок сопла.