ВОДЯНОЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
WATER JET ENGINE

Изобретение относится к водному транспорту и может быть использовано для обеспечения движения наводных и подводных транспортных средств.
Известен водяной реактивный двигатель для водных транспортных систем, состоящий из соосно расположенных входного устройства, водяного насоса, камеры парообразования, турбины и сопла (Arthur Paul Pedrick. Improvements in flash boiling, steam jet reactive, marine propulsion systems. Патент Великобритании №1334497, заявка №32083/72, приоритет 8 июля 1972 г., опубликован 17 октября 1973 г.). В этом двигателе благодаря удлиненной сигарообразной форме камеры парообразования поступающая в нее от водяного насоса и перемещающаяся к соплу внешняя вода нагревается сжигаемым топливом. Форма топки, внутри которой расположена камера парообразования, и где сжигается топливо, количество топлива выбираются так, что нагреваемая вода достигает температуры кипения непосредственно около сопла. В результате взрывного характера момента парообразования образовавшийся пар и некоторая часть нагретой до кипения воды выбрасываются в сопло, создавая реактивную тягу. Недостатком этого двигателя являются его низкие технико-экономические характеристики.
Известен также водяной реактивный двигатель (выбран в качестве прототипа), находящийся под микропроцессорным управлением и 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 высокого давления воды шарообразной формы, имеющей в верхней части гофрированный расширительный элемент, соединенный с одной стороны вертикально расположенной трубой с насосом высокого давления, а с другой через электромагнитные клапаны с несколькими камерами сгорания, каждая из которых представляет собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в боковых стенках 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 (Климович А.В., Климович М.А., Климович С.А. Водяной реактивный двигатель. Патент РФ №2573066, заявка №2014124614, приоритет 17.06.2014, зарегистрирован 16.12.2015, опубликован 20.01.2016. Бюл. №2). В этом двигателе внешняя вода, нагнетаемая из внешнего контура насосом высокого давления в камеру предварительного нагрева, доводится до кипения установленным в нижней части последней магнетроном, излучающий элемент которого направлен на основной объем камеры. Далее разогретая вода через электромагнитные клапаны в некоторой последовательности, регулируемой микропроцессорной системой управления, поступает в камеры парообразования, где после электрического разряда между двумя электродами электроразрядника частично испаряется. Благодаря взрывному характеру испарения вода, расположенная в вертикальной трубе с инжектором, интенсивно выбрасывается через общее сопло во внешнюю воду, создавая реактивную тягу. Причем объем выбрасываемой воды существенно увеличивается благодаря инжектору, внутренняя полость которого через односторонний клапан соединена с внешним контуром. Расчетные технико-экономические показатели этого двигателя ожидаются ощутимо выше указанного ранее. Однако для работы этого двигателя требуется наличие на борту водного транспортного средства мощного источника электрической энергии, например ядерного реактора. На судах малого водоизмещения мощные источники электрической энергии обычно отсутствуют.
Изобретение направлено на создание водяного реактивного двигателя, который можно использовать на водных транспортных средствах, как имеющих, так и не имеющих мощный источник электрической энергии.
Указанная цель достигается тем, что в водяном реактивном двигателе, находящемся под микропроцессорным управлением и содержащем соосно горизонтально расположенные входное устройство, сопло, на одном валу установленные насос высокого давления, насос низкого давления и турбину, имеющем внутренний контур, состоящий из камеры высокого давления воды шарообразной формы, в верхней части которой выполнен гофрированный расширительный элемент, соединенной с одной стороны вертикально расположенной трубой с насосом высокого давления, а в нижней части через электромагнитные клапаны с несколькими камерами сгорания, каждая из которых представляет собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в верхней части на оси рядом расположенные два электрода электроразрядника и с некоторым смещением от оси через электромагнитный клапан трубчатое соединение с атмосферой, 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 соединенную с выходящим во внешнюю воду общим соплом, внутри которого установлена турбина, и внешний контур, охватывающий горизонтальные части выходов камер сгорания и общее сопло, в верхней части каждой из камер сгорания рядом с двумя электродами электроразрядника выполнены два входа, перекрытые игольчатыми электромагнитными клапанами. Один из них имеет соединение с баллоном природного газа, а другой – с баллоном сжатого воздуха, контактирующего с атмосферой через компрессор.
На чертеже изображена принципиальная схема водяного реактивного двигателя. Он находится под микропроцессорным управлением и содержит соосно горизонтально расположенные входное устройство 1, сопло 2, на одном валу установленные насос высокого давления 3, насос низкого давления 4 и турбину 5. Внутренний контур двигателя состоит из камеры высокого давления воды 6 шарообразной формы, в верхней части которой выполнен гофрированный расширительный элемент 7. Эта камера соединена с одной стороны вертикально расположенной трубой 8 с насосом высокого давления, а с другой через электромагнитные клапаны 9 с несколькими камерами сгорания 10. Каждая из камер сгорания представляет собой сосуд яйцевидной формы, имеющий в верхней части на оси рядом расположенные два электрода электроразрядника 11 и с некоторым смещением от оси через электромагнитный клапан 12 трубчатое соединение с атмосферой 13. Выход в нижней части камеры сгорания выполнен в виде вертикальной трубы с инжектором 14, внутренняя полость которого через односторонний клапан 15 соединена с внешним контуром. Указанная вертикальная труба плавно переходит в горизонтальную и после одностороннего клапана 16 соединяется с выходящим во внешнюю воду общим соплом, внутри которого установлена турбина 5. Внешний контур охватывает горизонтальные части выходов камер парообразования и общее сопло. В верхней части каждой из камер сгорания рядом с двумя электродами электроразрядника выполнены два входа, перекрытые игольчатыми электромагнитными клапанами 17. Один из них имеет соединение с баллоном природного газа 18, а другой – с баллоном сжатого воздуха 19, контактирующего с атмосферой через компрессор 20.
Работает конструкция следующим образом. Непосредственно перед запуском водяного реактивного двигателя должно быть установлено требуемое давление сжатого воздуха в баллоне 19 соответствующим включением компрессора 20. В дальнейшем это давление постоянно поддерживается микропроцессорным управлением (МСУ). Кроме того, вращением оси, на которой установлен насос высокого давления 3, вручную (или при помощи стартера) должна быть полностью заполнена внешней водой камера высокого давления воды 6.
Далее осуществляется запуск водяного реактивного двигателя. Для этого при открытых электромагнитных клапанах 9 и 12 первой камеры сгорания выполняется ее заполнение внешней водой из камеры высокого давления 6. Благодаря некоторому смещению от оси камеры сгорания электромагнитного клапана 12 и трубчатого соединения с атмосферой 13 в верхней части камеры будет оставаться воздушное пространство. Заполнение водой камеры сгорания выполняется до тех пор, пока вода не появится в нижней части трубчатого соединения с атмосферой 13. После этого электромагнитные клапаны 9 и 12 закрываются, открываются игольчатые электромагнитные клапаны 17, через которые в камеру сгорания из соответствующих баллонов 18 и 19 поступают природный газ и воздух. Время открытия игольчатых электромагнитных клапанов МСУ выбирает так, чтобы в камере сгорания образовалась смесь природного газа с воздухом, содержащая примерно от 5-6% (минимальный тяговый режим) до 14-15% газа. Воспламенение такой смеси воздуха и газа имеет характер взрыва. Поэтому после электрического разряда между двумя электродами электроразрядника 11 вода, расположенная в вертикальной трубе с инжектором 14, интенсивно выбрасывается через общее сопло во внешнюю воду, создавая реактивную тягу. Причем объем выбрасываемой воды существенно увеличивается благодаря инжектору, внутренняя полость которого через односторонний клапан 15 соединена с внешним контуром. 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 больше, чем во внешнем. Большее давление в камере высокого давления воды 6 поддерживается благодаря гофрированному расширительному элементу 7, выполненному в верхней части камеры.
МСУ определяет время открытия игольчатых электромагнитных клапанов так, чтобы объем смеси природного газа с воздухом в камере сгорания был таковым, чтобы после ее воспламенения объем образовавшихся продуктов сгорания был достаточным для выбрасывания всей воды (или необходимой ее части в зависимости от требуемой скорости движения транспортного средства), заполняющей вертикальную трубу с инжектором, в горизонтальную часть последней. Когда энергия, выделившаяся при сгорании смеси природного газа с воздухом, будет полностью израсходована, движение воды прекратится, давление в выходной трубе существенно упадет. В этот момент должны вновь открыться электромагнитные клапаны 9 и 12 первой камеры сгорания, вновь начнется ее заполнение внешней водой из камеры высокого давления 6.
С некоторым смещением во времени абсолютно аналогично подготавливаются к срабатыванию вторая, третья и последующие камеры сгорания. Общее их количество выбирается таким образом, чтобы описанный выше процесс происходил последовательно в каждой из них, образуя в общем сопле постоянный несколько пульсирующий по интенсивности поток выбрасываемой воды. Сила тяги водяного реактивного двигателя, а следовательно и скорость движения водного транспортного средства, регулируется МСУ общим объемом горючей смеси в камерах сгорания и процентным содержанием в ней природного газа.