Газотурбоионный двигатель

 

Газотурбоионный двигатель, относящийся к двигателестроению, содержит газовые турбины, пусковой электродвигатель, понижающий редуктор. Газовые турбины изолированы друг от друга и закреплены на одном валу. Один конец вала через центробежную муфту соединен с пусковым двигателем, а другой - связан с ведущей шестерней понижающего редуктора. Впускной и выпускной каналы каждой газовой турбины соединены между собой трубопроводом. Трубопровод имеет снаружи охладитель газа и штуцер с запорным краном, а внутри - ионизатор газа, ускоряющую систему и нейтрализатор. Внутренние полости каждой газовой турбины и каждого трубопровода заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом. Ионизаторы газа, ускоряющие системы и нейтрализаторы газовых турбин подключены к ядерным высоковольтным батареям. Предложенный двигатель экологичен, имеет небольшие тепловые потери. 9 ил.

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве двигателя.

Известен двигатель внутреннего сгорания Ванкеля, содержащий трехгранный ротор, профиль которого выполнен по эпитроохойде, закрепленный на эксцентриковом валу, имеющим зубчатое колеcо, обкатывающееся по неподвижному колесу. Ротор вставлен в элиптичеcкий цилиндр, имеющий впускной и выпускной каналы, а также свечу зажигания. Передаточное отношение неподвижной и подвижной шестерен 3/2 /А.Ф. Крайнев. Словарь-справочник по механизмам, М.: Машиностроение, 1981, c. 31/.

Недостатками известного двигателя внутреннего сгорания Ванкеля являются: большой расход топлива, большие тепловые потери и вредное воздействие на окружающую среду.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя.

Известна также газотурбинная энергетическая установка, cодержащая осевой компрессор, газовую турбину, понижающий редуктор и пусковой электродвигатель, сидящие на одном валу, камеру сгорания c форсункой и системой зажигания, вход которой пневматически соединен c выходом компрессора, а выход подключен ко входу газовой турбины /Морcкой энциклопедический словарь, т. 1, А-И. /Под ред. д.т.н. В.В. Дмитриева, Л.: Судостроение, 1991, c. 281-282/.

Известная газотурбинная энергетическая установка, как наиболее близкая по технической сущности и доcтигаемому полезному результату, принята за прототип.

Недостатки известной газотурбинной энергетической установки, принятой за прототип, те же.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией газотурбинной энергетической установки.

Целью настоящего изобретения является уменьшение расхода топлива и вредного воздействия на окружающую среду.

Указанная цель согласно изобретению обеспечивается тем, что осевой компрессор и камера сгорания с форсункой и системой зажигания заменены несколькими дополнительными газовыми турбинами, изолированными друг от друга, закрепленными на общем валу, один конец которого через центробежную муфту соединен с электродвигателем (пусковым), а другой конец соединен с ведущим валом понижающего редуктора, впускной и выпускной фланцы каждой из газовых турбин соединены между собой трубопроводом, снаружи имеющим охладитель газа и штуцер с запорным краном, а внутри содержащим ионизатор газа, ускоряющую систему и нейтрализатор, причем внутренние полости каждой газовой турбины и каждого трубопровода заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом, а ионизатор газа, ускоряющая система и нейтрализатор каждой газовой турбины подключены к ядерным высоковольтным батареям.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид газотурбоионного двигателя, на фиг.2 - вид слева на газотурбоионный двигатель, на фиг.3 - вид оправа на газотурбоионный двигатель, на фиг.4 - продольный разрез газотурбоионного двигателя, на фиг.5 - схема газотурбоионного двигателя, на фиг.6 - схема регулировки частоты вращения вала газотурбоионного двигателя, на фиг.7 - схема понижающего редуктора, на фиг.8 - устройство центробежной муфты, на фиг.9 - устройство ядерной высоковольтной батареи.

Газотурбоионный двигатель содержит корпуса 1, 2, 3, закрытые крышками 4, 5, 6, соединенные болтами между собой, внутри которых установлены турбины 7, 8, 9, закрепленные на общем валу 10. К крайним корпусам прикреплены корпус 11 центробежной муфты, связанной с пусковым электродвигателем 12, и корпус 13 понижающего редуктора. Центробежная муфта содержит ведущей вал 14, соединенный с валом пускового электродвигателя, на котором закреплена вилка 15, на концах которой с возможностью продольного перемещения установлены грузики 16, 17 с колодками 18, 19. На общем валу установлен диск 20 с фрикционной накладкой 21. Понижающий редуктор содержит ведущую шестерню 22, закрепленную на общем валу и входящую в зацепление с большой шестерней 23 каретки, закрепленной на водиле 24, установленном на валу 25 газотурбоионного двигателя. Малая шестерня 26 каретки входит в зацепление с неподвижной шестерней 27, закрепленной на корпусе понижающего редуктора. Впускной и выпускной фланцы каждой из турбин соединены между собой трубопроводами 28, 29, 30, снаружи которых установлены охладители газа 31, 32, 33 и штуцера с запорными кранами 34. Внутри каждого из трубопроводов размещены ионизатор газа, ускоряющая система и нейтрализатор. Ионизатор газа содержит круглый цилиндр 35, подключенный к положительному выводу высоковольтной батареи, источник электронов 36 в форме круглого стержня, вставленного внутрь круглого цилиндра и соединенного с ускоряющей сеткой 37, подключенных к высоковольтной батарее. Там же установлены замедляющая сетка 38 и нейтрализатор 39 в форме сетки, подключенные к высоковольтным батареям. Ионизатор газа, ускоряющая система и нейтрализатор расположены в трубопроводе, внутренняя поверхность которого выполнена из изоляционного материала, внутрь которого входят лопасти турбины, также выполненные из прочного изоляционного материала или покрытые им. Снаружи на ионизаторе газа установлен соленоид 40. Все соленоиды соединены последовательно и подключены к батареям. Система регулирования частоты вращения вала газотурбоионного двигателя содержит три группы батарей и включателей. Первая группа содержит батареи 41-45 и включатели 46-50. Вторая группа содержит батареи 51-55 и включатели 56-60. Третья группа содержит батареи 61-65 и включатели 66-70. Все три группы батарей и включателей подключены в цепь питания ионизаторов газа, ускоряющих систем и нейтрализаторов, причем каждая группа включателей имеет общий привод (на чертежах не показано), а одни и те же элементы разных турбин соединены между собой проводниками, как показано на фиг.6. Внутренние полости турбин, трубопроводов заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом газотурбоионного двигателя. Ядерные (изотопные) высоковольтные батареи одинаковые по конструкции и каждая из них содержит корпус 71, внутрь которого вставлен, изолированный от корпуса, эмиттер 72, являющийся носителем α или β-радиоактивного изотопа, заряжается отрицательно или положительно по отношению к корпусу. Эмиттер и корпус изолированы друг от друга вакуумом или диэлектриком 73. Необходимая величина напряжения батареи обеспечивается процентным содержанием радиоизотопа в эмиттере и может находиться в пределах 25 ÷ 150 мккюри. Ядерные (изотопные) батареи безопасны, имеют небольшие размеры и cрок службы порядка 15 - 25 лет. (О ядерных источниках тока см. В. Фильштих. Топливные элементы, перевод с немецкого. М.: Мир, 1968, с. 339, рис. 72 и С.И. Венецкий. О редких и рассеянных. Рассказы о металлах, М.: Металлургия, 1980, с. 29-30).

Работа газотурбоионного двигателя.

Для пуска газотурбоионного двигателя необходимо подключить пусковой электродвигатель 12 к источнику тока (на чертежах не показан). Вал пускового электродвигателя станет вращаться и вращать вилку 15 с грузиками 16, 17 центробежной муфты. Под действием центробежной силы грузики станут удаляться от центра вращения, перемещаясь вперед и сжимая пружину. Колодки 18, 19 прижмутся к диску 20 и станут его вращать, а вместе с ним и общий вал 10. Турбины 7, 8, 9 придут во вращение, и как только они наберут необходимую скорость посредством включателей 46-50, необходимо подключить первую группу батарей 41-45 к соленоидам, ионизаторам газа, ускоряющим системам и нейтрализаторам. Водород поступает в ионизаторы газа, где происходит его объемная ударная ионизация. Заряженные положительно полые цилиндры 35 ионизируют атомы водорода, а круглые стержни 36 являются источниками электронов, которые, двигаясь в сторону полых цилиндров, ионизируют встречающиеся на их пути атомы водорода (О ионизации см. В.А. Батушев. Электронные приборы, изд. 2, М.: Высшая школа, 1980, с. 298-299). При пропускании тока через соленоиды 40 происходят перемешивание водорода и его более полная ионизация. Под действием электростатического поля ионы водорода выбрасываются из ионизатора газа через ускоряющие сетки 37 и двигаются в направлении нейтрализаторов 39. Ионы водорода встречают на своем пути лопасти турбин 7, 8, 9, ударяют в них, передавая им часть своей энергии и заставляя их вращаться, после чего двигаются в сторону замедляющих сеток 38, где происходит их торможение. Достигнув нейтрализаторов 39, ионы водорода приобретают недостающие электроны и превращаются в нейтральные атомы. Далее водород движется через охладители 31, 32, 33, где отдает им тепло, полученное при ионизации, а затем возвращается в ионизатор газа и все повторяется сначала. Как только турбины 7,8,9 наберут достаточную скорость вращения, пусковой электродвигатель 12 отключается. Грузики под действием пружины отодвигаются влево и колодки 18, 19 отходят от диска 20, отключая пусковой электродвигатель от общего вала 10. Далее вращение турбин осуществляется за счет движения водорода под действием электростатических сил, описанных выше. Скорость движения ионов водорода зависит от напряженности электрического поля ускоряющей системы. Следовательно, изменение частоты вращения турбин может осуществляться путем изменения напряжения, подаваемого на ионизатор газа, ускоряющую систему, нейтрализатор и соленоид каждой из турбин. Предлагаемый газотурбоионный двигатель является трехскоростным. Перевод газотурбоионного двигателя на вторую ступень частоты вращения осуществляется подключением второй группы ядерных батарей 51-55 посредством включателей 56-60 к уже включенным ядерным батареям первой группы. Для перевода газотурбоионного двигателя на третью ступень частоты вращения необходимо к уже подключенным ядерным батареям первой и второй групп подключить посредством включателей 66-70 ядерные батареи третьей группы 61-65. Для уменьшения частоты вращения вала газотурбоионного двигателя необходимо отключать ту или иную группу ядерных батарей, причем скорость движения ионов водорода может доходить до 10 км/с. Таким образом, ионизаторы газа, ускоряющие системы и нейтрализаторы будут выполнять роль насосов, заставляющих рабочее тело двигаться по трубопроводам и приводить в движение турбины 7, 8, 9. Аналогичное действие по перемещению водорода происходит в ионном ракетном двигателе (cм. Машиностроение, Терминологический словарь. /Под общей редакцией М.К. Ускова, Э.Ф. Богданова, М.: Машиностроение, 1995, c.151, рис. 13 И, б и c. 179, рис. 12 К).

Вращающийся момент от турбин 7, 8, 9 через общий вал 10 передается на ведущую шестерню 22 понижающего редуктора, которая приводит в движение большую шестерню 23 подвижной каретки, а малая шестерня 26 этой же каретки обкатывается по зубьям неподвижной шестерни 27, увлекая за собой водило 24 и вращая вал 25 газотурбоионного двигателя с меньшей скоростью, подводя к нему более высокую мощность. В процессе работы газотурбоионного двигателя возможна утечка водорода через неплотности, что может привести к уменьшению мощности. Восполнение потерь рабочего тела осуществляется через штуцеры путем открытия кранов 34 и подачи водорода из баллонов, не показанных на чертежах. Для остановки газотурбоионного двигателя достаточно отключить ионизаторы газа, ускоряющие системы, нейтрализаторы и соленоиды от ядерных батарей. Движение водорода в трубопроводах прекратится, и турбины остановятся.

Газотурбоионный двигатель может быть использован на судах, автомобилях и летательных аппаратах.

Положительный эффект: не требует органического топлива, не загрязняет окружающую среду, имеет меньшие размеры и вес, прост в обслуживании, имеет меньшие тепловые потери.

Формула изобретения

Газотурбоионный двигатель, содержащий газовые турбины, пусковой электродвигатель, понижающий редуктор, отличающийся тем, что газовые турбины изолированы друг от друга и закреплены на одном валу, один конец которого через центробежную муфту соединен с пусковым электродвигателем, а другой связан с ведущей шестерней понижающего редуктора, кроме того, впускной и выпускной каналы каждой газовой турбины соединены между собой трубопроводом, имеющим снаружи охладитель газа и штуцер с запорным краном, а внутри - ионизатор газа, ускоряющую систему и нейтрализатор, причем внутренние полости каждой газовой турбины и каждого трубопровода заполнены водородом под давлением, который является рабочим телом, а ионизаторы газа, ускоряющие системы и нейтрализаторы газовых турбин подключены к ядерным высоковольтным батареям.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9