Генератор газо-воздушной смеси под давлением Советский патент 1941 года по МПК F02C3/28 

Основные затруднения в проблемах турбины внутреннего горения и реактивного двигателя, использующего кислород воздуха, заключаются в потерях, связанных с предварительной компрессией воздуха ДЛЯ горения, и в высокой температуре газов горения.

Затруднения, создаваемые высокой температурой газов, особенно существенны в турбинах внутреннего горения, где имеются движущиеся части - лопатки, находящиеся под большими центробежными усилиями, вопрос же экономичной компрессии воздуха является одинаково существенным как ДЛЯ турбин, так и для реактивных двигателей. Затруднения с компрессией заключаются в потерях компрессора, в также в усложнении и утяжелении установки наличием самого компрессора, что весьма существенно для реактивных двигателей, применимых ТОЛЬКО ДЛЯ скоростной авиации.

Сущность изобретения касается геHeipaTOpOB газовоздущной смеси под давлением для турбин, ракет и других устройств, в каковых генераторах сжатие и всасывание воздуха для горения производится газовым столбом, получаемым в результате сжигания топлива.

В предлагаемом генераторе, для предотвращения перемешивания газового столба с засасываемым воздухом, между камерой горения и буферной камерой расположен ряд параллельных каналов.

На схематическом чертеже фиг. I изображает продольный разрез генератора газовоздушной смеси под давлением; фиг. 2 - то же без сборника газовоздущной смеси; фиг. 3 - то же со сборниками сжатого воздуха; фиг. 4 - то же с применением воздушной турбины; фиг. 5 - то же с применением буферного баллона для приема части сжатого в генераторе воздуха.

Газогенератор, изображенный на фиг. 1, состоит в основном из компрессионной трубы 4 и буферного сборника 5 газовоздушной смеси. Между помещенными в компрессионной трубе 4 камерой 1 горения и буферной камерой 3 расположен ряд параллельных каналов 2, служащих для уменьшения перемешивания газового столба с засасываемым и сжимаемым воздухом.

Часть трубы, играющая роль буферной камеры 3, сообщается посредством автоматического клапана 6 со

сборником 5 .воздуха. Воздух засасывается в камеру 1 горения и прилегающие каналы 2 из атмосферы посредством трубы 7 через легкий автоматический клапан 8, открывающийся внутрь камеры горения при равенстве давления газов в камере с давлением наружного воздуха. Горючее в камере распыляется форсункой 9 и воспламеняется свечей 10, действие которых связано с закрытием автоматического клапана 8.

В камере 3 компрессионной трубы 4 имеются еще другие дополнительные форсунка 11 и свеча 12, имеющие только пусковое назначение.

Автоматический клапан 6 устроен так, что пропускает газовоздущную смесь в буферный сборник 5 только при определенном давлении, могущем быть не выше 4-5 атм., в зависимости от величины избытка воздуха и теплотворной способности весовой единицы горючей смеси.

Газовоздушная смесь отводится из буферного сборника 5 по трубе 13 на место потребления практически постоянным потоком посредством регулятора давления - клапана 14, рассчитанного на то же давление, что и клапан 6.

В пусковой период в сборнике 5 находится сжатый воздух под давлением в 4-5 ат.м., а в компрессионной трубе 4 - чистый воздух атмосферной плотности.

Для пуска устройства в объеме камеры 3 компрессионной трубы горючее распыляется и воспламеняется пусковыми форсункой И и свечей 12. Происходит вспышка образовавшейся в камере 3 горючей смеси, вследствие чего большая часть воздуха, находящегося в ряде каналов 2, будет давлением газов из камеры 3 вытеснена в камеру 1 горения.

Клапан 8, открытый в начальный момент в силу равенства давления воздуха в камере горения с давлением наружного воздуха, закроется в начале сжатия воздуха в камере 1 горения.

Вследствие этого происходит с требуемыми запаздываниями работа связанных с автоматическим клапаном 8 рабочей форсунки 9 и свечи 10.

Поскольку моменты запаздывания

действия форсунки 9 и свечи 10 сделаны с учетом времени полного сжатия воздуха, находящегося в камере 3 и каналах 2 компресоионной трубы, то момент горения топлива в камере 1 горения совпадает с моментом наивысшей компрессии воздуха в камере горения и обратным отражением.

Происходящая в камере горения первая вспышка, имеющая мощность, слагающуюся из энергии горения и энергии, внесенной в камеру горения от пусковой вспышки, создает более мощную волну истечения в буферную камеру 3, вследствие чего часть содержимого буферной камеры будет протолкнута под постоянным давлением в сборник 5 через клапан 6.

Одновременно истечение газов из камеры горения вызывает в ней понижение давления. Когда давление газов в камере горения понизится, то автоматический клапан 8 открывается, а в камеру 1 горения и в ряд каналов 2, прилегающих к ней, засасывается воздух под атмосферным давлением. Поскольку из буферной камеры 3 отражается часть энергии первой рабочей вспышки, равная мощности пусковой вспышки, то процесс в камере горения повторяется.

Так как во время работы компрессионной трубы 4 в сборник 5 постоянно поступает через клапан 6 газовоздущная смесь, то и из буферного сборника 5 непрерывным потоком отводится по трубе 13 через клапан 14 наместо потребления равное поступающему из компрессионной трубы количество газовоздушной смеси под постоянным давлением.

Если емкость буферной камеры 3 достаточно велика по отношению к емкости камеры 1 горения и трубчатой части из ряда каналов 2, то потребность в баллоне 5 отпадает. На фиг. 2 показан такой газогенератор без буферного сборника, излишнего в данном случае в виду большой емкости камеры 3. Работа данного устройства аналогична р аботе компрессионной трубы вышеописанного устройства, с той только разницей, что процесс отражения в данном случае хотя не слабее, но менее резко выражен, а именно вследствие большей емкости буферной

камеры 3 резкие колебания давления в камере I горения не будут вызывать практически значительных колебаний давлений в объеме буферной камеры 3.

Энергия газов горения, истекающих из камеры горения, будет производить в данном случае вытеснение газовоздушной смеси из прилегающей части практически под постоянным давлением, а компрессия засосанного воздуха будет также производиться под постоянным давлением из буферного баллона. Кроме выщеописанного мгновенного пуска газогенератора возможен и постепенный. Пусковая форсунка 11 и свеча 12 в этом случгае будут излищним.и. Работа компрессионной трубы на этот ;раз начнется с первой вспыщкн в камере горения горючей смеси атмосферного давления.

С каждой новой вспыщк ой колебательный процесс в компрессионной трубе будет усиливаться, пока не достигнет предельной рабочей величины, после чегОтолько и начнется поступление газовоздущной смеси в буферный баллон. Поскольку предельно допустимое в буферной камере 3 (фиг. 2) или в буферном сборнике 5 (фиг. 1) давление ограничено теплотворной способностью весовой единицы горючей смеси и степенью избытка воздуха, то несмотря на то, что данный газогенератор не нуждается в турбокомпрессоре, все же будет целесообразно применить наддув газогенератора воздухом под давлением в 2-3 атм. посредством турбокомпрессора, действующего от вала турбины, с целью получения больших конечных степеней расширения газов и увеличения так называемой литровой мощности газогенератора.

Вышеописанное устройство может производить не только газовоздущную смесь, но и чистый сжатый воздух.

Как видно из фиг. 3, газогенератор 4 в данном случае соединен со стороны камеры горения с двумя сборниками 15 и 16 сжатого воздуха, в коих во время работы газогенератора 4 содержится сжатый воздух разных давлений, а именно в сборнике 15 больщего давления, чем в сборнике 16.

Во время нормальной работы газогенератора 4 выходящая из него газовоздущная смесь направляется в турбину 17, приводящую в действие компрессор 18.

Из компрессора 18 сжатый воздух поступает непосредственно в сборник 16, а отсюда подается в газогенератор 4 по трубе-19 через автоматический клапан 20. Компрессор 18 в данном случае выполняет первую ступень сжатия низкого давления, а вторая высшая ступень сжатия выполняется газогенератором 4.

Воздух поступает в газогенератор 4 из сборника 16 в количестве, слагающемся из воздуха, петребного для горения топлива в камере горения, воздуха, образующего изолирующую прослойку между газами предыдущего горения и воздухом для последующего горения, и воздуха, отдаваемого из газогенератора, как конечной продукции.

Вторая ступень сжатия воздуха,отводимого по трубе 21 через посредство буферного сборника 15 высокого давления и клапанов 22 и 23, осуществляется следующим образом.

Когда воздух, поступивший из сборника 16, сжимается обратной волной давления из буферной части газогенератора 4, в некоторый средний момент процесса сжатия распределительным устройством, действующим от вала турбины 17 и синхронизированным с колебательными процессами, происходящими в газогенераторе 4, открывается клапан 22.

Поэтому, соответствующая часть избыточного воздуха успевает пройти через клапан 22 по трубе 24 в буферный сборник 15 под некоторым высшим давлением против давления воздуха, поступившего из сборника 16 низкого давления.

После закрытия клапана 22 давление в камере I горения нродолжает понижаться до полного истощения обратной волны.

К этому моменту наинизщей компрессии воздуха в камере горения приурочивается работа форсунки 9 и свечи 10, управляемых тем же синхронизированным устройством, что и клапан 22.

Посредством вышеописанного устройства генератора, являющегося в данном случае компрессором внутреннего горения, возможно получение чистого сжатого воздуха значительных давлений до 30 атм. и выше, в зависимости от удельного значения проталкиваемого в сборник 15 количества воздуха Б обш;ем количестве воздуха, поступаюш,его из сборника 16.

Чем меньше количество воздуха, тем больше будет давление воздуха, выходяш,его из буферного сборника 15 высокого давления.

Кроме жидких горючих в вьш1еописанном газогенераторе возможно применение твердого топлива - угля в виде тончайшего порошка, смоченного небольшим количеством жидкого горючего, так как образуюш,аяся при этом угольная кашица легко может быть подана в камеру горения теми же способами, что и жидкое горючее.

В результате применения вышеописанного газогенератора к турбинам получается ряд преимуш,еств против обычных турбин внутреннего горения.

Отсутствует турбокомпрессор и потери с ним связанные, а также отпадают несоответственно большие мош,ности турбины против получаемой полезной энергии.

Достигается низкая температура конечной продукции газовоздушной смеси, приемлемая для лопаток турбины.

Применима турбина с небольшим количеством ступеней давления, имеющая высокий коэфициент полезного действия.

Возможно использование твердого топлива - угля по принципу внутреннего горения, так как в турбине нет смазывающихся трущихся частей, непосредственно подверженных действию газов горения, как это имеет место в поршневых двигателях внутреннего горения, па каковые могли бы осаждаться неизбежные несгораемые примеси угля и угольного порошка. Использование же угля по принципу внутреннего горения существенно важно, поскольку мировые запасы топлива заключаются приемущественно в твердом виде, а ожижение (гидрогенизация) угля дорого.

Коэфициент полезного действия турбины с выщеописанным газогенфатором может быть, примерно, 45%.

При применении же выщеописанного газогенератора, как реактивного двигателя, путем присоединения обычного сопла получается реактивный движитель, обладающий следующими преимуществами против обычно мыслимых для высотной авиации реактивных движителей на жидком кислороде.

Отпадает весьма существенный нетранспортабельный груз на борту самолета в виде жидкого кислорода, заменяемого атмосферным кислородом.

Вследствие засоса газогнератором кроме кислорода необходимого для горения горючего, еще больших балластных масс газов, азота воздуха горения и избыточного воздуха, требуемого условиями горения в газогенераторе, скорость истечения газов в данном реактивном движителе будет много меньще, чем в питаемых жидким кислородом.

Поэтому данный реактивный движитель применим и эффективен на практически достижимых летных скоростях.

Требования старта и высотного летного режима успешно разрешимы путем использования одного и того же газогенератора для питания, как реактивного движителя, так и турбины, вращающей пропеллер, путем простого переключения газов.

Турбина с пропеллером в данном случае работает от газогенератора при взлете самолета и наборе возможной для цропеллера высоты и скорости, а реактивный движитель, находясь уже в благоприятных для себя условиях, осуществляет дальнейщее повыщение высоты и летной скорости самолета.

В камере 1 горения имеются электрическая свеча 10 и топливная форсунка 9, взаимосвязанные при соответствующих моментах запаздывания с закрытием легкого автоматического клапана 25, предназначенного для пропуска из вакуум-баллона 26 воздуха, засасываемого в камеру 1 и каналы 2 трубы 4, после истечения газов из камеры 1 горения.

Автоматический клапан 25 уравновешен так, что закрывается малой разиостыо давлений в сторону вакуумбаллона 26 и при равенстве давлений открыт. С другой стороны вакуум-баллон 26 непосредственно соединен с воздушной турбиной 27, пропускающей в него отработавший в ней воздух, полученный из атмосферы через клапан 28 и воронку 29. Клапан 28 является регулятором давления воздуха в вакуум-баллоне 26 и начинает пропускать в него через турбину 27 наружный воздух только при наличии в баллоне 26 определенной величины вакуума. Величина возможного вакуума в баллоне 26 зависит от теплотворной способности горючего и избытка воздуха, отсасываемого генератором из баллона 26, сверх количества, потребного для горения топлива в камере 1 .горения. Избыток воздуха необходим для образования воздушной прослойки между газами предыдуш,ей вспышки и воздухом для горючего последующей вспышки, поскольку ряд каналов 2 компрессионной части генератора не может устранить полйостью перемешивание газов с засасываемым воздухом.

Поэтому количество необходимого избыточного воздуха определяется величиной зоны перемешивания газов с воздухом, так как недопустимая процентная примесь газов должна ограничиваться объемом избыточного воздуха.

В пусковой период все части генератора и турбина заполнены чистым воздухом наружного атмосферного давления.

Для пуска устройства первичное закрытие клапана 25, с коим взаимосвязана работа форсунки 9 и свечи 10, вызывается принудительно, после чего действуют форсунка 9 и свеча 10.

Газы первой вспышки, истекшие из камеры 1 горения через каналы 2, создают в камере и каналах понижение давления, вследствие чего сюда поступает воздух из баллона 26 через клапан 25. Вслед за понижением давления наступает некоторое его повышение, несколько сжимаюшее засосанный воздух, отчего клапан 25 закроется уже автоматически.

Закрытие клапана 25 происходит в начальный момент повышения давле-ния, поэтому соответственно запаздываюшие действия форсунки 9 и свечи 10 совпадают с моментом наивысщей компрессии воздуха в камере I. горения.

С момента первой вспышки с каждой новой вспышкой вакуум в баллоне 26 будет повышаться за счет отсоса воздуха генератором, пока не достигнет предельного рабочего уровня.

После этого через клапан 28 и турбину 27 в баллон 26 начнет поступать наружный воздух, предварительно отработавший в турбине 27, в количестве, равном отсасываемому из него генератором. Величина вакуума при четырехкратном количестве воздуха, против необходимого для горения топлива, будет примерно ОД атм., предварительная компрессия воздуха в камере горения - 25 атм., а температура выходяшей из reiHepaTopa газовоздушной смеси - 200°.

Из вышеизложенного ясно, что источником работы турбины в конечном итоге является энергия газов горения, непосредственно в турбине не работающих, а компрессия воздуха выполняется также на основе энергии газов обратной волной давления.

На фиг. 5 показан другой возможный вариант использования принципа, положенного в основу вышеописанного генератора.

Как видно из фиг. 5, в данном варианте аналогично работающая труба 4 генератора питается воздухом наружного давления посредством воронки 29 через клапан 30, а отвод сжатого воздуха, пропускаемого клапаном 31 на место потребления (в турбину или для обычных целей) осуществляется через посредство буферного баллона 32, запираемого регулятором давления - клапаном 33 на трубе 34.

Работа клапанов 30 и 31, а также форсунки 9 и свечи 10 осуществляется распределительным устройством, синхронизированным с колебательными процессами, происходящими в генераторной трубе.

Воздух в данном случае засасывается также с избытком, а именно на количество, равное проталкиваемому в баллон 32.

В период пуска в трубе 4 и баллоне

32 находится воздух наружного давления.

После распыления горючего форсункой 9 и воспламенения свечей 10 происходит первая вспышка горючей смеси наружного давления.

Вслед за давлением горения в камере 1 горения -происходит поииясеняе его вследствие истечения газов. Когда давление газов в камере 1 горения сравняется с наружным, открывается клапан 30 на время, достаточное только для засоса потребного количества воздуха. После закрытия клапана 30 происходит дальнейшее понижение давления до полного расходования кинетической энергии истечения на вытеснение воздуха из сопла под атмосферным давлением. По окончании понижения давления засосанный и разреженный воздух будет находиться в камере 1 горения и прилегаюш;их к ней каналах 2. Вследствие образовавшейся разности давлений разреженный в трубе генератора воздух станет сжиматься наружным давлением. Поскольку клапан 31 открывается до окончания сжатия воздуха на определенный промежуток времени, то в баллон 32 проталкивается соответствуюш,ая часть избыточного воздуха. После закрытия клапана 31 происходит дальнейшее сжатие оставшейся части воздуха, а в конце распыляется горючее форсункой 9 и воспламеняется свечей 10. Происходит новая вспышка и процесс повторяется.

С каждой новой вспышкой амплитуда колебаний в трубе и давление воздуха в баллоне 32 повышаются, пока не достигнут предельного значения, определяемого целым рядом условий.

После достижения предельно-допустимого давления воздуха в баллоне 32, регулятор давления - клапан 33 начинает пропускать из баллона ежатый воздух на место потребления по трубе 34 в количестве, равном постулаюпдему из генератора.

Колебательные процессы в генераторе, в данном случае будут более мошными, чем в лредыдушем, поскольку генератор в данном случае питается воздухом атмосферной плотности, а не разреженным, как в предыдуш,ем варианте.

Посредством данного устройства может быть получен сжатый воздух давления до 20 атм. и выше.

Предмет изобретения.

1.Генератор газовоздушной смеси под давлением для турбин, ракет и других устройств, сжатие и всасывание воздуха в котором производится газовым столбом, создаваемым в генераторе, отличающийся тем, что между камерой 1 горения и буферной камерой 3 расположен ряд параллельных каналов с целью предотвращения перемешивания газового столба с засасываемым воздухом.

2.При генераторе по п. 1 применение сборника 5 газовоздушной смеси.

3.При генераторе по п. 1 и 2 применение сборников 15 и 16 (фиг. 3) сжатого воздуха, из коих в сборник 16 сжатый воздух низкого давления подается компрессором 18, и воздух из него засасывается в генератор, а в сборник 15 подается часть сжатого в генераторе воздуха высокого давления.

4.При генераторе по пп. 1-3 применение воздушной турбины 27 (фиг. 4), работающей разрежением воздуха, создаваемым при всасывании его в генератор.

5.При генераторе по пп. 1-3 применение между воздушной турбиной и генератором баллона 26 для выравнивания колебаний вакуума.

6.При генераторе по пп. 1 и 2 применение буферного баллона 32 (фиг. 5)., предназначенного для приема сжатого в генераторе воздуха.

4 :5иг4 10