ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ТУРБОУСТАНОВКА
ELECTRIC ARC TURBO-INSTALLATION

Изобретение относится к турбинным установкам и может найти применение в различных отраслях, в частности, в качестве двигателей для летающих аппаратов.
Известен газотурбинный двигатель, содержащий компрессор с каналом для подвода рабочего вещества, а именно атмосферного воздуха, соединенный каналами с камерой сгорания, снабженной форсункой для подачи топлива и заключенной в корпусе. Посредством вала компрессор связан с рабочим колесом газовой турбины, имеющим сопловые лопатки и соединенным с камерой сгорания через сопловой аппарат. Сопловой аппарат подключен к выходному патрубку, связанному с приводимым агрегатом. Сжатый компрессором атмосферный воздух поступает по каналам в камеру сгорания, туда же подается и топливо. Сгорание топлива в камере сгорания приводит к значительному увеличению энергии газообразных продуктов сгорания, которая через рабочее колесо газовой турбины преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Большая часть работы расходуется на сжатие воздуха в компрессоре, а меньшая часть работы передается на приводимый агрегат (Большой энциклопедический словарь: Политехнический / Гл.ред. А.Ю.Ишлинский. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - С.107-108).
В качестве недостатков этого газотурбинного двигателя, являющихся следствием использования топлива для его работы, можно привести выброс в атмосферу в процессе выхлопа экологически вредных веществ - продуктов неполного сгорания топлива в камере сгорания, огнеопасность и взрывоопасность используемого топлива.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является электродуговая аэродинамическая труба, содержащая электроразрядную камеру с каналом подвода рабочего вещества, а именно атмосферного воздуха, и охлаждаемыми водой стенками, переходящими в сопло. В электроразрядной камере расположен охлаждаемый водой центральный грибообразный электрод с контактами для подведения электрического тока дугового разряда. На стенке электроразрядной камеры размещена индукционная катушка с контактами для подведения электрического тока, предназначенная для создания магнитного поля, вращающего с большой частотой в электроразрядной камере электрический дуговой разряд, нагревающий протекающий через электрический дуговой разряд воздух до высокой температуры. Сопло соединено с рабочей камерой, связанной с диффузором (Большая советская энциклопедия / Гл.ред. A.M.Прохоров. - М.: Советская энциклопедия, 1970. - Т.2. - С.481, рис.6).
Недостатком известной электродуговой аэродинамической трубы является отсутствие возможности преобразования кинетической энергии потока высокотемпературных частиц рабочего вещества в механическую работу.
Задачей изобретения является обеспечение возможности преобразования подводимой от источника питания электрической энергии в кинетическую энергию потока высокотемпературных частиц рабочего вещества и получение за счет этого движущейся силы (силы тяги), а также преобразование энергии потока в механическую работу.
Поставленная задача решается тем, что в электродуговой турбоустановке, содержащей источники питания, электроразрядную камеру с каналом подвода рабочего вещества и стенками, переходящими в сопло, расположенный в электроразрядной камере центральный охлаждаемый электрод, контакты для подведения электрического тока дугового разряда, расположенную на стенке электроразрядной камеры индукционную катушку с контактами для подведения электрического тока, предназначенную для создания магнитного поля, вращающего с большой частотой в электроразрядной камере электрический дуговой разряд, нагревающий протекающее через электрический дуговой разряд рабочее вещество до высокой температуры, причем сопло соединено с рабочей камерой, согласно изобретению одинаковые электроразрядные камеры, не менее двух, объединены и укреплены по окружности через стенки, переходящие в сопло, кольцевой рабочей камерой, в которой на валу закреплено рабочее колесо турбины с сопловыми лопатками. При этом установка снабжена расположенным в каждой электроразрядной камере цилиндрическим перфорированным соплами охлаждаемым электродом, внутри которого по оси симметрии установлен центральный полый электрод с насадкой, содержащей сопло и запальный наконечник для поддержания непрерывного электрического дугового разряда в электроразрядной камере. Канал подвода под давлением рабочего вещества связан с полостями и соплами электродов.
Обеспечивается возможность преобразования подводимой от источника питания электрической энергии в кинетическую энергию потока высокотемпературных частиц рабочего вещества и получение за счет этого движущейся силы (силы тяги), а также преобразование энергии потока в механическую работу.
Преобразование подводимой электрической энергии от источника питания в кинетическую энергию потока высокотемпературных частиц рабочего вещества и в механическую работу достигается укреплением по окружности не менее двух одинаковых электроразрядных камер, стенки которых, переходящие в сопло, объединены кольцевой рабочей камерой, в которой на валу закреплено рабочее колесо турбины с сопловыми лопатками, взаимодействующими с потоком высокотемпературных частиц рабочего вещества. При этом рабочее вещество нагревается при протекании по системе сопл, направляющих рабочее вещество через электрический дуговой разряд для нагрева до высокой температуры, и, соответственно, происходит тепловое расширение рабочего вещества, обусловленное увеличением кинетической энергии его частиц, которые, протекая через сопло, увеличивают скорость в направлении течения и взаимодействуют с сопловыми лопатками рабочего колеса турбины и истекают через сопло из турбоустановки, а получающаяся за счет этого сила реакции непосредственно является движущей силой (силой тяги).
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена предложенная электродуговая турбоустановка, продольный разрез; на фиг.2 - предложенная электродуговая турбоустановка, снабженная компрессором, продольный разрез.
Электродуговая турбоустановка содержит одинаковые электроразрядные камеры 1, не менее двух, объединенные и укрепленные по окружности через стенки 2, переходящие в сопло 3, кольцевой рабочей камерой 4, соединенной с соплом 3. Сопло 3 предназначено для разгона потока высокотемпературных частиц рабочего вещества до заданной скорости и придания потоку заданного направления. В кольцевой рабочей камере 4 на валу 5 закреплено рабочее колесо 6 турбины с сопловыми лопатками 7.
В каждой электроразрядной камере 1 расположен цилиндрический перфорированный соплами 8 охлаждаемый рабочим веществом электрод 9, внутри которого по оси симметрии установлен в диэлектрической вставке 10 центральный полый охлаждаемый рабочим веществом электрод 11 с насадкой 12. Насадка 12 имеет сопло 13 и запальный наконечник 14 для поддержания непрерывного электрического дугового разряда 15 в электроразрядной камере 1.
Снаружи на стенке 2 каждой электроразрядной камеры 1 укреплена индукционная катушка 16, предназначенная для создания магнитного поля, вращающего с большой частотой в электроразрядной камере 1 электрический дуговой разряд 15, нагревающий протекающее через электрический дуговой разряд 15 рабочее вещество, поступающее по каналу 17 подвода под давлением рабочего вещества, до высокой температуры. Канал 17 подвода под давлением рабочего вещества соединен с наполненным рабочим веществом аккумулятором 18 давления, подключен через редуктор 19 давления к баллону 20 со сжатым рабочим веществом и далее через пускорегулирующий клапан 21 - к каждой электроразрядной камере 1. Канал 17 подвода рабочего вещества таким образом связан с полостями и соплами 8, 13 электродов 9, 11 соответственно.
Вал 5 подсоединен через редуктор 22, связанный с валом 23, к генератору 24 электрического тока (фиг.1).
Электроды 9, 11 через контакты для подведения электрического тока дугового разряда 15, образующегося в кольцевом канале 25 электроразрядной камеры 1, подключены к источнику питания 26, связанному с бортовым аккумулятором (на чертеже не показан). Кольцевой канал 25 образован между цилиндрическим перфорированным соплами 8 в электроде 9 и центральным полым электродом 11 с насадкой 12, имеющей сопла 13 и запальный наконечник 14.
Индукционная катушка 16 подключена через контакты для подведения электрического тока к источнику питания 27, что необходимо для уменьшения эрозии электрода 9 и запального наконечника 14 и обеспечивается вращением электрического дугового разряда 15 с большой частотой магнитным полем, создаваемым индукционной катушкой 16.
На валу 5 вместо генератора 24 электрического тока (фиг.1) может быть закреплен компрессор 28, связанный каналом 17 подвода под давлением рабочего вещества через клапан 29 с аккумулятором 18 давления (фиг.2).
В качестве рабочего вещества можно использовать атмосферный воздух, азот, инертные и сжиженные газы, воздушно-водяную и другие смеси. Рабочее вещество в аккумуляторе 18 давления пополняется заменой отработанного пустого аккумулятора 18 давления на полный заряженный или накачивается в аккумулятор 18 давления компрессором 28 по каналу 17 через клапан 29.
Электродуговая турбоустановка работает следующим образом. Из наполненного рабочим веществом аккумулятора 18 давления, в котором рабочее вещество находится под высоким давлением, по каналу 17 рабочее вещество поступает через редуктор 19 давления в баллон 20, где давление поддерживается постоянным редуктором 19 давления. Из-за того что давление рабочего вещества в баллоне 20 больше, чем давление в электроразрядной камере 1, рабочее вещество подается по каналу 17 подвода под давлением рабочего вещества через пускорегулирующий клапан 21 из баллона 20 в электроразрядную камеру 1. В электроразрядной камере 1 индукционной катушкой 16 создается магнитное поле, вращающее с большой частотой электрический дуговой разряд 15, образующийся в кольцевом канале 25 между электродами 9 и 11 и нагревающий рабочее вещество. Рабочее вещество нагревается при протекании по системе сопел 8, 13 электродов 9,11, направляющих рабочее вещество через электрический дуговой разряд 15 для нагрева до высокой температуры, и, соответственно, происходит его тепловое расширение, обусловленное увеличением кинетической энергии высокотемпературных частиц рабочего вещества. Скорость высокотемпературных частиц рабочего вещества увеличивается в направлении течения через сопло 3, и при взаимодействии этих частиц с сопловыми лопатками 7 рабочего колеса 6 турбины, установленного на валу 5 в кольцевой рабочей камере 4, осуществляется преобразование энергии потока высокотемпературных частиц рабочего вещества в механическую работу на валу 5 турбины, соединенном через редуктор 22 с помощью вала 23 с генератором 24 электрического тока. Затем, истекая через сопло 3, поток высокотемпературных частиц рабочего вещества создает реактивную тягу.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает преобразование подводимой от источника питания электрической энергии в кинетическую энергию потока высокотемпературных частиц рабочего вещества и получение за счет этого движущей силы (силы тяги), а также преобразование энергии потока в механическую работу на валу турбины без использования топлива в качестве рабочего вещества при отсутствии в процессе выхлопа выброса в атмосферу экологически вредных веществ, огне- и взрывобезопасность.