Бюллетень ЕАПВ "Изобретения (евразийские заявки и евразийские патенты)"
Бюллетень 2´2007

  

(11)

008275 (13) B1       Разделы: A B C D E F G H   

(21)

200500025

(22)

2002.07.17

(51)

F02C 3/32 (2006.01)

(43)

2005.12.29

(86)

PCT/RU2002/000338

(87)

WO 2004/007928 2004.01.22

(71)(72)(73)

КОНДРАШОВ БОРИС МИХАЙЛОВИЧ (RU)

(74)

Прозоровский А.Ю. (RU)

(54)

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И СТРУЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕ­НИЯ

(57) 1. Способ преобразования энергии, включающий использование процесса последовательного присоединения дополнительных масс для создания мощности на валу турбины газотурбинного струйного двигателя (СД), отличающийся тем, что потенциальную и тепловую энергию рабочего тела по меньшей мере из одного источника преобразуют по меньшей мере в одном струйном устройстве в кинетическую энергию пульсирующей активной струи, которую направляют в устройство присоединения со скоростью, температурой, частотой и длительностью импульсов, необходимыми для создания за движущейся массой импульсов разрежения, обеспечивающего возникновение неуравновешенной силы давления внешней (по отношению к устройству присоединения) газовой массы, за счет которой происходит втекание дополнительной газовой массы вслед за каждым импульсом, ее расширение, ускорение с понижением температуры и присоединение к активной струе, истекающей из устройства присоединения, а полученную в результате процесса присоединения объединенную реактивную массу используют для создания вращающего момента на валу ротора СД.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что необходимую угловую скорость и момент на валу ротора получают, изменяя величину и термодинамические параметры объединенной реактивной массы за счет подключения через отдельные каналы к расчетному количеству струйных устройств с необходимыми для заданного режима работы параметрами и устройствами присоединения источников рабочего тела с расчетными параметрами, для образования массы импульсов активных струй и/или за счет изменения частоты импульсов активных струй, истекающих из задействованных струйных устройств и, соответственно, изменения параметров процессов присоединения и коэффициентов присоединения в газотурбинном струйном адаптивном двигателе (САД).

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочее тело по радиальным каналам направляют в струйные устройства с устройствами присоединения, выполняющие функции эжекторных элементов вращающегося соплового аппарата эжекторного типа, расположенного по меньшей мере на одном диаметре по меньшей мере одной ступени ротора, а за счет полученной в результате процесса последовательного присоединения объединенной реактивной массы создают суммарную реактивную тягу задействованных в ее создании эжекторных элементов вращающегося соплового аппарата и момент на валу ротора.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что рабочее тело направляют в струйные устройства с устройствами присоединения, выполняющие функции эжекторных элементов неподвижного соплового аппарата эжекторного типа, а напором объединенной реактивной массы, полученной в процессе последовательного присоединения в задействованных в ее создании эжекторных элементах, воздействуют на лопатки ротора для создания момента на его валу.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что для образования массы импульсов активных струй применяют различные струйные устройства, например детонационные камеры сгорания, в которые направляют продукты сгорания из камер периодического сгорания для образования реактивных струй, истекающих навстречу друг другу в точку фокуса сферической части, а по параллельным каналам, подают сжатую топливовоздушную смесь, после расширения которой реактивную струю направляют в эту же точку для столкновения со струями продуктов сгорания, при котором происходит локальное повышение температуры и давления, инициирующее автоколебательный процесс детонационного сгорания с образованием высокочастотных детонационных волн, распространяющихся в противоположную от сферической части камеры сторону и разгоняющих продукты сгорания в устройстве присоединения, причем этот процесс продолжается в течение расчетного времени цикла, до прекращения подачи продуктов сгорания и/или сжатой смеси, и возобновляется с заданной периодичностью.

6. Способ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что часть кинетической энергии объединенной реактивной массы, остающуюся после создания момента на валу ротора, утилизируют, воздействуя на лопатки ротора первой ступени биротативной турбины, который вращается в противоположную сторону и кинематически связан с валом ротора САД через дифференциальную планетарную передачу с передаточным числом, обеспечивающим расчетное уменьшение окружной скорости этих лопаток, по отношению к окружной скорости ротора САД, для увеличения силы воздействия струи на лопатки и момента на валу ротора первой ступени биротативной турбины, который через дифференциальную планетарную передачу суммируют с моментом, создаваемым на валу ротора САД, кроме того, на выходном валу водила этой планетарной передачи располагают, по меньшей мере, одноступенчатый ротор второй ступени биротативной турбины, вращающийся в сторону, противоположную вращению первой ступени, а момент, образованный при воздействии струи на ее лопатки, также суммируют, объединяя через дифференциальную планетарную передачу все три потока мощности в один и обеспечивая оптимальное соотношение увеличения силы воздействия струй на лопатки ступеней биротативной турбины с КПД этих ступеней в зависимости от их скорости вращения, при этом суммарную мощность передают потребителю через один или одновременно несколько выходных валов с различными расчетными моментами и скоростями вращения.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что часть кинетической энергии объединенной реактивной массы, остающуюся после создания вращающего момента на валу ротора, утилизируют, направляя струю на лопатки, по меньшей мере, одноступенчатого ротора турбины, который кинематически не связан с валом ротора САД, и преобразуют в кинетическую энергию вращения устройств, кинематически связанных с этой турбиной и обладающих инерционной массой, с помощью которой кинетическую энергию аккумулируют и, при необходимости, преобразуют в электрическую энергию и/или потенциальную энергию сжатого газа с использованием получаемой энергии во время преобразования и/или ее аккумулирования с последующим использованием, при этом с помощью датчиков контролируют допустимый расчетный предел скорости вращения инерционной массы, при превышении которого увеличивают расходование накопленной энергии.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что используя часть мощности, получаемой на валу лопаточной турбины за счет напора струй воздуха при втекании в устройства присоединения через лопатки турбины и/или часть утилизированной энергии объединенной реактивной массы, атмосферный воздух сжимают в компрессоре, причем используют ротор компрессора, масса которого выбрана из условия одновременного выполнения им функций устройства, обладающего инерционной массой, аккумулирующей кинетическую энергию, и дискретного преобразования накопленной энергии в потенциальную энергию сжимаемых в этом же компрессоре газов, при этом сжатые газы через обратный клапан нагнетают в пневмоаккумулятор до верхнего расчетного уровня давления, при превышении которого одним пнемоклапаном перекрывают доступ газов в компрессор, а через другой выпускают остатки сжатого газа, находящегося в объеме между входом в пневмоаккумулятор и выходом из компрессора, ротор которого после этого вращается вхолостую, не расходуя энергию инерционной массы на сжатие, до тех пор, пока давление в пневмоаккумуляторе не снизится до расчетного уровня, при котором возобновляют подачу газов на вход компрессора.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что преобразование энергии атмосферы в процессе последовательного присоединения осуществляют за счет энергии, получаемой в результате ее преобразования, используя в качестве рабочего тела сжатый в компрессоре атмосферный воздух, для сжатия которого используют мощность, полученную на валу турбины при воздействии на ее лопатки напором массы атмосферного воздуха, втекающей в устройства присоединения вслед за воздушной массой импульсов активных струй, и/или мощность, полученную в результате процесса утилизации энергии объединенной воздушно-реактивной массы.

10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что теплоту, получаемую при сжатии атмосферного воздуха в компрессоре, утилизируют, понижая температуру сжатого воздуха, при расширении которого в процессе образования активных струй снижают температуру воздушной массы импульсов, затем пропорционально ускорению в процессе последовательного присоединения снижают температуру присоединяемых масс атмосферного воздуха, а после создания момента на валу ротора отработавшую воздушную массу с пониженной температурой, по меньшей мере, частично возвращают (напрямую по каналу и/или через теплообменное устройство, передающее «холод» в охлаждаемую среду) в устройство присоединения этого же соплового аппарата в качестве присоединяемых масс вместо атмосферного воздуха и/или направляют в этом же качестве в устройство присоединения другого соплового аппарата, также создающего момент на этом или другом валу для дальнейшего управляемого понижения температуры отработавшей воздушной массы в образованном таким образом холодильном контуре.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что утилизированную кинетическую энергию объединенной воздушно-реактивной массы используют для сжатия отработавшей в предыдущих циклах объединенной воздушной массы, которую затем направляют в устройства присоединения в качестве присоединяемых масс следующих циклов и/или в выхлопной канал и одновременно создают разрежение в области истечения объединенной воздушно-реактивной массы из устройств присоединения, увеличивая тем самым в обоих случаях разность потенциалов давлений при образовании объединенной воздушно-реактивной массы в процессах последовательного присоединения следующих циклов и, соответственно, повышают коэффициент присоединения, скорость объединенной воздушно-реактивной массы, дополнительно понижая ее температуру, а повышая давление отработавшей воздушной массы в выхлопном канале, обеспечивают ее стравливание через обратный клапан во внешнюю среду с повышенным давлением и/или истечение через реактивные сопла для создания реактивных струй и тяги.

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что используют замкнутый термодинамический цикл с внешним подводом теплоты без замены отработавшей в предыдущих циклах газовой массы, при этом, по меньшей мере, ее большую часть направляют по замкнутому контуру в теплообменное устройство для нагрева до температуры используемого источника тепла внешней среды и затем возвращают в устройства присоединения по меньшей мере одного соплового аппарата в качестве присоединяемых масс следующих циклов, а параллельно ее меньшую часть, не нагретую в теплообменном устройстве, и/или часть нагретой массы также по замкнутому контуру возвращают в компрессор для сжатия и использования в следующих циклах в качестве рабочего тела, причем теплоту, получаемую в процессе сжатия, по меньшей мере, частично утилизируют, используя, например, для обеспечения внешних потребителей.

13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что для использования в замкнутом термодинамическом цикле низкопотенциальной теплоты источников тепловой энергии внешней среды объединенную реактивную массу после создания момента и понижения температуры направляют в качестве присоединяемых масс в устройства присоединения, по меньшей мере, еще одного следующего соплового аппарата эжекторного типа, в котором наряду с получением момента дополнительно понижают температуру отработавшей газовой массы, увеличивая разность потенциалов температур перед ее нагревом в теплообменном устройстве.

14. Способ по любому из пп.1-13, отличающийся тем, что утилизированную кинетическую энергию объединенной реактивной массы используют для сжатия отработавшей в предыдущих циклах газовой массы, которую после сжатия направляют для нагрева в теплообменном устройстве и/или использования в качестве присоединяемых масс следующих циклов в устройствах присоединения, и одновременно создают разрежение в области истечения объединенной реактивной массы из устройств присоединения, увеличивая тем самым разность потенциалов давлений при образовании объединенной реактивной массы в процессах последовательного присоединения следующих циклов и, соответственно, коэффициент присоединения, скорость объединенной реактивной массы, а также дополнительно понижая ее температуру.

15. Способ по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что низкопотенциальную теплоту источника тепловой энергии внешней среды преобразуют в механическую работу и «холод», при этом в зависимости от исходных термодинамических параметров и количества отбираемой теплоты, понижая температуру источника, локально изменяют его термодинамические параметры и агрегатное состояние.

16. Газотурбинный струйный двигатель (СД), содержащий по меньшей мере одну турбину с эжекторным сопловым аппаратом, выполненным по меньшей мере с одним эжекторным элементом, состоящим из струйного устройства для образования пульсирующей активной струи рабочего тела и эжекторного насадка, выполняющего функцию устройства присоединения внешних (по отношению к этому устройству) газовых масс к газовой массе импульсов активной струи для ускорения этих масс и создания за счет их кинетической энергии вращающего момента на валу турбины, отличающийся тем, что эжекторный сопловой аппарат расположен таким образом, что вращающий момент на валу турбины создается за счет кинетической энергии струи объединенной реактивной массы, истекающей из устройства присоединения после последовательного присоединения дополнительных внешних газовых масс к массе импульсов активной струи, при этом эжекторный сопловой аппарат имеет расчетные геометрические параметры и пропорции струйного устройства и устройства присоединения, которые совместно с термодинамическими параметрами пульсирующей активной струи в процессе последовательного присоединения выбраны из условий, необходимых для создания разрежения в устройстве присоединения и формирования неуравновешенной силы давления внешних газовых масс, обеспечивающей возможность их втекания вслед за каждым импульсом газовой массы активной струи для последовательного присоединения к ним и ускорения, обеспечивающего прирост кинетической энергии струи объединенной реактивной массы по сравнению с кинетической энергией активной струи, истекающей из струйного устройства эжекторного соплового аппарата СД.

17. Газотурбинный струйный двигатель по п.16, отличающийся тем, что источник рабочего тела, образующего в струйном устройстве пульсирующую активную струю, выполнен в виде камеры периодического сгорания.

18. Газотурбинный струйный двигатель по пп.16, 17 отличающийся тем, что источник рабочего тела, образующего в струйном устройстве пульсирующую активную струю, выполнен в виде пневмоаккумулятора.

19. Газотурбинный струйный двигатель по пп.16-18 отличающийся тем, что эжекторный сопловой аппарат выполнен вращающимся в виде сегнерова колеса - реактивной турбины, создающей вращающий момент на валу за счет реактивной тяги эжекторных элементов соплового аппарата.

20. Газотурбинный струйный двигатель по пп.16-19 отличающийся тем, что эжекторный сопловой аппарат закреплен неподвижно, а струя объединенной реактивной массы при истечении из эжекторного элемента воздействует на лопатки турбины, создавая вращающий момент на ее валу.

21. Газотурбинный струйный двигатель по пп.16-20 отличающийся тем, что струйное устройство для создания пульсирующей активной струи выполнено в виде детонационной камеры сгорания.

22. Газотурбинный струйный двигатель по пп.16-21 отличающийся тем, что струйное устройство для создания пульсирующей активной струи выполнено в виде электрореактивного устройства.

23. Газотурбинный струйный двигатель по пп.16-22 отличающийся тем, что струйное устройство для создания пульсирующей активной струи выполнено в виде реактивного сопла.



наверх