СИЛОВАЯ УСТАНОВКА РЕАКТИВНОГО ТИПА
JET-TYPE POWER PLANT

Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано в качестве источника электроэнергии как непосредственно, так и в составе приводов различных транспортных средств.
Известна силовая установка реактивного типа, использующая в качестве рабочего тела сжатый газ, запасенный в баллоне (Пневматические приводы летательных аппаратов. Под ред. В.В.Саяпина. М.: Машиностроение, 1992. с.135, рис.6.5). Эта установка содержит источник сжатого газа, питающий через эжектор ротор струйного двигателя, выполненный в виде полого вала с установленными на нем попарно радиальными плечами с внутренними каналами, на выходе которых установлены сопла, ориентированные тангенциально. Данная установка может быть использована в качестве привода различных бортовых энергетических устройств летательных аппаратов, время работы которых не превышает нескольких десятков минут.
Недостатком установки являются ограниченные энергетические возможности. Это связано с тем, что ее рабочим телом служит сжатый газ, энергия которого несопоставима с химической энергией топлива.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности является силовая установка гибридного автомобиля, включающая тепловой двигатель, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания с установленным на его выходном валу мотор-генератором, который соединен с электрическим аккумулятором (Ксеневич И.П., Изосимов Д.Б. Идеология проектирования электромеханических систем для гибридной мобильной техники // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2007, №1, рис.1).
Данная силовая установка обладает рядом недостатков, определяемых недостатками теплового двигателя, реализованного в виде двигателя внутреннего сгорания. К ним следует отнести сложность конструкции; невысокую энергетическую эффективность, определяемую значениями термического кпд на уровне 50%; трудности в обеспечении требуемых значений экологических показателей; значительную инерционность и ряд других.
Задача изобретения заключается в существенном упрощении конструкции силовой установки, обеспечивающей преобразование химической энергии газообразного или жидкого топлива в электрическую энергию при повышении энергетической эффективности и экологической чистоты.
Поставленная задача решается посредством того, что в силовую установку, включающую тепловой двигатель с установленным на его выходном валу мотор-генератором, который соединен с электрическим аккумулятором, дополнительно введен волновой редуктор, расположенный между мотор-генератором и тепловым двигателем, корпус которого выполнен в виде стакана, с установленным в нем на подшипниках валом диска, на внешней поверхности которого расположены попарно, диаметрально противоположно, сверхзвуковые воздухозаборники рабочих трактов прямоточных воздушно-реактивных двигателей, выполненных в виде тангенциально расположенных на внутренней поверхности диска входных диффузоров, камер сгорания и сверхзвуковых сопел, входные диффузоры соединены с источником топлива(жидкого или газообразного) повышенного давления через эжектор, активное сопло которого связано с источником топлива, а камера смешения выполнена в виде осесимметричного канала в вале, соединенного радиальными трубопроводами, расположенными на внутренней поверхности диска, с начальными участками входных диффузоров, в стенках которых выполнены отверстия, на поверхность корпуса теплового двигателя и внутреннюю поверхность диска нанесено термостойкое звукоизолирующее покрытие, при этом толщина покрытия на диске равна уровню плоскости касательной к внешней поверхности элемента рабочего тракта двигателя наиболее выступающего над поверхностью диска.
На фиг.1 приведена принципиальная схема силовой установки реактивного типа. На фиг.2 приведено сечение основного фрагмента принципиальной схемы плоскостью А-А.
Силовая установка реактивного типа содержит тепловой двигатель 1, вал 2 которого через волновой редуктор 3 связан с мотор-генератором 4, имеющим электрическую связь с аккумулятором 5. Тепловой двигатель 1 содержит корпус 6, в котором на подшипниках 7 установлен вал 2 с жестко закрепленным на нем диском 8. На внешней поверхности диска 8 установлены попарно и диаметрально противоположно сверхзвуковые воздухозаборники 9 рабочих трактов прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Воздухозаборники 9 через диффузоры 10 соединены с камерами сгорания 11 и сверхзвуковыми соплами 12, расположенными на внутренней стороне диска 8. Диффузоры 10 соединены также с источником 13 топлива повышенного давления. Соединение осуществлено через эжектор, активное сопло 14 которого расположено соосно с камерой смешения 15, выполненной в вале 2 теплового двигателя 1. Камера смешения 15 соединена радиальными трубопроводами 16, расположенными на внутренней поверхности диска 8 с начальными участками диффузоров 10 через отверстия 17 в стенках диффузоров. Корпус 6 и диск 8 имеют термостойкое звукоизолирующее покрытие 18.
Силовая установка реактивного типа работает следующим образом. Тепловой двигатель 1 запускается мотор-генератором 4, работающим в режиме стартера, от аккумулятора 5 и обеспечивающим при собственном числе оборотов 4000-60000 об/мин, за счет волнового редуктора 3 с передаточным числом не менее 8-10, число оборотов диска на уровне 50000-60000 об/мин. Указанная скорость вращения диска 8 обеспечивает скорость движения воздуха относительно поверхности диска в области воздухозаборников 9 на уровне 3,8-4,5 М при радиусе диска 0,25 м. Сверхзвуковой поток воздуха через воздухозаборники 9 поступает в рабочие тракты прямоточных воздушно-реактивных двигателей, где в системе скачков уплотнения, организованных структурой диффузоров 10, гасит свою скорость. При этом на начальном участке диффузоров реализуются косые скачки, обеспечивающие незначительное повышение давления. Именно в эту область через трубопроводы 16 и отверстия 17 подают газообразное или жидкое топливо от источника топлива 13. Система топливоподачи осуществляет передачу топлива от неподвижного источника к движущимся ракетным двигателям через эжектор с активным соплом 14 и камерой смешения 15. При дальнейшем движении по диффузору воздушный поток, в котором уже находится топливо, продолжает тормозиться и, наконец, на заключительном прямом скачке становится дозвуковым. При этом его давление превышает 3 МПа, а температура достигает уровня 1150 - 1500 К. Поскольку температура самовозгорания топлива лежит в пределах 850 - 900 К, то происходит возгорание топливовоздушной смеси по всему ее объему. Топливовоздушная смесь уже хорошо перемешана, очаги возгорания в ней равномерно распределены, а потому процесс горения может проходить при существенном обеднении смеси, что обеспечивает полноту сгорания топлива. Продукты сгорания истекают из камер сгорания 11 через сверхзвуковые сопла 12 и создают пару или несколько пар реактивных сил, обеспечивающих вращение диска 8, а через вал 2, установленный в корпусе 6 на подшипниках 7, и мотор-генератора 4, который переключается в режим генерации и запитывает электроэнергией аккумулятор 5 или иной потребитель энергии. Шум, связанный с работой ракетного двигателя, гасится с помощью термостойкого звукоизолирующего покрытия 18, нанесенного на корпус 6 и диск 8. Толщина покрытия на диске 8 равна уровню плоскости касательной к внешней поверхности элемента рабочего тракта двигателя наиболее выступающего над поверхностью диска, что обеспечивает существенное уменьшение аэродинамического сопротивления при вращении диска.
Использование предложенной силовой установки реактивного типа позволяет:
- получить исключительно простую (в сравнении с устройством-прототипом) конструкцию двигателя силовой установки;
- повысить энергетическую эффективность установки (термический кпд реактивного двигателя при выбранных скоростях вращения диска превышает 60%, в то время как аналогичный показатель двигателя внутреннего сгорания, используемого в устройстве-прототипе, менее 50%);
- улучшить экологические характеристики установки за счет более полного сгорания топлива при избытке воздуха в топливовоздушной смеси.