RU2285635C2

RU2285635C2 - Gas- and water-jet propeller

Info

Publication number: RU2285635C2
Application number: RU2004137429/11A
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Соловьев (RU); Александр Петрович Соловьев; Борис Иванович Турышев (RU); Борис Иванович Турышев
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-10-20
Also published as: RU2004137429A

Abstract

FIELD: shipbuilding; propellers for watercraft of rather small displacement.

SUBSTANCE: proposed propeller has profiled air intake with inlet and outlet holes, water scoop and accelerator located in air intake body and provided with at least two convergent nozzles which are hermetically interconnected. Each nozzle is coaxially introduced into other in way of motion of air forming cavity (cavities) between nozzles. At least one cavity is provided with air ionization units for ionization of air in cavity and motion of it in accelerator; air is ejected from outside medium through inlet hole. Inlet valves admitting air to cavity are mounted on wall. At least one cavity is communicated with units for delivery of air inside cavities and suction of it from them which is necessary for control of propeller power. Air intake is provided with water-cooled cylinders. Cavity is provided with pressure sensor. Inlet and exit nozzles are provided with flow velocity sensors supplying information to propeller control unit.

EFFECT: reduced consumption of fuel; increased speed; enhanced efficiency.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к судостроению, а именно к движителям судов и других плавсредств.The invention relates to shipbuilding, and in particular to propulsors of ships and other boats.

Известен газоводометный движитель судна, состоящий из воздухозаборника с входным и выходным отверстием, водозаборника и ускорителя подачи воздуха в воздухозаборник [1].Known gas propulsion ship, consisting of an air intake with inlet and outlet, a water intake and an accelerator for supplying air to the air intake [1].

Недостатки - низкая эффективность, отсутствие возможности снизить расход и необходимый запас возимого топлива, небольшой КПД.Disadvantages - low efficiency, lack of ability to reduce consumption and the necessary supply of transportable fuel, low efficiency.

Известен газоводометный движитель судна, состоящий из трубы с водозаборным и выходным каналом, внутри которого установлено рабочее колесо, спрямляющий аппарат и центральное тело, а также газонагревательный канал, соединенный с выходным каналом [2].Known gas propulsion vessel, consisting of a pipe with a water intake and output channel, inside of which there is an impeller, a straightening apparatus and a central body, as well as a gas heating channel connected to the output channel [2].

Недостатки аналога те же самые.The disadvantages of the analogue are the same.

Технический результат изобретения - повышение эффективности, в том числе снижение расхода и необходимого запаса топлива, повышение скорости судна и КПД движителя.The technical result of the invention is improving efficiency, including reducing fuel consumption and the required fuel supply, increasing the speed of the vessel and the propulsion efficiency.

Технический результат изобретения достигается тем, что в известном устройстве, состоящем из воздухозаборника с входным и выходным отверстием, водозаборника и ускорителя подачи воздуха, включающего в себя, по меньшей мере, два сужающихся сопла, герметично соединенных между собой так, что каждое сопло коаксиально введено в следующее по ходу движения воздуха сопло с образованием между соплами полости или полостей, по меньшей мере одна полость снабжена средствами ионизации воздуха, обеспечивающими ионизацию воздуха в полости и его движение в ускорителе с эжекцией воздуха из внешней среды через входное отверстие. В этой полости также размещены впускные клапаны на ее стенке для подачи в полость воздуха. Помимо этого, по меньшей мере, одна полость сообщена с устройствами подачи и отсоса воздуха внутрь этих полостей для регулировки мощности движителя. В воздухозаборнике перед соединением его с водозаборником установлены соосно водоохлаждаемые цилиндры.The technical result of the invention is achieved by the fact that in the known device, consisting of an air intake with an inlet and an outlet, a water intake and an accelerator of air supply, comprising at least two tapering nozzles, hermetically connected to each other so that each nozzle is coaxially inserted into the following nozzle along the air flow with the formation of a cavity or cavities between the nozzles, at least one cavity is equipped with air ionization means providing ionization of the air in the cavity and its movement in the accelerator air ejection from the outside through the inlet. Intake valves are also placed in this cavity on its wall for supplying air into the cavity. In addition, at least one cavity is in communication with air supply and suction devices inside these cavities to adjust the power of the propulsion device. Before connecting it to the water intake, coaxially water-cooled cylinders are installed in the air intake.

В полости или полостях размещены датчики давления, а на входном и выходном соплах - датчики скорости потока с выдачей информации на блок управления работой движителя.Pressure sensors are placed in the cavity or cavities, and flow rate sensors are located on the inlet and outlet nozzles with the output of information to the propulsion unit control unit.

Схематически предлагаемое изобретение изображено на фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 показан один из возможных вариантов газоводометного движителя (ГВД) на водоизмещающем судне. На фиг.2 представлен ускоритель - устройство повышения скорости подачи воздуха в воздухозаборнике.Schematically, the invention is shown in figure 1 and figure 2. Figure 1 shows one of the possible variants of a gas-jet propulsion device (HWP) on a displacement vessel. Figure 2 presents the accelerator - a device for increasing the speed of air supply in the air intake.

Движитель содержит воздухозаборник 1 с входным 2 и выходным 3 отверстием. Входное отверстие при этом может располагаться на палубе, на надстройке судна и повернуто в нос. Кормовое (выходное) отверстие - располагается над уровнем воды. В воздухозаборник врезается водозаборник 4. Внутри воздухозаборника 1 размещаются устройство ускорения воздуха 5 (далее - ускоритель) и вблизи врезки водозаборника - соосные водоохлаждаемые цилиндры 6.The mover contains an air intake 1 with an inlet 2 and an outlet 3 hole. In this case, the inlet may be located on the deck, on the superstructure of the vessel and turned into the bow. Aft (outlet) hole - located above the water level. A water intake 4 crashes into the air intake. Inside the air intake 1, an air acceleration device 5 (hereinafter referred to as the accelerator) is located, and coaxial water-cooled cylinders 6 are located near the water inlet.

Ускоритель (фиг.2) содержит размещенные соосно сопло 7 с входным сечением 8 и критическим сечением 9, сопло 10 с критическим сечением 11 и полость 12 между этими соплами. В полости 12 на ее стенке 14 помещены устройства ионизации воздуха 13 и клапаны 15. Далее по ходу движения воздуха следуют сужающееся сопло 16 с критическим сечением 17 и сужающееся сопло 18 с критическим сечением 19 и выходным сужающимся соплом 20. Между соплами 10 и 16 имеется полость 21, между соплами 16 и 18 - полость 22. При этом сопла 7 и 10, а также 10 и 16, 16 и 18 соединены между собой герметично. К полостям 12, 21 и 22 подсоединены устройства 23 отсоса и подачи воздуха внутрь этих полостей. Датчики и блок управления на фигурах не показаны.The accelerator (figure 2) contains coaxially placed nozzle 7 with an inlet section 8 and a critical section 9, a nozzle 10 with a critical section 11 and a cavity 12 between these nozzles. In the cavity 12, air ionization devices 13 and valves 15 are placed on its wall 14. Next, in the direction of the air movement, there is a tapering nozzle 16 with a critical section 17 and a tapering nozzle 18 with a critical section 19 and an outlet tapering nozzle 20. There is a cavity between the nozzles 10 and 16 21, between the nozzles 16 and 18 - the cavity 22. In this case, the nozzles 7 and 10, as well as 10 and 16, 16 and 18 are tightly connected to each other. To the cavities 12, 21 and 22 are connected the device 23 of the suction and air supply inside these cavities. Sensors and control unit are not shown in the figures.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В нерабочем состоянии все сопла ускорителя 5 заполнены воздухом. Для ввода в строй двигателя производят ионизацию воздуха в полости 12 ускорителя с использованием одного или нескольких средств ионизации 13, размещенных в полости. Такими средствами ионизации могут быть нанесенные на внутренние поверхности стенки полости электроды, соединенные с полюсами источника напряжения электротока, или магнитные полосы. Средствами ионизации могут быть также источник искусственного потока элементарных частиц с энергией в интервале от 10 эВ до 1,2*10⁴⁵ эВ или нанесенные на стенки полости покрытия, содержащие радиоактивные элементы. Ионизацию осуществляют, например, возбуждением в воздухе полости электрического разряда переменным электрическим и/или магнитным полем. Или путем ввода в полость катализатора процесса ионизации (инертный газ (например, аргон), элементы четвертой группы периодической таблицы химических элементов (например, углерод) и др. В результате ионизации молекулы воздуха (азота и кислорода) частично разрушаются с выделением большого количества тепла и кинетической энергии [3]. При закрытых клапанах 15 поток расширенного в полости 12 газа вылетает к центральной оси устройства, эжектируя при этом воздух из внешней среды через входное сечение 8. Далее клапаны 15 открываются и в полость 12 поступает воздух из внешней среды или из источника сжатого воздуха. После этого клапаны закрываются. Частота выполнения таких операций (пульсаций) регулируется и может быть достаточно высокой, чтобы обеспечить квазинепрерывный характер работы. Когда скорость потока газа, идущего из полости 12, с учетом эжектируемого из внешней среды (через сопло 7) объема воздуха между сечениями 11 и 17 будет достаточной для эжекции воздуха из полости 21, в последней возникнет некоторое разрежение. Оно будет способствовать повышению перепада давлений между сечениями 8 и 11 и тем самым увеличению скорости истечения и расхода воздуха через входное сечение 8. Это, в свою очередь, приведет к усилению вакуумирования полости 21. Такие процессы будут происходить до тех пор, пока перестанет повышаться степень вакуума в полости. Здесь возможны два исхода. Первый, когда величиной вакуума в полости 21 не управляют, тогда скорость потока будет наибольшей при технически возможной степени вакуума (за счет самовакуумирования [4]). Второй исход, когда, наоборот, величину вакуума назначают и поддерживают в полости 21 искусственно, скорость потока при этом будет управляемой. При установлении постоянной скорости потока частоту пульсаций постепенно уменьшают вплоть до полного выключения. Движитель начинает работать только за счет засасывания в сопло 21 воздуха из внешней среды вакуумом этой полости. После прекращения пульсаций возникает разрежение и в полости 12. При дальнейшем вакуумировании полостей 12, 21 и 22 в выходном сопле 20 возникнет устойчивый сверхзвуковой поток воздуха.In the idle state, all nozzles of the accelerator 5 are filled with air. To commission the engine, air is ionized in the cavity 12 of the accelerator using one or more ionization means 13 located in the cavity. Such means of ionization can be electrodes deposited on the inner surface of the cavity wall, connected to the poles of an electric current voltage source, or magnetic strips. The ionization means can also be a source of an artificial stream of elementary particles with energies in the range from 10 eV to 1.2 * 10 ⁴⁵ eV or deposited on the walls of the cavity of the coating containing radioactive elements. Ionization is carried out, for example, by excitation in the air of an electric discharge cavity by an alternating electric and / or magnetic field. Or by introducing into the catalyst cavity an ionization process (inert gas (for example, argon), elements of the fourth group of the periodic table of chemical elements (for example carbon), etc. As a result of ionization, air molecules (nitrogen and oxygen) are partially destroyed with the release of a large amount of heat and kinetic energy [3]. When the valves 15 are closed, the flow of gas expanded in the cavity 12 flies out to the central axis of the device, while ejecting air from the environment through the inlet section 8. Next, the valves 15 open and into the cavity 12 post air falls from the external environment or from a source of compressed air. After this, the valves are closed. The frequency of such operations (pulsations) is adjustable and can be high enough to provide a quasi-continuous operation. When the flow rate of gas coming from the cavity 12, taking into account the ejected from the external environment (through the nozzle 7) the volume of air between sections 11 and 17 will be sufficient for ejection of air from the cavity 21, in the latter there will be some depression. It will help to increase the pressure drop between sections 8 and 11 and thereby increase the flow rate and air flow through the inlet section 8. This, in turn, will increase the vacuum of the cavity 21. Such processes will continue until the degree ceases to increase. vacuum in the cavity. Two outcomes are possible here. First, when the magnitude of the vacuum in the cavity 21 is not controlled, then the flow rate will be the highest at the technically possible degree of vacuum (due to self-vacuum [4]). The second outcome, when, on the contrary, the vacuum value is assigned and maintained artificially in the cavity 21, the flow rate will be controllable. When a constant flow rate is established, the pulsation frequency is gradually reduced until it is completely turned off. The mover begins to work only by sucking air into the nozzle 21 from the external environment by the vacuum of this cavity. After the pulsation ceases, a vacuum also appears in the cavity 12. With further evacuation of the cavities 12, 21 and 22, a stable supersonic air flow will appear in the output nozzle 20.

Ускоренный в 5 поток воздуха по воздуховоду движется в корму судна, проходит через водоохлаждаемые цилиндры 6. Такие цилиндры помимо охлаждения потока воздуха примерно в два раза увеличивают эжекцию воды из водозаборника 4. Судно приобретает некоторую скорость. Под действием скоростного напора вода поступает в водозаборник 4, из него в воздухозаборник 1, где образуется двухфазная смесь, которая через выходное сопло 3 выбрасывается в корму судна, создавая силу тяги. В усилителе 5 воздух ускоряется до больших скоростей, при этом существенно повышается эжекция воздухом воды из водозаборника. Как следствие, возрастает скорость смеси и содержание в ней воды на выходе из движителя. Увеличивается сила тяги и КПД движителя.Accelerated by 5 air flow through the duct moves to the stern of the vessel, passes through water-cooled cylinders 6. Such cylinders, in addition to cooling the air flow, increase the ejection of water from the intake 4 by about two times. The vessel acquires a certain speed. Under the action of high-speed pressure, water enters the intake 4, from it into the air intake 1, where a two-phase mixture is formed, which is discharged through the outlet nozzle 3 into the stern of the vessel, creating thrust. In amplifier 5, air is accelerated to high speeds, while air ejection of water from the intake is substantially increased. As a result, the speed of the mixture and the content of water in it at the exit of the mover increases. The traction and efficiency of the propulsion increases.

Регулировка скорости (мощности) потока на выходе из движителя в реальном времени производится путем управления величиной вакуума в полостях 12, 21 и 22. Для этого предусмотрены устройства 23 для отсоса воздуха при необходимости увеличения скорости и подачи воздуха для уменьшения скорости потока. Регулировка мощности потока на выходе движителя может быть осуществлена изменением частоты пульсаций процессов в полости 12. Для управления работой ускорителя используются показания датчиков давления, размещенных в полостях, датчиков скорости потока на выходе и входе из ускорителя, а также показания устройств 23, поступающие в блок управления его работой.The speed (power) of the flow at the exit of the propulsion device is adjusted in real time by controlling the vacuum in the cavities 12, 21 and 22. For this, devices 23 are provided for suctioning air if necessary, increasing the speed and air supply to reduce the flow rate. Adjusting the power of the flow at the output of the mover can be carried out by changing the frequency of the pulsations of the processes in the cavity 12. To control the operation of the accelerator, the readings of pressure sensors located in the cavities, the sensors of the flow velocity at the outlet and entrance of the accelerator, as well as the readings of the devices 23 entering the control unit are used his work.

Рассмотренный режим работы движителя не является единственным. Возможен вариант работы, при котором впрыскивание и ионизация воздуха в полости 12 производятся непрерывно. В этом случае энергия, выделяемая при разложении атомов воздуха в полости, будет дополнять, усиливать энергетический эффект движения газа, полученный от вакуумирования полостей 21 и 22 ускорителя 5.The considered mode of propulsion is not the only one. A variant of the work is possible in which the injection and ionization of air in the cavity 12 are performed continuously. In this case, the energy released during the decomposition of air atoms in the cavity will complement, enhance the energy effect of the gas movement obtained from the evacuation of the cavities 21 and 22 of the accelerator 5.

Затраты топлива на работу движителя сравнительно небольшие. Топливо тратится на разгон воздуха внутри движителя до заданной скорости, на ионизацию воздуха в полости 12 и компенсацию потерь на трение и др. Кроме этого энергия расходуется на работу механизмов открытия-закрытия клапанов 15. Поддержание же задаваемой скорости струи на выходе движителя осуществляется, главным образом, за счет вакуума в полостях ускорителя. Отсос или подача воздуха в вакуумированные полости, имеющие небольшие объемы, потребует сравнительно небольших затрат топлива.The fuel costs of the propulsion system are relatively small. Fuel is spent on accelerating the air inside the propulsion unit to a given speed, on ionizing the air in the cavity 12 and compensating for friction losses, etc. In addition, energy is expended on the operation of the valve opening and closing mechanisms 15. Maintaining the set speed of the jet at the propulsion outlet is carried out mainly due to the vacuum in the cavities of the accelerator. Suction or air supply to evacuated cavities having small volumes will require relatively low fuel consumption.

Таким образом, использование изобретения позволит существенно повысить эффективность газоводометных двигателей, в том числе для высокоскоростных судов. В результате будут уменьшены удельные характеристики энергетической установки, расход и необходимые запасы топлива, увеличен КПД движителя, снижена стоимость эксплуатации.Thus, the use of the invention will significantly increase the efficiency of gas-jet engines, including for high-speed ships. As a result, the specific characteristics of the power plant, fuel consumption and necessary fuel reserves will be reduced, the propulsion efficiency will be increased, and the cost of operation will be reduced.

Использованные источникиUsed sources

1. М.А. Мавлюдов, А.А. Русецкий, Ю.М. Садовников, Э.А. Фишер. Движители быстроходных судов. - Л.: Судостроение, 1982. - 280 с.1. M.A. Mavlyudov, A.A. Rusetskiy, Yu.M. Sadovnikov, E.A. Fisher. Movers of high-speed vessels. - L .: Shipbuilding, 1982. - 280 p.

2. Патент РФ №2025572, кл. 7 F 02 К 11/00, В 60 V 1/14, публ. 23.12.1991.2. RF patent No. 2025572, cl. 7 F 02 K 11/00, 60 V 1/14, publ. 12/23/1991.

3. Е.И. Андреев, О.А. Ключарев, А.П. Смирнов, Р.А. Давыденко. Естественная энергетика. - СПб: Нестор, 2000. - 122 с.3. E.I. Andreev, O.A. Klyucharyov, A.P. Smirnov, R.A. Davydenko. Natural energy. - St. Petersburg: Nestor, 2000 .-- 122 s.

4. Патент WO 03/025379, кл. F 02 К 7/00, публ. 27.03.2003.4. Patent WO 03/025379, cl. F 02 K 7/00, publ. 03/27/2003.

Claims

1. A gas-jet propulsion device comprising a profiled air intake with an inlet and an outlet, a water intake and an accelerator located in the air intake housing and including at least two tapering nozzles tightly interconnected, each nozzle coaxially inserted into the next air a nozzle with the formation between the nozzles of the cavity or cavities, characterized in that at least one cavity is equipped with means of ionization of air, providing ionization of air in the cavity and its movement in the accelerator with ejection of air from the external environment through the inlet, while the inlet valves are placed on the wall of the cavity for supplying air into the cavity, at least one cavity is in communication with air supply and exhaust devices inside this cavity to adjust the power of the propulsion device, and coaxially water-cooled cylinders are installed in the air intake before connecting it to the water intake.

2. The gas-water propulsion device according to claim 1, characterized in that at least one cavity contains pressure sensors, and on the inlet and outlet nozzles - flow rate sensors with the issuance of information to the propulsion unit control unit.