СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2022 года по МПК B63H11/02 

Изобретение относится к судостроению, а именно к водометным движителям судов и других плавсредств. [B63H 11/02, B63H 11/02].

Как известно, воздух, как рабочее тело для передачи накопленной энергии сжатия, является неэффективным посредником в силу своей очень низкой плотности, теплоемкости и вязкости, поэтому высвобождаемая при расширении энергия на порядки ниже, чем подобные показатели для жидкостей. Частично этот недостаток удается преодолеть, используя процесс промежуточной подготовки «невесомого» рабочего тела в мелкодисперсную смесь с водой (пену). Однако практическая привлекательность такого двигателя для создания реактивного потока остается невысокой, несмотря на доступность компонентов и отсутствие «шумящей» механической системы. Кроме того, если мы захотим использовать двигатель на некоторой глубине, то будем вынуждены, либо создавать большие запасы воздуха, либо систему его доставки. Из всего этого вытекает существенный недостаток известных из уровня техники решений, а именно низкая энергоэффективность существующих водометных турбодвигателей.

Из уровня техники известен РЕАКТИВНЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ [RU (11)94 026 015(13) опубл. 27.08.1996 г.], содержащий трубу подвода воды, на которой закреплен реактивный насадок, и трубу подвода воздуха, соединенную с трубой подвода воды и компрессором, отличающийся тем, что с целью использования энергии сжатого воздуха и отработанных газов мотокомпрессора движитель выполнен двухконтурным.

Недостатками данного аналога являются:

- высокая конструктивная сложность, ввиду наличия двухконтурного двигателя, что усложняет и удорожает производство изделия и его техническое обслуживание в ходе эксплуатации;

- низкая энергоэффективность, из-за того, что используемый в аналоге сжатый воздух, как источник реактивной тяги, имеет низкую плотность и низкое значение растворимости в воде, что требует его больших запасов для длительной работы реактивного движителя.

Также из уровня техники известен ВОДОМЕТНЫЙ ТУРБОДВИГАТЕЛЬ НА ЭНЕРГИИ ВОЗДУХА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОДИСПЕРСНОЙ ВОЗДУШНО-ВОДЯНОЙ СМЕСИ [RU 204438, опубл. 25.05.2021], содержащий трубу, на внутренней стороне которой расположены форсунки, выполненные с возможностью подачи сжатого воздуха, внутри трубы за форсунками соосно размещены турбины, отличающийся тем, что труба состоит из двух коаксиально соединенных между собой сегментов, при этом каждый из сегментов трубы выполнен на входной части расширяющимся, а на выходной части - сужающимся, при этом сужающийся конец первого сегмента трубы размещен в расширяющемся сегменте второй трубы с образованием зазора между секциями трубы.

Использование микродисперсной смеси воздуха с водой позволяет полнее передать накопленную энергию сжатого воздуха, так как замедляет распад смеси на компоненты, но главным недостатком данного аналога остается невысокая энергоэффективность, из-за того, что используемый в аналоге сжатый воздух имеет низкую плотность и вязкость, и физически не может накопить значительную плотность энергии.

Другим недостатком полезной модели является практическая невозможность использования двигателя на некоторой глубине, т.к. технически неэкономично и трудоемко подавать большое количество воздуха необходимое для длительной работы двигателя.

Наиболее близким по технической сущности (а также наиболее ранним по времени патентом) является СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА ЗА СЧЕТ РЕАКТИВНОЙ СИЛЫ ПОТОКА ТЕКУЩЕЙ (ЖИДКОЙ) СРЕДЫ [UKR 32724, опубл. 25.05.2008], который отличается тем, что жидкая среда использует воздух, в виде потока воздушных пузырьков, поднимающихся вверх по наклонной плоскости транспортного средства, создает с жидкостью (водой) реактивный тягу, направленную в подводной зоне в сторону, противоположную направлению движения пузырей.

Основной технической проблемой прототипа является крайне низкая энергоэффективность, из-за того, что единственным источником реактивной тяги являются воздушные пузыри, которые поднимаются вверх под действием силы Архимеда и за счет «вязкого трения» вызывают движение воды. При этом, воздушные пузыри имеет низкую плотность и низкое значение растворимости в воде, что требует больших запасов воздуха для длительной работы реактивного движителя.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение энергоэффективности водометного турбодвигателя.

Указанный технический результат достигается за счет того, что, способ перемещения водного транспортного средства характеризующийся тем, что из емкости для хранения сжатого углекислого газа, посредством насоса высокого давления, углекислый газ подают на форсунки первого сегмента трубы, в котором создается избыточное давление и поток газово-водяной смеси ускоряется вдоль трубы и воздействует на турбины, тем самым вращая их, затем на выходе из первого сегмента трубы газово-водяной поток разделяется на два - водяной поток, который проходит в направлении сопла и выходит за пределы турбодвигателя, создавая реактивную силу, и поток углекислого газа, который поднимается вверх вдоль наклонной поверхности второго сегмента трубы в газозаборник и затем посредством насоса попадает в емкость и далее через компрессор попадают в емкость для хранения сжатого углекислого газа, образуя, тем самым замкнутый цикл движения углекислого газа.

Краткое описание чертежей.

На фиг. 1 показан вид в разрезе водометного турбодвигателя, работающего на основе использования сжатой смеси углекислого газа и воды.

На фиг. 2 показано сечение сегмента A-A водометного турбодвигателя, работающего на основе использования сжатой смеси углекислого газа и воды.

На фиг. 3 показано сечение сегмента B-B водометного турбодвигателя, работающего на основе использования сжатой смеси углекислого газа и воды.

На фиг. 4 показано сечение сегмента C-C водометного турбодвигателя, работающего на основе использования сжатой смеси углекислого газа и воды.

На фиг. 5 показано сечение сегмента D-D водометного турбодвигателя, работающего на основе использования сжатой смеси углекислого газа и воды.

На фигурах обозначено:

1 - первый сегмент трубы; 2 - второй сегмент трубы; 3 - выходной сегмент трубы; 4 - форсунки; 5 - турбины; 6 - ось; 7 - газозаборник; 8 - насос; 9 - емкость; 10 - насос высокого давления; 11 - источник сжатого углекислого газа.

Осуществление изобретения.

Водометный турбодвигатель, работающий на основе использования сжатой смеси углекислого газа и воды состоит из трубы, состоящей из последовательно соединенных первого сегмента трубы 1, второго сегмента трубы 2 и выходного сегмента трубы 3, представляющего из себя сопло. Первый сегмент трубы 1 имеет цилиндрическую форму. Внутри первого сегмента трубы 1, на внутренней стороне стенок расположены форсунки 4, которые соединены с источником сжатого углекислого газа 11, который представляет из себя емкость для хранения сжатого углекислого газа, который соединен с насосом высокого давления 10. Внутри первого сегмента трубы 1, за форсунками 4, расположены свободно обращающиеся турбины 5, жестко соединенные между собой осью 6. Первый сегмент трубы 1 неразрывно соединен со вторым сегментом трубы 2. Второй сегмент трубы 2 имеет переменное прямоугольное сечение и состоит из трех частей: первая часть выполнена расширяющейся за счет наклоненной вверх верхней стенки, вторая часть выполнена горизонтальной и имеет вверху продольные щели, представляющие из себя вход в газозаборник 7, для выхода отработанного углекислого газа. Третья часть имеет обратный наклон, относительно первой части и выполняет функцию сопла двигателя, неразрывно и плавно переходя в выходной сегмент трубы 3. Над газозаборником 7 расположен насос 8, выполненный с возможностью подачи отработанного углекислого газа в емкость 9, которая сообщена с источником сжатого углекислого газа 11, через дополнительный компрессор (на фиг. не показан).

Способ перемещения водного транспортного средства за счет реактивной силы, создаваемой водометным турбодвигателем на основе использования сжатой смеси углекислого газа и воды, характеризующийся тем, что первоначально трубу, состоящую из первого 1, второго 2 и выходного 3 сегментов погружают в воду. Далее из источника сжатого углекислого газа 11, посредством работы насоса высокого давления 10, подают углекислый газ под высоким давлением на форсунки 4, в результате в первом сегменте трубы 1 углекислый газ интенсивно смешивают с водой и создают газово-водяную смесь, представляющую из себя пенное образование. Далее пенным образованием заполняют первый сегмент трубы 1 и вытесняют воду в сторону второй секции трубы 2, в свою очередь движением воды вызывают вращение системы турбин 5, которые создают направленное движения воды. Таким образом, первоначальное движение, вызванное увеличением объема и вытесняющее воду во все стороны, приобретает устойчивое направление.

Далее газо-водяная смесь поступает во второй сегмент трубы 2, где под действием силы Архимеда, потоки углекислого газа двигаются вверх и попадают в газозаборник 7. Освободившаяся от газа вода двигается в продольном направлении до выходного сегмента трубы 3, в результате чего, через сопло выходит ускоренный поток воды, который создает реактивную тягу, и не выходит углекислый газ, который попадает в газозаборник 7.

Таким образом, функцией первого сегмента трубы 1 является порождение потока воды, вызывающего реактивное движение.

Функциями второго сегмента трубы 2 являются: создание дополнительной реактивной силы, за счет действия силы Архимеда поднимающегося углекислого газа на пологую верхнюю стенку; отделение углекислого газа для его накопления и повторного использования. В сегменте 3 происходит окончательное формирование водяной реактивной струи двигателя.

Повторное использование отделенного углекислого газа реализуется за счет того, что после попадания в газозаборник 7, посредством насоса 8, углекислый газ перемещают в емкость 9 и подают через входной патрубок в рабочую полость дополнительного компрессора (на фиг. не показан), где повышают давление отделенного углекислого газа до требуемого уровня, и подают в источник сжатого углекислого газа 11, образуя тем самым замкнутый цикл движения углекислого газа.

Заявленный способ можно использовать при перемещении преимущественно подводных плавсредств в зоне пришвартовки, а также для вспомогательного двигателя при перемещении на небольшие расстояния.

Технический результат изобретения повышение энергоэффективности водометного турбодвигателя достигается за счет того, что в водометном турбодвигателе используется новый способ создания реактивной тяги. С этой целью в двигателе используется рабочее тело с другими физическими свойствами (углекислый газ) и создается замкнутый контур для его работы. Это реализуется следующим образом: из источника сжатого углекислого газа 11, посредством работы насоса высокого давления 10, подают углекислый газ под высоким давлением на форсунки 4, далее в первом сегменте трубы 1 углекислый газ интенсивно смешивают с водой и создают газово-водяную смесь, которой заполняют первый сегмент трубы 1 и вытесняют воду в сторону второго сегмента трубы 2, чем в свою очередь, вызывают вращение системы турбин 5. Далее смесь из углекислого газа и воды подают во второй сегмент трубы 2, где пузыри углекислого газа двигаются вдоль наклонной верхней части второго сегмента 2 к газозаборнику 7, где они посредством насоса 8 попадают в емкость 9 и далее через дополнительный компрессор попадают в источник сжатого воздуха 11. Благодаря тому, что вместо воздуха, как рабочего тела, для впрыскивания в рабочую зону и создания пены используется углекислый газ, существенно повышается энергоэффективность водометного турбодвигателя, так как в процессе ускорения углекислый газ способен накапливать и передавать водному потоку на порядок больше энергии, чем воздух. Стоит отметить, что смесь воды и углекислого газа будет эффективнее вызывать реактивное движение по следующим причинам:

- удельная плотность углекислого газа в полтора раза больше, чем у воздуха;

- растворимость углекислого газа в воде (при 20 градусах С) в пять раз выше, чем у воздуха (т.е. в литре воды растворяется 0,90 литра углекислого газа - а воздуха только 0,17).

Таким образом, использование углекислого газа вместо воздуха позволяет примерно в 7,5 раз увеличить переносимую энергию в литре воды.

Также заявленный способ обеспечивает:

- повышение КПД использования энергии сжатой мелкодисперсной смеси воды и углекислого газа для получения дополнительной реактивной тяги водометного турбодвигателя за счет их физико-химических характеристик;

- изменение частотного спектра шума водометного турбодвигателя;

- возможность полностью закрытого и многократного использования газовой массы;

- более эффективную передачу энергии источника (сжатого углекислого газа) для движения воды.

Заявитель в 2021 году реализовал заявленный способ в конструкции водометного турбодвигателя, опытная эксплуатация которого подтвердила заявленный технический результат. Энергоэффективность двигателя на СО₂, в сравнении с использованием воздуха, в качестве рабочей среды для передачи энергии, выросла в 4-5 раз.

Пример достижения технического результата.

Пусть на подводном судне используется водометный турбодвигатель на основе использования сжатой смеси углекислого газа с водой. Данный двигатель используют для перемещения плавсредства в зоне пришвартовки. При его использовании, источником сжатого углекислого газа 11, подают углекислый газ под высоким давлением на форсунки 4, где его интенсивно смешивают с водой и создает газово-водяную смесь, которая вращает систему турбин 5. Далее, благодаря заявленной конструкции, использованный углекислый газ собирают в газозборник 7 и используют повторно в замкнутом цикле. При этом, так как заявленный способ используется в подводном плавательном средстве, процесс пополнения сжатого воздуха из атмосферы существенно затруднен, и высокая энергоэффективность используемого источника газа является приоритетной задачей. Благодаря тому, что в заявленном способе в качестве источника энергии применяется сжатый углекислый газ с использованием по замкнутому циклу, повышается энергоэффективность водометного турбодвигателя подводного плавательного средства, что ведет к тому, что для его полноценной работы размеры емкости для хранения сжатого газа могут быть уменьшены в 4-6 раз, по сравнению со случаем использования энергии сжатого воздуха. Также могут быть исключены случаи всплытия плавательного средства на поверхность для закачки воздуха в емкости для его хранения, а пополнение и сжатым углекислым газом может быть осуществлено в ходе планового технического обслуживания.

Изобретение относится к судостроению, а именно к водометным движителям судов. Для перемещения водного транспортного средства применяют емкости для хранения сжатого углекислого газа и посредством насоса высокого давления углекислый газ подают на форсунки первого сегмента трубы, в котором создается избыточное давление и поток газово-водяной смеси ускоряется вдоль трубы и воздействует на турбины, тем самым вращая их. Затем на выходе из первого сегмента трубы газово-водяной поток разделяется на два - водяной поток, который проходит в направлении сопла и выходит за пределы турбодвигателя, создавая реактивную силу, и поток углекислого газа, который поднимается вверх вдоль наклонной поверхности второго сегмента трубы в газозаборник и затем посредством насоса попадает в емкость и далее через компрессор попадает в емкость для хранения сжатого углекислого газа, образуя тем самым замкнутый цикл движения углекислого газа. Достигается повышение энергоэффективности водометного турбодвигателя. 5 ил.

Способ перемещения водного транспортного средства, характеризующийся тем, что из емкости для хранения сжатого углекислого газа, посредством насоса высокого давления, углекислый газ подают на форсунки первого сегмента трубы, в котором создается избыточное давление и поток газово-водяной смеси ускоряется вдоль трубы и воздействует на турбины, тем самым вращая их, затем на выходе из первого сегмента трубы газово-водяной поток разделяется на два - водяной поток, который проходит в направлении сопла и выходит за пределы турбодвигателя, создавая реактивную силу, и поток углекислого газа, который поднимается вверх вдоль наклонной поверхности второго сегмента трубы в газозаборник и затем посредством насоса попадает в емкость и далее через компрессор попадает в емкость для хранения сжатого углекислого газа, образуя тем самым замкнутый цикл движения углекислого газа.