ГИБРИДНАЯ ДЕТОНАЦИОННАЯ РЕАКТИВНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА КРИШТОПА (ГДРСУК) И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГДРСУК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2022 года по МПК F02K7/06 

Заявленное изобретение ГДРСУК относится к области гибридных реактивных силовых установок детонационного горения с МГД генератором, вырабатывающим электроэнергию при вращении электропроводных продуктов детонационного горения в круговом канале МГД генератора, а реактивная тяга, которых формируется сверхзвуковым выходом продуктов детонационного горения из основного реактивного сопла на выходе кругового канала МГД генератора. ГДРСУК может высокоэффективно использоваться для гибридных летательных аппаратов, работающих в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей в несколько Махов, которые могут использоваться для дальнемагистральной сверхзвуковой высокоэффективной и надежной авиации. Возможно применение природного газа в качестве наиболее предпочтительного недорогого и легкого топлива для летательных аппаратов. ГДРСУК также может высокоэффективно использоваться для любого вида наземного или водно-морского транспорта, а также для гибридных амфибий аэроземноводных конструкций.

Из существующего уровня техники известны так называемые «спиновые» реактивные двигатели непрерывной круговой детонации и их термический КПД гораздо более высокий в соответствии с Л [3, 4, 5], чем в реактивных двигателях при дефлаграционном горении топливно-воздушных смесей в соответствии с Л [1, 2]. Продукты детонационного горения топливно-воздушных смесей имеют сверхзвуковую скорость на выходе из сопла в детонационных реактивных двигателях, а их высокая температура достаточна для ионизации электропроводного рабочего тела МГД генератора в соответствии с Л [10, 11, 12], что также, например, используется в гибридной силовой установке (см. патент на изобретение RU 2714553 «ДИСКОЛЕТ КРИШТОПА (ДЛК), ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА (ГСУ) ДЛЯ ДЛК И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДЛК С ГСУ (ВАРИАНТЫ)».

Из уровня техники также известно, что детонационное горение возникает и при объемном взрыве, представляющем собой неконтролируемое выделение большого запаса энергии газовой или аэрозольной смеси горючих веществ и окислителя, заполняющих ограниченное пространство, при определенном соотношении горючего и окислителя и наличия инициирующего импульса, и, например, для смеси природного газа с воздухом в пределах доли природного газа 3,80-17,0% создаются условия для образования объемного взрыва в соответствии с Л [6-9].

Однако в настоящее время из уровня техники не известна гибридная детонационная реактивная силовая установка, работающая при детонационном горении, имеющем место при объемном взрыве топливно-воздушных смесей.

Таким образом, остается актуальной задача создания гибридной детонационной реактивной силовой установки, работающей при детонационном горении, имеющем место при объемном взрыве топливно-воздушных смесей.

Задачей достижения технического результата, на который направлено заявленное изобретение, является создание Гибридной детонационной реактивной силовой установки, работающей при детонационном горении, имеющем место при объемном взрыве топливно-воздушных смесей.

Указанная задача (достижение технического результата) решается тем, что предложена Гибридная детонационная реактивная силовая установка, по пункту 1 формулы изобретения.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложена Гибридная детонационная реактивная силовая установка, по пункту 2 формулы изобретения.

Технический результат достигается также в способе функционирования Гибридной детонационной реактивной силовой установки (далее - ГДРСУ), по пункту 3 формулы изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами Фиг. 1 и Фиг. 2.

На чертежах Фиг. 1 (-1/1-) и Фиг. 1 (-1/2-) представлена функциональная схема ГДРСУ, где: 1 - как минимум, две детонационные камеры объемного взрыва, 2 - выходные реактивные сопла детонационных камер объемного взрыва, 3 - торсион с регулируемым моментом закручивания, 4 - шиберное устройство, с однолепестковым шибером, 5 - внешний корпус МГД генератора, 6 - основное реактивное сопло ГДРСУ, 7 - опорный подшипник, закрепленный на кронштейнах 8 на выходе основного реактивного сопла, 9 - газовая турбина привода отдельного воздушного компрессора, 10 - металлический вал между газовой турбиной и отдельным воздушным компрессором, который также выполняет функцию центрального электрода МГД генератора, 11 - герметичное уплотнение на металлическом валу между газовой турбиной и отдельным воздушным компрессором на торцевой внутренней поверхности замкнутого кругового МГД канала, 12 - пара полюсов N и S постоянного магнита и/или электромагнита, 13 - замкнутый круговой МГД канал МГД генератора, 14 - электрический контакт, выполненный в виде металлического кольца на внутренней поверхности замкнутого кругового МГД канала, 15 - отдельный воздушный компрессор, корпус которого закреплен на внешнем корпусе МГД генератора, 16 - воздушный ресивер системы подачи сжатого воздуха, к которому подключен отдельный воздушный компрессор с приводом от газовой турбины, 17 - кронштейны на входе в отдельный воздушный компрессор, 18 - опорный подшипник, закрепленный на кронштейнах 17 на входе в отдельный воздушный компрессор, 19 - электрический щеточный аппарат к центральному электроду, которым служит металлический вал между газовой турбиной и отдельным воздушным компрессором, К1 - коммутационный аппарат для подключения электродвигателя ЭД-1, К2 - коммутационный аппарат для подключения электродвигателя ЭД-2, К3 - коммутационный аппарат для подключения электрического аккумулятора АБ к электрическому щеточному аппарату 19, блок управления (на эскизе не показан).

На чертежах Фиг. 2 (-2/1-) и Фиг. 2 (-2/2-) представлена функциональная схема детонационной камеры объемного взрыва 1 ГДРСУ, где: 20 - устройство запуска процесса детонационного горения при объемном взрыве, например детонационная трубка или свеча зажигания, 21 - форсунка системы подачи топлива, 22 - форсунка системы подачи сжатого воздуха для образования строго дозированной топливовоздушной смеси по критериям условий образования объемного взрыва. На эскизе Фиг. 2 (-2/1-) детонационная камера объемного взрыва 1 ГДРСУ в момент открытия форсунки системы подачи топлива 21 и форсунки системы подачи сжатого воздуха 22 для образования строго дозированной топливовоздушной смеси по критериям условий образования объемного взрыва, когда шиберное устройство, с однолепестковым шибером 4 закрывает выход из выходного реактивного сопла детонационной камеры объемного взрыва под действием начального регулируемого момента закручивания торсиона 3. На эскизе Фиг. 2 (-2/2-) детонационная камера объемного взрыва 1 ГДРСУ в момент после закрытия форсунки системы подачи топлива 21 и форсунки системы подачи сжатого воздуха 22 после образования строго дозированной топливовоздушной смеси по критериям условий образования объемного взрыва, и срабатывания устройства запуска процесса детонационного горения 20 при объемном взрыве, когда шиберное устройство, с однолепестковым шибером 4 открывает выход из выходного реактивного сопла детонационной камеры объемного взрыва под действием под действием детонационной волны в момент выхода основного потока выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва в пространство замкнутого кругового МГД канала с круговым сверхзвуковым движением вращения продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси, электропроводного рабочего тела МГД генератора.

На чертежах Фиг. 1 и Фиг. 2 показан вариант исполнения ГДРСУ с предпочтительной формой детонационной камеры объемного взрыва 1 в виде шара, а выходные реактивные сопла 2 детонационных камер объемного взрыва выполнены в виде предпочтительной коробчатой формы прямоугольного сечения. Для обеспечения оптимального температурного режима работы ГДРСУ могут использоваться любые известные системы охлаждения двигателей, например естественное воздушное охлаждение. Для вариантов исполнения ГДРСУ с двумя отдельными системами подачи разного топлива, топливовоздушная смесь которого способна к образованию объемного взрыва, в детонационной камере объемного взрыва устанавливаются две отдельные форсунки системы подачи топлива 21. Варианты исполнения ГДРСУ определяются на основании технического задания при проектировании.

Работа ГДРСУ, описанного по чертежам Фиг. 1 и Фиг. 2, осуществляется следующим образом. Для запуска в работу ГДРСУ блок управления включает через форсунку 21 системы подачи топлива и форсунку 22 системы подачи сжатого воздуха Фиг. 2 (-2/1-) подачу строго дозированной, в пределах взрывоопасности состава, топливовоздушной смеси в детонационные камеры 1 объемного взрыва. Например, для смеси природного газа с воздухом в пределах доли природного газа 3,80-17,0% создаются условия для образования объемного взрыва в соответствии с Л [6-9], а при работе на других видах топлива условия для образования объемного взрыва могут выбираться также по Справочнику химика 21. Затем включают одновременно или поочередно устройства запуска процесса детонационного горения 20 при объемном взрыве в каждой детонационный камере 1 объемного взрыва, количество которых от двух или более и зависит от размеров и мощности ГДРСУ, и при этом сверхзвуковая детонационная волна продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси каждой детонационной камеры объемного взрыва, через открывающееся под действием детонационной волны шиберное устройство 4, с однолепестковым шибером, каждого выходного реактивного сопла 2 Фиг. 2 (-2/1-), направленного внутрь замкнутого кругового МГД канала 13 Фиг. 1 (-1/2-) под оптимальным углом формирует круговое сверхзвуковое движение вращения продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси. После выхода продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси шиберное устройство 4, с однолепестковым шибером, каждого выходного реактивного сопла 2 Фиг. 2 (-2/1-), снова закрывается под действием торсион 3 с регулируемым моментом закручивания и описанный процесс повторяется. А высокая температурная ионизация продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси позволяет использовать их в качестве электропроводного рабочего тела в замкнутом круговом МГД канале МГД генератора для выработки электроэнергии постоянного тока. А выход через единственный выход для продуктов детонационного горения в виде основного реактивного сопла 6 ГДРСУ с газовой турбиной 9 внутри и обеспечивает, таким образом, реактивную тягу ГДРСУ и работу отдельного воздушного компрессора 15 с приводом от газовой турбины 9. Выработанная электроэнергия постоянного тока МГД генератора используется для электроснабжения отдельного источника электроэнергии постоянного тока, например электрического аккумулятора АБ Фиг. 1 (-1/2-) и цепи электрической нагрузки отдельного потребителя постоянного тока, например двух электродвигателей ЭД1 и ЭД2 Фиг. 1 (-1/2-) в составе ГДРСУ, которые могут использоваться для привода отдельной механической нагрузки ГДРСУ. Различные варианты исполнения ГДРСУ могут высокоэффективно использоваться для любого вида наземного или водно-морского транспорта, а также для гибридных амфибий аэроземноводных конструкций.

Алгоритм работы других вариантов исполнения состава и элементов ГДРСУ аналогичен вышеописанному.

Благодаря вышеперечисленному в изобретении достигается технический результат, заключающийся в создании Гибридной детонационной реактивной силовой установки, работающей при детонационном горении, имеющем место при объемном взрыве топливно-воздушных смесей.

Список литературы:

1. Кулагин В.В. Теория, расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок. Изд. 2-е. М. Машиностроение. 2003.

2. Скубачевский Г.С., Авиационные газотурбинные двигатели. Конструкция и расчет деталей, 2 изд., М., 1965; «Авиация и космонавтика», 1963, №3, с. 6-13; 1966, №2, с. 60-64; 1967, №7, с. 57-61.

3. Елисеев, Ю.С. Исследование возможности увеличения тяги двухконтурного турбореактивного двигателя с помощью выносных пульсирующих детонационных форсажных камер / Ю.С. Елисеев, Ю.Н. Нечаев, В.А. Левик [и др.] //Двигатели 21 века: тез. докладов. М.: ЦИ-АМ, 2000. - С. 16-17.

4. Елизаров, В.А. Некоторые аспекты стендовой отработки пульсирующего детонационного двигателя, работающего на керосиново-воздушном топливе / В.А. Елизаров [и др.] // Сб. научных докладов РАН. М.: ИМАШ, РАН, 2002 - С. 338-343.

5. Елистратов Нечаев, Ю.Н. Новый тип двигателя с периодическим сгоранием топлива -пульсирующий детонационный двигатель / Ю.Н. Нечаев // Вестн. академии наук авиации и космонавтики. - №2. - 2002. - С. 28-32.

6. Курант, Г. Сверхзвуковое течение и ударные волны/ Г. Курант, К. Фридрих с. - М.; ИИЛ, 1950. - С. 426.

7. А.А. Васильев. Особенности применения детонации в двигательных установках, с. 129, 141-145.

8. Ф.А. Быковский и др. Инициирование детонации в потоках водородно-воздушных смесей, с. 521-539 / Импульсные Детонационные Двигатели. Под редакцией д.ф.м.н. С.М. Фролова. ТОРУС-ПРЕСС, М., 2006).

9. Инициирование газовой детонации электрическими разрядами / Импульсные Детонационные Двигатели. Под редакцией д.ф.м.н. СМ. Фролова. ТОРУС-ПРЕСС, 2006, М., с. 235-254.

10. Ашкинази Л. МГД-генератор //Квант, 1980, №11, С. 2-8.

11. Тамоян Г.С Учебное пособие по курсу "Специальные электрические машины" - МГД-машины и устройства.

12. Каулинг Т. Магнитная гидродинамика. М.: Изд-во МИР, 1964. 80 с.

Изобретение ГДРСУК относится к области гибридных реактивных силовых установок детонационного горения с МГД генератором, вырабатывающим электроэнергию при вращении электропроводных продуктов детонационного горения в круговом канале МГД генератора, а реактивная тяга которых формируется сверхзвуковым выходом продуктов детонационного горения из основного реактивного сопла на выходе кругового канала МГД генератора. ГДРСУК может высокоэффективно использоваться для гибридных летательных аппаратов, работающих в широком диапазоне - от нулевых до сверхзвуковых скоростей в несколько Махов, которые могут использоваться для дальнемагистральной сверхзвуковой высокоэффективной и надежной авиации. Возможно применение природного газа в качестве наиболее предпочтительного недорогого и легкого топлива для летательных аппаратов. ГДРСУК также может высокоэффективно использоваться для любого вида наземного или водно-морского транспорта, а также для гибридных амфибий аэроземноводных конструкций. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гибридная детонационная реактивная силовая установка, характеризующаяся тем, что включает в себя блок управления, МГД генератор с замкнутым круговым МГД каналом, в центре которого имеется только один выход для продуктов детонационного горения в виде основного реактивного сопла с газовой турбиной внутри, на одном валу с которой подключен отдельный воздушный компрессор, содержащий электрические контакты плюс и минус для цепи постоянного тока, которые имеют возможность подключения к отдельному источнику электроэнергии постоянного тока и/или к цепи электрической нагрузки отдельного потребителя постоянного тока, одним из которых в виде центрального электрода служит металлический вал, между газовой турбиной и отдельным воздушным компрессором в центре замкнутого кругового МГД канала, а другой электрический контакт выполнен в виде металлического кольца на внутренней поверхности замкнутого кругового МГД канала, а также пару полюсов N и S постоянного магнита и/или электромагнита, магнитный поток которого перпендикулярен направлению тока в цепи постоянного тока между электрическими контактами плюс и минус цепи постоянного тока, и при этом снаружи замкнутого кругового МГД канала расположены, как минимум, две детонационные камеры объемного взрыва, каждая из которых содержит форсунку системы подачи топлива и форсунку системы подачи сжатого воздуха для образования строго дозированной топливовоздушной смеси, а также устройство запуска процесса детонационного горения при объемном взрыве, а выходные реактивные сопла которых направлены внутрь замкнутого кругового МГД канала под оптимальным углом, образованным касательной к окружности электрического контакта, выполненного в виде металлического кольца на внутренней поверхности замкнутого кругового МГД канала, для формирования кругового сверхзвукового движения вращения продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси, которые являются электропроводным рабочим телом МГД генератора, а на выходе каждого реактивного сопла детонационных камер объемного взрыва установлено шиберное устройство с однолепестковым шибером, который закреплен на торсионах с регулируемым моментом закручивания, имеющим возможность закрываться для предотвращения доступа продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси электропроводного рабочего тела МГД генератора при заполнении топливовоздушной смесью каждой детонационной камеры объемного взрыва и открываться под действием детонационной волны в момент выхода основного потока выхлопных газов объемного взрыва из детонационной камеры объемного взрыва в пространство замкнутого кругового МГД канала с круговым сверхзвуковым движением вращения продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси электропроводного рабочего тела МГД генератора, а также включает в себя первичный источник энергии, который содержит, как минимум, один электрический аккумулятор и/или накопитель электроэнергии любого известного вида, основные топливные баки, а также системы подачи топлива, как минимум один воздушный ресивер системы подачи сжатого воздуха, к которому подключен отдельный воздушный компрессор с приводом от газовой турбины, как минимум один электродвигатель, имеющий возможность подключения с одной стороны непосредственно к первичному источнику энергии и электрическому контакту, выполненному в виде металлического кольца на внутренней поверхности замкнутого кругового МГД канала, а также с другой стороны через коммутационные аппараты и электрический щеточный аппарат к центральному электроду, которым служит металлический вал между газовой турбиной и отдельным воздушным компрессором в центре замкнутого кругового МГД канала, имеющий возможность вращения на опорных подшипниках, один из которых закреплен на кронштейнах на выходе основного реактивного сопла с газовой турбиной внутри, а другой из которых закреплен на кронштейнах на входе в отдельный воздушный компрессор.

2. Гибридная детонационная реактивная силовая установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит систему охлаждения известного типа и/или как минимум две системы подачи разного топлива, топливовоздушная смесь которого способна к образованию объемного взрыва.

3. Способ функционирования гибридной детонационной реактивной силовой установки (далее - ГДРСУ), отличающийся тем, что используют ГДРСУ по п. 1 и при этом для запуска в работу блоком управления включают через форсунку системы подачи топлива и форсунку системы подачи сжатого воздуха подачу строго дозированной, в пределах взрывоопасности состава, топливовоздушной смеси в детонационные камеры объемного взрыва, а затем включают одновременно или поочередно устройства запуска процесса детонационного горения при объемном взрыве в каждой детонационный камере объемного взрыва, количество которых от двух или более и зависит от размеров и мощности ГДРСУ, и при этом сверхзвуковая детонационная волна продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси каждой детонационной камеры объемного взрыва через открывающееся под действием детонационной волны шиберное устройство с однолепестковым шибером каждого выходного реактивного сопла, направленного внутрь замкнутого кругового МГД канала под оптимальным углом, формирует круговое сверхзвуковое движение вращения продуктов детонационного горения топливовоздушной смеси, являющихся электропроводным рабочим телом в замкнутом круговом МГД канале МГД генератора, которые затем выходят через единственный выход для продуктов детонационного горения в виде основного реактивного сопла ГДРСУ с газовой турбиной внутри и обеспечивают, таким образом, реактивную тягу ГДРСУ, работу отдельного воздушного компрессора с приводом газовой турбины и выработку электроэнергии постоянного тока МГД генератором для электроснабжения отдельного источника электроэнергии постоянного тока в виде, как минимум, одного электрического аккумулятора и/или накопителя электроэнергии любого известного вида и цепи электрической нагрузки отдельного потребителя постоянного тока в виде, как минимум, одного электродвигателя в составе ГДРСУ, который может использоваться для привода отдельной механической нагрузки ГДРСУ.