Теплогенератор для монгольфьера

 

Изобретение относится к тепловым аэростатическим летательным аппаратам, в частности к монгольфьерам, и позволяет повысить экономичность и безопасность полетов. Теплогенератор содержит вентилятор 9, турбину 8, лопатки которой укреплены на ободе вентилятора, камеру сгорания6 с форсунками 1, подключенными к баллону с топливным газом, компрессор 7, выхлопной поворотный патрубок 13 и смеситель 14. Турбина 8, компрессор 7 и вентилятор 9 механически связаны между собой. Смеситель 14 расположен под нижней горловиной оболочки монгольфьера, и из него смесь воздуха, подаваемого вентилятором 9, и продуктов сгорания нагнетается в оболочку монгольфьера. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к воздухоплаванию, а именно к теплогенераторам для заполнения нагретым воздухом монгольфьеров.

Современный монгольфьер содержит оболочку из синтетической ткани, обычно найлона, с полиуретановым покрытием с клапаном на вершине и отверстием в нижней части. К оболочке на стропах подвешена обычно открытая гондола. Теплогенератор, представляющий собой газовую горелку со змеивиковым испарителем, установленную на несущем кольце, закрепленном на стропах, расположен как правило под нижним отверстием оболочки над гондолой /Grand Dictionaire Encyclopedique Larousse Т 7 с.7079,1984/. Для регулирования подъемной силы монгольфьера пилот периодически включает горелку, работающую обычно на пропане. Истекающие из горелки в виде одной или нескольких свободных струй продукты сгорания смешиваются с окружающим воздухом и поступают в оболочку-Этот процесс предварительного смешивания необходим, потому что допустимая температура материала оболочки значительно меньше, чем температура продуктов сгорания.

Описанные теплогенераторы достаточно просты по конструкции, однако они не могут обеспечить необходимую надежность и безопасность полета на монгольфьере. Объясняется это тем, что теплота сгорания топлива в таких теплогенераторах не используется для увеличения кинетической энергии продуктов сгорания, поэтому скорость их сравнительно невелика и струя продуктов сгорания может быть размыта или отклонена достаточно сильным порывом ветра, а пламя горелки может быть сорвано, что представляет серьезную опасность. Кроме того, сравнительно низкая скорость продуктов сгорания предопределяет недостаточный динамизм процессов тепломассообмена внутри оболочки, а это не позволяет пилоту совершать с необходимой быстротой маневры монгольфьера в критических ситуациях. Наконец, для стартового заполнения оболочки приходится применять специальную воздуходувку, вентилятор которой приводится от отдельного двигателя.

Известны также теплогенераторы для монгольфьеров, содержащие камеру сгорания, форсунки с коллектором, подключенным к баллону со сжиженным газом через газотопливный теплообменник-испаритель, вентилятор и смеситель предназначенный для заполнения оболочки монгольфьера продуктами сгорания одновременно с воздухом от вентилятора /патент США N 4076188, кл. B 64 B 1/58, 1978/.

Такие теплогенераторы генерируют струю смеси продуктов сгорания и воздуха с большей кинетической энергией, чем вышеупомянутые, потери энергии при смешивании у них меньше, процессы массотеплообмена более динамичны, а для стартового заполнения не требуется отдельной воздуходувки. Однако для привода вентилятора необходим двигатель /обычно это двигатель внутреннего сгорания, работающий на пропане/, что усложняет и удорожает конструкцию теплогенератора, значительно увеличивает его массу. Кроме того, таких так называемых вентиляторных теплогенераторах теплота сгорания газа, сжигаемого в горелке, так же как в безвентиляторных теплогенераторах не используется для увеличения кинетической энергии продуктов сгорания, т.е. энергия топлива и здесь используется недостаточно эффективно.

Следует отметить, что использование в теплогенераторе монгольфьеров известных горелок, например, турбовентиляторного типа /см. например, а.с. СССР N 1476251, 1987/ не может обеспечить существенное увеличение кинетической энергии продуктов сгорания, поскольку в них не предусмотрено осуществление цикла теплового двигателя /последовательные процессы сжатия воздуха, сжигание в нем топлива и расширение газа в турбине и сопле/ т.е. отсутствует механизм преобразования теплоты сгорания в кинетическую энергию газа.

Задачей данного изобретения является повышение маневренности и безопасности полета монгольфьеров путем придания максимальной кинетической энергии газовоздушной струе, подаваемой теплогенератором в оболочку, при минимальном расходе топливного газа.

Достигается это тем, что теплогенератор для монгольфьера, содержащий вентилятор, камеру сгорания с форсунками подключенными к баллону с сжиженным газом, и смеситель, предназначенный для заполнения оболочки монгольфьера продуктами сгорания одновременно с воздухом от вентилятора, снабжен механически связанными между собой и с вентилятором компрессором и турбиной, а камера сгорания размещена по ходу воздуха за компрессором и перед турбиной, причем турбина установлена на ободе вентилятора и выполнена парциальной, компрессор может быть выполнен объемным, лопатки компрессора и турбины могут быть укреплены на внутренней поверхности единого вращающегося кожухам выхлопной патрубок теплогенератора может быть выполнен поворотным для отвода продуктов сгорания от турбины в атмосферу в обход оболочки.

Такое выполнение теплогенератора позволяет осуществить в нем цикл теплового двигателя /последовательные процессы сжатия воздуха в компрессоре, подогрева воздуха путем сжигания в нем топлива, расширения газа в турбине до атмосферного давлениям учетом процесса охлаждения в атмосфере эти процессы в совокупности образуют цикл со сгоранием при постоянном давлении так называемый цикл Брайтона/.С помощью цикла теплового двигателя, как известно, часть теплоты сгорания топливного газа /в данном случае около трети/ превращается в механическую энергию: через работу для привода вентилятора в кинетическую энергию потока воздуха и непосредственно в кинетическую энергию продуктов сгорания.

На фиг. 1 показана схема теплогенератора; на фиг. 2 схема турбокомпрессора теплогенератора с лопатками внутри кожуха; на фиг. 3 общий вид монгольфьера.

Теплогенератор содержит форсунки 1, которые сообщены через регулирующие устройства 2 с коллектором 3. Последний через клапан 4 соединен с баллоном 5, заполняемым сжиженным топливным газом, обычно пропаном. Форсунки 1 установлены в камере сгорания 6, которая по ходу воздуха расположена за компрессором 7 перед турбиной 8. Если турбина в данной конструкции предполагается, в основном, лопаточной /например, парциальной т.е. с подводом газа лишь на части окружности/, компрессор может быть как лопаточным, так и объемным, например пластинчатым. Выполнение компрессора объемным, а турбины парциальной целесообразно в данном случае в связи с небольшим расходом воздуха в теплогенераторе. Как показано на фиг. 1, лопатки турбины 8 могут быть выполнены на ободе вентилятора 9. Компрессор 7, турбина 8 и вентилятор 9 всегда связаны между собой механически, например непосредственно, с помощью валов, механических и других передач.

Другой целесообразный при малых расходах воздуха вариант выполнения турбокомпрессорной части показан на фиг. 2. Здесь лопатки турбины 8 и компрессора 7 выполнены на внутренней поверхности вращающегося кожуха 10. Сам кожух установлен на неподвижной оси 11 с помощью подшипников 12. Лопатки вентилятора 9, которые на фиг. 2 не показаны, могут быть укреплены на внешней поверхности кожуха 10.

За турбиной 8, как показано на фиг. 1, установлен поворотный патрубок 13, подводящий продукты сгорания к смесителю 14. Следует отметить, что смеситель может быть выполнен в виде цилиндрической камеры смешивания, куда поступают продукты сгорания из патрубка 13 и воздух от вентилятора 9. Однако смеситель может быть любого типа, в простейшем варианте и без камеры смешивания, когда перемешивание потоков воздуха и продуктов сгорания происходит при взаимодействии свободных струй.

Теплогенератор работает следующим образом.

Топливный газ, поступающий от баллона 5 через форсунку 1, поджигается запальным устройством обычного типа /на чертежах не показано/ в потоке нагнетаемого компрессором 7 воздуха. Продукты сгорания расширяются на турбине 8, которая вращает компрессор 7 и вентилятор 9. Выхлопные газы из турбины 8 попадают в смеситель 14, где перемешиваются с потоком подаваемого вентилятором 9 воздуха. Из смесителя 14 равномерная по температуре газовоздушная смесь поступает в оболочку монгольфьера.

Для раскрутки ротора теплогенератора не требуется особого стартового устройства. Пуск осуществляется эжектированием потока воздуха через проточную часть турбокомпрессора топливным газом, подаваемым через форсунки 1. Перед форсунками топливный газ, как обычно, подогревается в теплообменнике, испарителе, не показанном на чертежах.

Как показывают расчеты, расхода воздуха через компрессор даже для больших монгольфьеров незначителен. Чтобы в этих обстоятельствах избежать больших потерь энергии из-за малой высоты лопаток, целесообразно применять не лопаточный, а объемный компрессор, например пластинчатый или винтовой, а турбину 8 выполнять парциальной, т.е. подводом газа по дуге окружности, а не по всей ее длине. Размещение лопаток турбины 8 на ободе вентилятора 9 позволит приблизить окружную скорость турбины к оптимальной в случае использования сравнительно тихоходного объемного компрессора. Применение конструкции, показанной на фиг. 2 открывает возможность изготовления лопаток турбины из легких, исключительно жаропрочных керамических материалов, хорошо работающих на сжатие. Применение повторного патрубка 13 позволит нагнетать в оболочку монгольфьера холодный воздух в режиме стартового заполнения оболочки на земле без использования стартовой воздуходувки. В полете повторный патрубок может быть использован для управления полетом по курсу.

Таким образом, данное изобретение при достаточной простой и легкой по сравнению с прототипом конструкции позволяет обеспечить динамичность процессов регулирования температуры воздуха в оболочке как в сторону увеличения температуры, так и в сторону ее снижения путем продувки оболочки высокоскоростной струей горячего или холодного воздуха. Эти качества, а также возможность использования поворотного патрубка для управления вектором тяги теплогенератора значительно улучшают маневренность монгольфьера, делают полет более безопасным.

Как уже отмечалось, в данной конструкции осуществляется цикл теплового двигателя с подводом тепла при постоянном давлении, цикл Брайтона /сжатие воздуха в компрессоре, нагрев при постоянном давлении в камере сгорания, расширение до атмосферного давления в турбине и выхлопном устройстве, охлаждение при постоянном давлении в атмосфере/. Таким образом, использован самый экономичный способ преобразования теплоты сгорания топлива в кинетическую энергию газа, что выгодно отличает данный теплогенератор от известных, обеспечивая при минимальных энергетических затратах максимальную кинетическую энергию газовоздушной струи, поступающей из смесителя в оболочку. Отсюда главные достоинства данного теплогенератора устойчивость струи при боковых порывах ветра и высокая динамичность процессов тепломассообмена в оболочке.

Следует отметить также, что все элементы конструкции теплогенератора могут быть изготовлены с помощью известных и апробированных технологий. Такие наиболее сложные элементы, как турбина и компрессор, рассчитанные на малые расходы воздуха, изготавливают серийно для агрегатов турбонаддува двигателей внутреннего сгорания и в данной конструкции могут быть использованы непосредственно, в готовом виде.

Формула изобретения

1. Теплогенератор для монгольфьера, содержащий вентилятор, камеру сгорания с форсунками и коллектором, подключенными к баллону со сжиженным газом, а также сообщенный с оболочкой монгольфьера смеситель воздуха и продуктов сгорания, отличающийся тем, что он снабжен компрессором и турбиной, механически связанным между собой и вентилятором, камера сгорания включена по ходу воздуха между компрессором и турбиной, а турбина и вентилятор соединены непосредственно и установлены на одном валу.

2. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что турбина установлена на ободе вентилятора и выполнена парциальной.

3. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что компрессор выполнен объемным.

4. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что лопатки компрессора и турбины укреплены на внутренней поверхности вращающегося кожуха, установленного на оси.

5. Теплогенератор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен поворотным выхлопным патрубком для отвода продуктов сгорания от турбины в атмосферу в обход оболочки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3