Водяной реактивный двигатель
Изобретение относится к водному транспорту и может быть использовано для обеспечения движения наводных и подводных транспортных средств. Водяной реактивный двигатель содержит входное устройство 1, сопло 2, на одном валу установленные насосы 3 и 4 высокого и низкого давления и турбину 5. Внутренний контур состоит из камеры предварительного нагрева воды 6 с расширительным элементом 7 в верхней части, а в нижней части магнетроном 8, установленным так, что его излучающий элемент направлен на основной объем камеры, соединенной с одной стороны вертикально расположенной трубой 9 с насосом 3, а с другой через электромагнитные клапаны 10 с несколькими камерами парообразования 11. Каждая из камер 11 имеет два электрода электроразрядника 12, а в верхней части через электромагнитный клапан 13 трубчатое соединение с внешней водой 14. Выход в нижней части выполнен в виде вертикальной трубы с инжектором 15, внутренняя полость которого через клапан 16 соединена с внешним контуром, плавно переходящей в горизонтальную и после клапана 17 соединенной с выходящим во внешнюю воду общим соплом 2, внутри которого установлена турбина 5. Внешний контур охватывает горизонтальные части выходов камер 11 и общее сопло 2. Изобретение направлено на создание реактивной тяги в водной окружающей среде. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к водному транспорту и может быть использовано для обеспечения движения наводных и подводных транспортных средств.
Известен турбореактивный двигатель, состоящий из соосно расположенных входного устройства, компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла (Обуховский А.Д., Телкова Ю.В. Теория авиационных двигателей. Учебное пособие. Новосибирский гос. техн. ун-т, 2012. С. 11-12). В этом двигателе для создания силы тяги используется энергия сгораемого в захваченном из окружающей среды и сжатом компрессором воздухе жидкого топлива. По этой причине он используется в основном в авиации и редко на надподных транспортных средствах. Для подводных транспортных средств этот двигатель использовать затруднительно.
Известен также турбореактивный двухконтурный двигатель (выбран в качестве прототипа), состоящий из соосно расположенных входного устройства, компрессоров низкого и высокого давлений, камеры сгорания, турбин высокого и низкого давлений и сопла (Обуховский А.Д., Телкова Ю.В. Теория авиационных двигателей. Учебное пособие. Новосибирский гос. техн. ун-т, 2012. С. 15-16). В этом двигателе благодаря внешнему контуру с низким давлением захваченного из окружающей среды воздуха, охватывающему камеру сгорания и сопло выброса продуктов сгорания и осуществляющему интенсивное охлаждению основных деталей двигателя, улучшаются условия их работы и повышается коэффициент полезного действия за счет более полного использования энергии сгорания топлива. Турбореактивный двухконтурный двигатель также ориентирован на работу в воздушной среде, использование в подводных транспортных средствах требует дополнительных технических решений.
Изобретение направлено на создание реактивного двигателя, работающего в водной окружающей среде при повышенных технико-экономических показателях.
Указанная цель достигается тем, что водяной реактивный двигатель, содержащий соосно горизонтально расположенные входное устройство, сопло, на одном валу установленные насос высокого давления, насос низкого давления и турбину, имеет внутренний контур, состоящий из камеры предварительного нагрева воды шарообразной формы, оснащенной в верхней части гофрированным расширительным элементом, а в нижней части магнетроном, установленным так, что его излучающий элемент направлен на основной объем камеры. Эта камера соединена с одной стороны вертикально расположенной трубой с насосом высокого давления, а с другой через электромагнитные клапаны с несколькими камерами парообразования. Каждая из камер парообразования представляет собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в боковых стенках симметрично расположенные два электрода электроразрядника, в верхней части через электромагнитный клапан трубчатое соединение с внешней водой. Выход в нижней части камеры выполнен в виде вертикальной трубы с инжектором, внутренняя полость которого через односторонной клапан соединена с внешним контуром. Указанная вертикальная труба плавно переходит в горизонтальную и после одностороннего клапана соединяется с выходящим во внешнюю воду общим соплом, внутри которого установлена турбина. Внешний контур охватывает горизонтальные части выходов камер парообразования и общее сопло. Упомянутые выше магнетрон, электромагнитные клапаны и электроды разрядников подключены к бортовому источнику электроэнергии (БИЭ), управляемому микропроцессорной системой управления (МСУ), а камера предварительного нагрева воды, внешний контур и камеры парообразования оборудованы соответствующими датчиками давления и температуры.
На чертеже изображена принципиальная схема водяного реактивного двигателя. Он состоит из соосно горизонтально расположенных входного устройства 1, сопла 2, на одном валу установленных насоса высокого давления 3, насоса низкого давления 4 и турбины 5. Внутренний контур двигателя состоит из камеры предварительного нагрева воды 6 шарообразной формы, оснащенной в верхней части гофрированным расширительным элементом 7, а в нижней части магнетроном 8, установленным так, что его излучающий элемент направлен на основной объем камеры. Эта камера соединена с одной стороны вертирально расположенной трубой 9 с насосом высокого давления, а с другой через электромагнитные клапаны 10 с несколькими камерами парообразования 11. Каждая из камер парообразования представляет собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в боковых стенках симметрично расположенные два электрода электроразрядника 12, в верхней части через электромагнитный клапан 13 трубчатое соединение с внешней водой 14. Выход в нижней части камеры выполнен в виде вертикальной трубы с инжектором 15, внутренняя полость которого через односторонний клапан 16 соединена с внешним контуром. Указанная вертикальная труба плавно переходит в горизонтальную и после одностороннего клапана 17 соединяется с выходящим во внешнюю воду общим соплом, внутри которого установлена турбина 5. Внешний контур охватывает горизонтальные части выходов камер парообразования и общее сопло. Упомянутые выше магнетрон, электромагнитные клапаны и электроды разрядников подключены к БИЭ 18, управляемому МСУ 19, а камера предварительного нагрева воды, внешний контур и камеры парообразования оборудованы соответствующими датчиками давления и температуры.
Работает конструкция следующим образом. Внешняя вода через входное устройство 1 поступает в двигатель. Некоторая часть кинетической энергии выбрасываемой через сопло 2 воды приводит во вращение установленные на одном валу насос высокого давления 3, насос низкого давления 4 благодаря установленной внутри сопла турбине 5. Технические характеристики насосов выбираются так, чтобы водяное давление воды во внутреннем контуре поддерживалось в несколько раз большее, чем во внешнем. Большее давление в камере предварительного нагрева воды 6 поддерживается благодаря гофрированному расширительному элементу 7, выполненному в верхней части камеры. В нижней части последней установлен магнетрон 8 так, что его излучающий элемент направлен на основной объем камеры. Мощность и время включения магнетрона выбираются так, чтобы при заданном давлении воды в камере предварительного нагрева ее температура додерживалась на уровне примерно на 1-2 градуса ниже температуры кипения. Вода в камеру поступает от насоса высокого давления по вертикально расположенной трубе 9, а через один из электромагнитных клапанов 10 при открытом состоянии последнего может направляться в заданный момент времени в одну из нескольких камер парообразования 11. При заполнении последней горячей водой на симметрично расположенные в боковых стенках два электрода электроразрядника 12 подается высокое напряжение. В этот момент входной электромагнитный клапан 10 и установленный в верхней части камеры парообразования электромагнитный клапан 13, обеспечивающий трубчатое соединение последней с внешней водой 14, должны находиться в закрытом состоянии. В результате подачи высокого напряжения между электродами возникает сначала искровой, а затем дуговой электрический разряд. Мощность источника выбирается так, чтобы образовавшийся в результате кипения воды пар через выход в нижней части камеры парообразования выбрасывал всю воду (или необходимую ее часть в зависимости от требуемой скорости движения транспортного средства), заполняющую вертикальную трубу с инжектором 15, в горизонтальную часть последней. Внутренняя полость инжектора имеет соединение с внешним контуром через односторонний клапан 16. Благодаря более высокому давлению воды во внутреннем контуре непосредственно перед электрическим разрядом и некоторый период времени после него указанный односторонний клапан будет закрыт. Но скорость движения воды по вертикальной трубе с инжектором будет интенсивно возрастать, а давление во внутренней полости инжектора при этом снижаться. В результате при некоторой скорости движения воды (и пара) односторонний клапан откроется и через него начнет поступать холодная вода из внешнего контура, частично заполняя вертикальную трубу с инжектором. Выбрасываемая паром вода из последней через открытый односторонний клапан 17 в горизонтальной ее части попадет в общее сопло, а далее во внешнюю воду, создавая реактивную тягу. При этом благодаря высокому давлению воды в общем сопле аналогичные односторонние клапаны в горизонтальных частях выходных труб других камер парообразования будут закрыты. Некоторая часть кинетической энергии выбрасываемой воды, как уже указывалось выше, будет расходоваться на вращение турбины, установленной в общем сопле.
Когда энергия пара будет полностью израсходована, движение воды прекратится, давление в выходной трубе существенно упадет. В этот момент должен быть открыт электромагнитный клапан 13, обеспечивающий трубчатое соединение с внешней водой. Благодаря повышенному давлению во внешнем контуре в сравнении с внешней водой через открытый односторонний клапан 16 во внутренней полости инжектора вертикальная труба начнет заполняться водой. Когда ее уровень достигнет нижнего выхода камеры парообразования, открывается входной электромагнитный клапан 10, через который из камеры предварительного нагрева горячая вода быстро заполнит камеру парообразования. Далее цикл повторится. Так как время интенсивного выброса воды из камеры парообразования существенно меньше времени заполнения ее водой, в двигателе предусмотрено несколько камер парообразования. Их количество выбирается так, чтобы описанный выше процесс происходил последовательно в каждой из них, образуя в общем сопле постоянный несколько пульсирующий по интенсивности поток выбрасываемой воды. Внешний контур охватывает горизонтальные части выходов камер парообразования и общее сопло, частично поглощая тепловую энергию выбрасываемой через сопло воды. Вода из внешнего контура также выбрасывается во внешнюю воду, несколько увеличивая силу тяги.
Упомянутые выше магнетрон, электромагнитные клапаны и электроды разрядников подключены к БИЭ 18, управляемому МСУ 19, а камера предварительного нагрева воды, внешний контур и камеры парообразования оборудованы соответствующими датчиками давления и температуры. Алгоритм управления предусматривает своевременное включение и отключение электроприборов, а также регулирование скорости движения водного транспортного средства, соответствующим образом изменяя длительность электрического разряда в камерах парообразования и время между ними в соседних камерах.
Запускается предлагаемый водяной реактивный двигатель следующим образом. В стоячем судне при открытых электромагнитных клапанах 10 и 13 внутренний и внешний контуры двигателя заполняются внешней водой как сообщающиеся сосуды. МСУ в заданной последовательности подает управляющие сигналы на электрические разряды в камерах парообразования. Как известно, электрический разряд в холодной воде всегда вызывает образование пара. Конечно, в холодной воде объем, занимаемый паром, будет существенно меньше, чем в случае, если вода разогрета до кипения. Но этот пар все же создаст реактивную струю из сопла. При трогании судна его сопротивление движению наименьшее, оно начнет двигаться. Вода в камере предварительного нагрева воды нагреется до кипения, а двигатель выйдет на нормальный режим работы.
1. Водяной реактивный двигатель, содержащий соосно горизонтально расположенные входное устройство, сопло, на одном валу установленные насос высокого давления, насос низкого давления и турбину, отличающийся тем, что внутренний контур состоит из камеры предварительного нагрева воды шарообразной формы, имеющей в верхней части гофрированный расширительный элемент, а в нижней части магнетрон, установленный так, что его излучающий элемент направлен на основной объем камеры, соединенной с одной стороны вертикально расположенной трубой с насосом высокого давления, а с другой через электромагнитные клапаны с несколькими камерами парообразования, каждая из которых представляет собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в боковых стенках симметрично расположенные два электрода электроразрядника, в верхней части через электромагнитный клапан трубчатое соединение с внешней водой, а выход в нижней части выполнен в виде вертикальной трубы с инжектором, внутренняя полость которого через односторонний клапан соединена с внешним контуром, плавно переходящей в горизонтальную и после одностороннего клапана соединенной с выходящим во внешнюю воду общим соплом, внутри которого установлена турбина, а внешний контур охватывает горизонтальные части выходов камер парообразования и общее сопло.
2. Водяной реактивный двигатель по п. 1, отличающийся тем, что магнетрон, электромагнитные клапаны и электроды разрядников подключены к бортовому источнику электроэнергии, управляемому микропроцессорной системой управления, а камера предварительного нагрева воды, внешний контур и камеры парообразования оборудованы соответствующими датчиками давления и температуры.
