Роторный гидрореактивный двигатель
Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано на водном транспорте. Роторный гидрореактивный двигатель содержит размещенный в подшипниках корпуса двигателя ротор, создающий жидкостное кольцо из рабочей жидкости, в качестве которой может быть использована забортная вода. На периферии ротора расположена рабочая камера в виде замкнутого сосуда. Камера снабжена каналами для подачи рабочей жидкости и горючей смеси, которая удерживается в камере при помощи гидрозатвора. Сжатие горючей смеси осуществляется давлением рабочей жидкости, подаваемой в рабочую камеру. При воспламенении сжатой горючей смеси происходит испарение части рабочей жидкости. Образованная парогазовая смесь вытесняет из камеры оставшуюся рабочую жидкость и вместе с ней создает исходящую из сопла реактивную струю, приводящую ротор во вращение. Управление клапанами реализовано при помощи кулачкового вала, соосного валу ротора. Достигается повышение степени сжатия горючей смеси, а также расширение области применения гидрореактивных двигателей. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к классу гидрореактивных двигателей, областью применения которых является водный транспорт. В качестве рабочей жидкости для указанных двигателей используется забортная вода, ограниченный объем которой поступает в рабочую камеру двигателя, а затем под воздействием импульса давления газовой либо парогазовой среды вытекает в окружающее пространство, создавая реактивную тягу.
Известен ПРЯМОТОЧНЫЙ ГИДРОРЕАКТИВНЫЙ СУДОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ (авторское свидетельство СССР №1068337, кл. В63Н 11/02, 30.01.81), содержащий коммутационную камеру с подпружиненной заслонкой, что позволяет направлять набегающий поток забортной воды попеременно в каждую из двух рабочих камер, создавая в них условия для сжатия и воспламенения горючей смеси с последующим истечением реактивной струи из диффузора двигателя. К недостаткам этого двигателя следует отнести сравнительно невысокую степень сжатия горючей смеси.
Известен также (авторское свидетельство СССР №1720927 А1, кл.В63Н 11/02, 11/14, 14.03.90) ПРЯМОТОЧНЫЙ ГИДРОРЕАКТИВНЫЙ СУДОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ В.В.ФИЛИМОНОВА, содержащий устройство для заполнения рабочих цилиндров забортной водой в виде центробежного насоса с электроприводом, устройство для заполнения камер сгорания сжатым воздухом в виде поршневого компрессора, топливный насос высокого давления, а также устройство подачи искры, кинематически связанные с валом электропривода. К недостаткам этого двигателя следует отнести необходимость включения в рабочий процесс дополнительных агрегатов, питающихся от посторонних источников энергии и не использующих кинетическую энергию реактивной струи.
Цель изобретения - устранить указанные недостатки прототипов и расширить область применения гидрореактивных двигателей. Для достижения поставленной цели предлагается такое устройство, в котором рабочая камера расположена на роторе, вращающемся под воздействием вытекающей из нее реактивной струи и которое позволяет с помощью изменения частоты вращения ротора двигателя и/или применения различных рабочих жидкостей менять в широком диапазоне степень сжатия горючей смеси, что увеличивает возможности выбора энергоносителей и в случае создания замкнутого кругооборота рабочей жидкости предоставляет разнообразные варианты применения двигателей с жидкостным поршнем независимо от наличия водной среды.
Предлагаемая конструкция двигателя схематически изображена на фиг.1. Ротор двигателя имеет вал 33, подшипники 32 которого размещены в неподвижных цапфах 31 и18 корпуса двигателя, а также привод 15 для связи с потребителями механической энергии либо со стартовым устройством в процессе запуска двигателя. На периферии ротора расположены сосуд в виде обечайки 2 с боковыми стенками 29, предназначенный для создания жидкостного кольца 1 со свободной поверхностью 30 в окружающей газовой среде, и рабочие камеры 7.
В рассматриваемом устройстве рабочей камерой гидрореактивного двигателя является замкнутый сосуд, снабженный для перемещения рабочего тела и энергоносителя следующими клапанами и каналами:
1. Канал 4 для подачи рабочей жидкости в камеру. Канал снабжен клапаном 3, а также гидрозатвором для предотвращения проникновения газообразных веществ из рабочей камеры в канал 4.
2. Канал 36 для подачи в камеру свежей горючей смеси либо свежего воздуха в зависимости от выбранного способа сжигания энергоносителя. Канал снабжен клапаном 25. Свежая смесь подается через левое торцевое отверстие вала ротора, которое сообщается с системой питания двигателя посредством патрубка 34.
3. Канал 11 для удаления из рабочей камеры газообразных остатков продуктов сгорания. Канал снабжен клапаном 24 и соплом 12 для создания реактивной струи газообразных остатков продуктов сгорания.
4. Канал 6 для освобождения части объема рабочей камеры от жидкости для поступления свежей горючей смеси. Канал снабжен клапаном 5, а также гидрозатвором для предотвращения потерь свежей горючей смеси и соплом 8 для создания реактивной струи рабочей жидкости.
5. Канал 9 для удержания в сжатом состоянии свежей горючей смеси, поступившей в камеру, и отвода рабочего тела после возникновения в камере избыточного давления газа или парогазовой смеси в результате воспламенения энергоносителя. Канал не имеет клапана, снабжен соплом 13 для создания реактивной струи рабочего тела.
Для управления открытием и закрытием клапанов применяется неподвижный кулачковый вал 35, размещенный соосно валу 33 ротора на цапфе 31 корпуса двигателя.
Утилизация запасов кинетической энергии, которыми обладают рабочая жидкость и газообразные продукты сгорания на выходе из сопла 8, 12, 13, осуществляется на решетках лопастей 10 и 21 турбомашины. Подшипники 16 вала 14 турбомашины, не имеющего жесткого механического соединения с валом 33 ротора, размещены на неподвижной цапфе 18 корпуса двигателя. Вал 14 турбомашины связан с потребителями механической энергии посредством привода 17.
Патрубок 27 предназначен для подачи в жидкостное кольцо 1 рабочей жидкости, излишки которой собираются в емкость 28 и отводятся через патрубок 26.
Газообразные продукты сгорания отводятся через выхлопной патрубок 19, отработавшая жидкость собирается в емкости 22 и отводится через патрубок 23.
Кожух 20 защищает вал 14 турбомашины от попадания на него рабочей жидкости.
Для запуска двигателя необходимо раскрутить ротор при помощи типового стартера с устройством автоматического отключения стартера после начала рабочего процесса. В процессе запуска двигателя возникает жидкостное кольцо 1, из которого рабочая жидкость перемещается по каналу 4 к рабочей камере 7, заполняя камеру и частично канал 9 при одновременно открытых клапанах 3, 24 и закрытых клапанах 5 и 25. Затем клапаны 3, 24 закрываются.
Именно от этого положения рабочей камеры 7, когда все ее клапаны 3, 5, 24, 25 закрыты, сама камера и часть канала 9 заполнены рабочей жидкостью.
Начинаем рассмотрение рабочего процесса.
Рабочий цикл начинается с заполнения части объема рабочей камеры свежей горючей смесью, для чего открываются клапаны 5 и 25. Так как радиус расположения седла клапана 5 больше радиуса, на котором расположено седло клапана 25, а также больше радиуса, на котором расположена свободная поверхность жидкости в канале 9, то в соответствии с законом распределения давлений в жидкости, находящейся во вращающемся сосуде, при открытии клапанов 5 и 25 начнется истечение жидкости из канала 9 и рабочей камеры 7 по каналу 6 через сопло 8, что приведет к заполнению освобождающегося объема камеры свежей горючей смесью. Поскольку свежая смесь подается в камеру по вращающемуся радиальному каналу, она имеет повышенное давление, что способствует хорошему заполнению смесью освободившегося объема, т.е. здесь реализуется эффект «наддува». При истечении жидкости через сопло 8 создается реактивная струя, которая, отдав ротору двигателя часть своей кинетической энергии, попадает на решетку лопастей 10 турбомашины, где происходит утилизация остатков ее кинетической энергии. Клапаны 5 и 25 закрываются. Объем камеры 7 заполнен газом и жидкостью, свободная поверхность жидкости в камере представляет собой прямой круговой цилиндр, соосный валу ротора.
Для сжатия горючей смеси открывается клапан 3. Жидкость по каналу 4 поступает в камеру 7 и канал 9, сжимая газ. После закрытия клапана 3 горючая смесь удерживается в сжатом состоянии давлением столба жидкости в канале 9. Степень сжатия зависит, помимо всего прочего, от частоты вращения ротора, плотности жидкости, величины радиуса свободной поверхности 30 жидкостного кольца 1.
Далее следует воспламенение сжатой горючей смеси, в результате чего возникает импульс высокого давления и температуры. Это приводит к испарению части рабочей жидкости, в камере возникает парогазовая смесь, которая под давлением вытесняет из камеры 7 по каналу 9 рабочую жидкость к соплу 13, формирующему реактивную струю, которая заставляет вращаться ротор и соединенные с ним устройства. Реактивная струя, вытекающая из сопла 13 канала 9, покидает ротор, обладая некоторым запасом кинетической энергии, который может быть утилизирован с помощью решетки лопастей 21 турбомашины.
Истечение по каналу 9 рабочей жидкости и парогазовой смеси приводит к падению давления в камере 7. Порция энергоносителя использована и возникает необходимость освободить камеру от газообразных остатков продуктов сгорания. Для этого следует открыть клапан 24 и следом за ним клапан 3. Парогазовая смесь устремляется по каналу 11 к соплу 12 и далее на решетку лопастей 21 турбомашины. После открытия клапана 3 столб жидкости в гидрозатворе защищает канал 4 от проникновения в него газообразных продуктов из рабочей камеры 7, а рабочая жидкость, поступающая по каналу 4, вытесняет из камеры газообразные остатки продуктов сгорания, которые по каналу 11 поступают на сопло 12. Полное очищение камеры от газа и заполнение ее рабочей жидкостью происходит в том случае, когда радиус расположения седла клапана 24 является наименьшим радиусом внутреннего объема рабочей камеры. Закрытием клапанов 24 и 3 завершается рабочий цикл, рабочая камера возвращается в исходное состояние.
Поскольку кулачковый вал 35 неподвижен, то рабочий цикл для одной камеры 7 совершается за один оборот вала ротора. Продолжительность рабочего цикла можно изменять, если предоставить кулачковому валу 35 возможность вращения на неподвижной цапфе 31 корпуса двигателя. Изменяя во время работы не только частоту, но и направление вращения кулачкового вала, можно поддерживать оптимальный режим работы двигателя.
На схематическом чертеже фиг.2 представлен вариант гидрореактивного двигателя без жидкостного кольца 1. Здесь рабочая жидкость поступает в рабочую камеру 7 по каналу 4 через центральное отверстие вала 33 ротора из патрубка 37 подводящего устройства.
1. Гидрореактивный двигатель, включающий в себя ротор, размещенный в подшипниках корпуса двигателя, стартер для приведения ротора в состояние вращения, отличающийся тем, что на периферии ротора расположена рабочая камера в виде замкнутого сосуда, снабженного каналом, имеющим клапан для подачи рабочей жидкости в рабочую камеру и гидрозатвор, защищающий канал от попадания газовой смеси из рабочей камеры, каналом, имеющим клапан для подачи в рабочую камеру свежей горючей смеси, каналом, имеющим клапан для удаления части объема рабочей жидкости из рабочей камеры, гидрозатвор для предотвращения потерь свежей горючей смеси и сопло для создания реактивной струи удаляемой жидкости, каналом, имеющим клапан для полного удаления газообразных остатков продуктов сгорания из рабочей камеры и сопло для создания реактивной струи остатков продуктов сгорания, каналом без клапана, предназначенным для удержания в рабочей камере горючей смеси в сжатом состоянии, а после воспламенения горючей смеси для отвода рабочего тела к соплу, формирующему реактивную струю рабочего тела, рабочая жидкость поступает в рабочую камеру из жидкостного кольца, возникающего внутри сосуда, образованного обечайкой и боковыми стенками ротора при подаче в этот сосуд рабочей жидкости во время вращения ротора, управление работой клапанов осуществляется при помощи неподвижного кулачкового вала, соосного валу ротора, утилизация запаса энергии, которым располагает рабочее тело на выходе из каналов рабочей камеры, осуществляется при помощи рабочих органов турбомашины, соосной ротору двигателя и не имеющей жесткой механической связи с ротором двигателя.
2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что управление работой клапанов осуществляется при помощи соосного валу ротора кулачкового вала, размещенного в подшипниках корпуса двигателя и имеющего возможность изменять не только частоту, но и направление вращения.
3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая жидкость поступает в рабочую камеру из системы подвода рабочей жидкости к ротору через центральное отверстие вала ротора.
