WO2014058354A1 - Способ создания реактивной тяги и реактивный двигатель - Google Patents
Способ создания реактивной тяги и реактивный двигатель Download PDFInfo
- Publication number
- WO2014058354A1 WO2014058354A1 PCT/RU2013/000882 RU2013000882W WO2014058354A1 WO 2014058354 A1 WO2014058354 A1 WO 2014058354A1 RU 2013000882 W RU2013000882 W RU 2013000882W WO 2014058354 A1 WO2014058354 A1 WO 2014058354A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- working fluid
- nozzle
- flow
- engine
- supersonic
- Prior art date
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02K—JET-PROPULSION PLANTS
- F02K99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
Definitions
- the invention relates to methods for creating jet thrust and jet engines.
- a known method of jet propulsion in which a rocket engine uses the energy of a vaporous working fluid flowing out of a nozzle, is heated and evaporated from a liquid state by using a long-acting energy source using a nuclear chain reaction, such as a nuclear reactor, and they drive a system containing a rocket engine, for example, a spaceship, characterized in that the working fluid in the rocket engine is used by converting it into a liquid and vapor state and electromagnetic optical radiation, while providing continuous circulation of the working fluid in the form of liquid and steam in a closed circular system of a rocket engine, including a steam generator, nozzle, gas-tight balloon, pump and pipeline connecting the cavity of the cylinder with vapor with a regenerator containing a long-acting energy source, the liquid working fluid is heated in the steam generator and converted into steam, which through the nozzle is accelerated into the cavity of the cylinder, where under the influence of internal pressure in the steam stream they expand and change the direction of movement and the action of the pulse in all directions, expansion-related cooling is used
- the thrust of such an engine is equal to the difference between the nozzle thrust force and the diffuser drag force (hemispheres with transparent walls), due to a decrease in the flow momentum in the diffuser due to liquefaction of the working fluid due to thermal radiation of energy into the environment, plus traction from optical radiation.
- This method is selected as the prototype of the claimed method for creating jet thrust by the largest number of similar features.
- the prototype has several disadvantages that do not allow to obtain a technical result, the achievement of which this invention is directed.
- the first drawback is the use of optical radiation to create traction. Given the current level of technological development, the fraction of thrust generated by optical radiation is so small that it will not have any practical significance.
- the second disadvantage of this method is the difficulty of organizing the cooling of the working fluid to temperatures at which a significant proportion of the working fluid will go into a liquid state.
- a rocket engine comprising a steam generator with a long-acting energy source, for example, a nuclear reactor, a liquid working fluid capable of being converted into steam when heated, a pump in communication with a pipeline for moving the liquid working fluid, and a nozzle characterized in that that it is equipped with a cylinder, the walls of which are made of a gas-tight heat-conducting material that is not wetted by liquid condensate, the cavity of the cylinder is isolated from the environment and, on the one hand, communicates with the nozzles ohm, and on the opposite side, with the pump, which is connected to the pipeline connecting the cylinder to the steam generator, a part of the cylinder walls adjacent to the nozzle has a concave shape symmetric to the nozzle axis and their inner the surface is made in the form of a reflector with the possibility of optical, in particular, infrared radiation directed to one side, with the creation of reactive traction, which ensures that the part of the cylinder walls opposite to the nozzle is made
- a disadvantage of the known device is the need to heat a liquid working fluid in a steam generator in front of the nozzle.
- the obligatory presence of two nodes of energy consumers (compressor and steam generator), which have their own individual efficiency, will inevitably lead to a decrease in the efficiency of the entire installation as a whole, in all modes of its operation, and especially at startup.
- the method of generating reactive thrust by using the energy of the working fluid flowing out of the nozzle is characterized in that the momentum of the working fluid flow in the supersonic part of the nozzle and / or behind the nozzle and / or directly in the diffuser is reduced by creating phi in the working fluid flow - of the effects of the flow leading to an increase in the entropy of the flow, that is, the irreversible conversion of the kinetic energy of the flow into the thermal energy of the working fluid, after which the working fluid is sent to a diffuser, then a heat exchanger in which cooling is carried out REPRESENTATIONS working fluid by heat exchange with the environment, after which the working fluid is fed to a compressor, which is used to drive the external power source and then to the nozzle, providing a continuous circulation of the working fluid without its expiration the environment.
- the claimed method of creating reactive thrust is characterized by additional optional features, namely:
- a decrease in the momentum of the flow of the working fluid is carried out at the shock waves, which are initiated by providing a separation of the flow from the walls of the supersonic nozzle due to a break in the profile of the walls of the supersonic part of the nozzle and the formation of a direct shock wave, behind which the flow velocity is subsonic;
- a jet engine containing a compressor driven by an external energy source, a pre-nozzle chamber, a supersonic nozzle, a diffuser, and a heat exchanger is characterized in that it is equipped with channels for returning the working fluid to the compressor with the formation of a closed gas-dynamic path.
- the claimed jet engine is characterized by additional optional features, namely:
- the engine can be equipped with bypass channels, which ensure the passage of the flow of the working fluid into the compressor bypassing the heat exchanger, while the compressor is made with heat-insulated walls;
- the working fluid can be multicomponent, one of the components is capable of condensation in the engine paths, while the engine can be equipped with additional capacity for this component of the working fluid, which is installed to ensure contact with the gas-dynamic path of the engine and is separated from it by perforated partitions to prevent spontaneous splashing of the component of the working fluid contained in it;
- the engine can be equipped with at least one additional nozzle made similarly to the main one and combined with the main nozzle into a single nozzle block;
- the geometry of the return channels of the gas-dynamic path of the engine can be performed on the basis of the condition that the sum of the forces acting on the internal walls of the return channels be directed toward the action of the engine's thrust force.
- the technical result achieved when using the essential features of the claimed invention is that various the means provide a decrease in the momentum of the flow of the working fluid after it flows out of the jet nozzle by increasing the entropy of the flow, that is, the irreversible conversion of the kinetic energy of the flow into the thermal energy of the working fluid, which ultimately increases the efficiency of the process of creating reactive thrust and the efficiency of a jet engine, I work - with a completely closed cycle of the working fluid without its outflow into the environment.
- FIG. I shows a diagram of a device for implementing the proposed method with a supersonic diffuser without a central body and a possible configuration of the shock waves;
- FIG. 2 shows a possible configuration of the shock waves in a supersonic diffuser in the presence of a central body
- FIG. 3 shows a diagram of a device for implementing the proposed method with a subsonic diffuser, in which shock waves are generated in the supersonic part of the nozzle;
- FIG. 4 shows a diagram of a device for implementing the proposed method, in which an increase in the entropy of the flow occurs due to condensation of a part of the working fluid at condensation surges generated in the supersonic part of the nozzle;
- FIG. 5 shows a diagram of a jet engine with a completely closed cycle of the working fluid, with an increase in losses on the condensation jumps and a capacity for the condensed liquid, providing 100% humidity of the flow;
- FIG. 6 shows a cross section of a nozzle block
- FIG. 7 shows a diagram of a device for implementing the proposed method with a combined method of reducing the pulse (braking) by current of the working fluid, both due to an increase in the entropy of the flow of the working fluid, and due to the heat radiation of energy into the surrounding space;
- FIG. 8 shows the direction of the forces acting on the inner walls of the return channels, the output receiver, and the total engine thrust
- FIG. 9 shows the placement of a compressor between a diffuser and return channels
- FIG. 10 shows graphs of the dependence of the total pressure loss on the shock waves as a function of the velocity of the flow of the working fluid from the supersonic nozzle and the configuration of possible shock-wave structures
- T - heat exchanger T - heat exchanger
- K - compressor K - compressor
- Q heat (radiant) flux
- FKB is the sum of the forces acting on the internal walls of the return channel (s)
- Fc is the thrust force of the jet nozzle; ⁇ d - thrust of the engine.
- Mn is the velocity of the flow of the working fluid from the supersonic nozzle, expressed in Mach numbers
- ⁇ is the total pressure loss at the shock (s) of the seal
- 1 is a graph of the dependence of the total pressure loss and the relative engine thrust for impact wave structure consisting of one direct shock wave
- 2 is a graph of the dependence of the total pressure loss and the relative thrust of the engine for a shock wave structure consisting of one direct and one oblique shock wave
- 3 is a graph of the dependence of the total pressure loss and relative thrust of the engine for a shock wave structure consisting of one direct and two oblique shock waves
- 4 is a graph of the dependence of the total pressure loss and the relative thrust of the engine for a shock wave structure consisting of one direct and three oblique shock waves.
- Installation for implementing the claimed method of creating jet thrust in the form of a jet engine with a fully closed cycle of use of the working fluid is as follows.
- the gaseous working fluid After compression in the compressor 1, for the drive of which an external long-acting energy source is used, the gaseous working fluid enters the pre-nozzle chamber 2, where, if necessary, its state changes (heating, dissociation, evaporation of the liquid phase, etc.). d.). Then, the working fluid flows out through the supersonic nozzle 3, creating a reactive thrust force, and then enters the diffuser 4, in which the flow of the working fluid is inhibited. In the supersonic part of the nozzle 3, either immediately after the nozzle, or directly in the diffuser 4, various physical effects are initiated in the flow of the working fluid, leading to a decrease in the momentum of the flow due to an increase in its entropy, i.e. irreversible conversion of the kinetic energy of the flow into its thermal energy.
- the diffuser can be made in the form of a supersonic diffuser 4 or a subsonic diffuser 13. It can be made with or without a central body 12, with walls transparent for electromagnetic (thermal, optical, etc.) radiation or not.
- the working fluid passes through the return channels 5 to the heat exchanger 6, in which the working fluid is cooled due to heat exchange with the environment.
- the working fluid after the return channels 5 through the bypass channels 7 is fed directly to the input of the compressor 1, bypassing the heat exchanger 6. In this case, the flow is heated by compressing the working fluid in the compressor 1.
- the gas-dynamic path can be in contact with a tank 17, in which the component of the working fluid that is condensed during operation is contained in liquid form.
- the container 17 with the liquid phase can be separated from the gasdynamic tract by special perforated baffles 16, preventing spontaneous spraying of the liquid.
- a nozzle unit consisting of several nozzles can be used.
- heat exchange with the environment can be performed not only locally, through the heat exchanger 6 , but also directly through the walls of the gas-dynamic path of the engine, including through the walls of the return channels 5.
- the surface of the walls of the gas-dynamic tract may be ribbed.
- the geometry of the return paths is formed in such a way that the sum of the pressure forces of the working fluid acting on their inner walls is directed towards the action total engine thrust as shown in FIG.
- the compressor 1 is located between the diffuser 4 or 13 and the return channel (s) 5, as shown in Fig. 9.
- the claimed method for creating reactive thrust is based on the use of known physical effects leading to a decrease in the impulse (speed) of the flow of the working fluid by increasing its entropy, i.e. the irreversible conversion of the kinetic energy of the flow into the thermal energy of the working fluid, in the supersonic part of the nozzle, or behind the nozzle, or directly in the diffuser, see G.N. Abramovich “Applied Gas Dynamics", 5th, - M .: Nauka, 1991, and also M.E. Deutsch “Technical gas dynamics", State. Energy because of, ML 961.
- the ratio of the thrust force of the engine with a fully closed cycle of the working fluid to the thrust force of the jet nozzle depends on the flow velocity at the supersonic nozzle exit, which are realized in a supersonic parts of the nozzle, either behind the nozzle, or inside the diffuser of shock-wave structures, and is satisfactorily described by the corresponding dependence for the total pressure loss at the shock (s) of the seal (a e ),
- Bd - thrust of a jet engine with a fully closed cycle of the working fluid Fc - thrust, which is part of the engine of a supersonic nozzle
- Po is the total pressure of the flow of the working fluid before the shock (s) of the seal
- P 02 is the total pressure of the flow of the working fluid behind the shock (s) of the seal (see Fig. 10).
- the absolute thrust of the engine depends on the geometry of the diffuser, the magnitude of the boost (initial pressure) of the gas-dynamic path of the engine, the chemical composition of the working fluid, and, in the studied variants, with the flow velocity in the exit section of the nozzle M ⁇ 3.5, correspond to the values of thrust for shock-wave configurations with two and / or four shock waves.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Jet Pumps And Other Pumps (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам создания реактивной силы и может быть использовано для создания реактивных двигателей с полностью замкнутым циклом рабочего тела, ориентированных на применение в различных средах, в вакууме (космосе), в воздухе (в авиации) и в водной среде (на надводных и подводных аппаратах). Изобретение представляет собой реактивный двигатель, с полностью замкнутым циклом использования рабочего тела, без его истечения в окружающую среду. Реактивную тягу создают с применением газообразного рабочего тела, которое после сжатия в компрессоре 1, для привода которого используется внешний источник энергии, истекает через сопло 3, затем тормозится в диффузоре 4, и далее по каналам возврата 5 подается сначала в теплообменник 6, а затем снова в компрессор 1. После истечения из сопла, за счет организации в потоке рабочего тела различных физических эффектов, приводящих к уменьшению импульса потока, за счет увеличения его энтропии, полное давление потока падает, и сила сопротивления диффузора становится меньше силы тяги сопла.
Description
СПОСОБ СОЗДАНИЯ РЕАКТИВНОЙ ТЯГИ И РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Область техники
Изобретение относится к способам создания реактивной тяги и реактив- ным двигателям.
Предшествующий уровень техники
Известен способ создания реактивной тяги, при котором используют двигатель прямой реакции и создают силу тяги в результате истечения из не- го реактивной струи, см Политехнический словарь под ред. Акад. Ишлин- ского Ю.А. - М.: Советская энциклопедия, 1980, стр. 441.
Недостатки указанного способа связаны с выбросом рабочего тела в ок- ружающее пространство, что определяет кратковременность использования способа.
Известен способ реактивного движения, при котором в ракетном двигателе используют энергию вытекающего из сопла парообразного рабочего тела, нагрев и испарение которого из жидкого состояния производят за счет при- менения источника энергии длительного действия, использующего цепную ядерную реакцию, например, ядерного реактора, и при этом приводят в дви- жение систему, содержащую ракетный двигатель, например, космический корабль, характеризующийся тем, что рабочее тело в ракетном двигателе ис- пользуют путем его преобразования в жидкое и парообразное состояние и электромагнитное оптическое излучение, при этом обеспечивают непрерыв- ную циркуляцию рабочего тела в виде жидкости и пара в замкнутой круговой системе ракетного двигателя, включающей парогенератор, сопло, газонепро- ницаемый баллон, насос и трубопровод, связывающий полость баллона с па-
регенератором, содержащим источник энергии длительного действия, в паро- генераторе жидкое рабочее тело нагревают и превращают в пар, который че- рез сопло с ускорением направляют в полость баллона, где под действием внутреннего давления в струе пара обеспечивают его расширение и изменяют при этом направление движения и действия импульса во все стороны, сопут- ствующее расширению охлаждение используют для конденсации пара в по- лости баллона, оседающий на стенки баллона жидкий конденсат рабочего тела дополнительно охлаждают на теплопроводных не смачиваемых жидким конденсатом стенках баллона, обеспечивают движение капель конденсата в сторону насоса за счет остаточной кинетической энергии и инерционных сил, возникающих при ускорении космического корабля, и при помощи насоса по трубопроводу жидкое рабочее тело направляют в парогенератор, обеспечивая последовательное осуществление указанных преобразований жидкого и па- рообразного рабочего тела без выхода его в окружающее пространство, при этом нагрев парообразного рабочего тела производят до температуры, позво- ляющей его конденсацию при расширении в полости баллона, тепловую энергию сопутствующую охлаждению и конденсации рабочего тела, выводят из полости баллона в окружающее пространство через теплопроводные стен- ки баллона и путем оптического, преимущественно инфракрасного, излуче- ния, направляемого в пространство через прозрачную для излучения проти- воположную соплу стенку баллона с использованием размещенного за со- плом рефлектора, за счет чего создают реактивную тягу, при этом струю ра- бочего тела из сопла и оптическое излучение направляют в одну сторону, противоположную направлению движения космического корабля, см. патент RU 2125657.
Тяга такого двигателя равна разности силы тяги сопла и силы сопротивле- ния диффузора (полусферы с прозрачными стенками), обусловленная умень- шением импульса потока в диффузоре из-за сжижения рабочего тела за счет
теплоизлучения энергии в окружающую среду, плюс сила тяги от оптическо- го излучения.
Этот способ по наибольшему количеству сходных признаков выбран в ка- честве прототипа заявленного способа создания реактивной тяги.
Прототип имеет ряд недостатков, не позволяющих получить технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение.
Первый недостаток заключается в использовании оптического излучения для создания силы тяги. При существующем уровне развития техники, доля тяги, создаваемая за счет оптического излучения, настолько мала, что не бу- дет иметь какой-либо практической значимости.
Второй недостаток этого способа заключается в сложности организации охлаждения рабочего тела до температур, при которых значительная доля ра- бочего тела будет переходить в жидкое состояние. При малом времени пре- бывания рабочего тела в тракте охлаждения (диффузоре) и обязательном на- личии доли примеси в составе рабочего тела, имеющей иные температуры сжижения, чем основное рабочее тело, добиться перехода значительной доли рабочего тела в жидкое состояние практически невозможно.
Известен ракетный двигатель, содержащий парогенератор с источником энергии длительного действия, например, с ядерным реактором, жидкое ра- бочее тело, способное при нагревании превращаться в пар, насос, сообщаю- щийся с трубопроводом для перемещения жидкого рабочего тела, и сопло, характеризующийся тем, что он снабжен баллоном, стенки которого выпол- нены из газонепроницаемого теплопроводного и не смачиваемого жидким конденсатом рабочего тела материала, полость баллона изолирована от ок- ружающей среды и с одной стороны сообщается с соплом, а с противопо- ложной стороны - с насосом, который соединен с трубопроводом, связываю- щим баллон с парогенератором, часть стенок баллона, примыкающих к со- плу, имеет симметричную оси сопла вогнутую форму и внутренняя их по-
верхность выполнена в виде рефлектора с возможностью направленного в одну сторону оптического, в частности, инфракрасного излучения, с создани- ем при этом реактивной тяги, что обеспечивают тем, что противоположная соплу часть стенок баллона выполнена из прозрачного для оптического излу- чения материала, при этом отраженное рефлектором излучение и вытекаю- щая из сопла струя рабочего тела направлены в одну сторону, см. патент RU 2125657.
Это устройство по наибольшему количеству сходных признаков выбрано в качестве прототипа заявленного реактивного двигателя.
Недостатком известного устройства является необходимость нагрева жид- кого рабочего тела в парогенераторе перед соплом. Обязательное наличие двух узлов потребителей энергии (компрессора и парогенератора), обладаю- щих своим индивидуальным КПД, неизбежно будет приводить к уменыпе- нию КПД всей установки в целом, на всех режимах её работы и особенно при запуске.
Раскрытие изобретения
Способ создания реактивной тяги путем использования энергии вытекаю- щего из сопла рабочего тела, характеризуется тем, что импульс потока ра- бочего тела в сверхзвуковой части сопла и/или за соплом и/или непосредст- венно в диффузоре уменьшают путем создания в потоке рабочего тела фи- зических эффектов, приводящих к увеличению энтропии потока, то есть без- возвратному преобразованию кинетической энергии потока в тепловую энер- гию рабочего тела, после чего рабочее тело направляют в диффузор, далее теплообменник, в котором осуществляют охлаждение рабочего тела путем теплообмена с окружающей средой, после чего рабочее тело направляют в компрессор, для привода которого используют внешний источник энергии и снова в сопло, обеспечивая непрерывную циркуляцию рабочего тела без его истечения в окружающую среду.
Кроме того, заявленный способ создания реактивной тяги характеризуется дополнительными факультативными признаками, а именно:
- уменьшение импульса потока рабочего тела после его истечения из сопла осуществляют на скачках уплотнения, которые инициируют внутри сверх- звукового диффузора изломом профиля стенок диффузора;
- уменьшение импульса потока рабочего тела после его истечения из сопла осуществляют на скачках уплотнения, которые инициируют внутри сверх- звукового диффузора путем разворота потока, на острие размещенного в нем центрального тела;
- уменьшение импульса потока рабочего тела осуществляют на скачках уп- лотнения, которые инициируют путем обеспечения отрыва потока от стенок сверхзвукового сопла за счет осуществления его работы в режиме с пере- расширением потока рабочего тела;
- уменьшение импульса потока рабочего тела осуществляют на скачках уп- лотнения, которые инициируют путем обеспечения отрыва потока от стенок сверхзвукового сопла за счет излома профиля стенок сверхзвуковой части сопла и образованием прямого скачка уплотнения, за которым скорость по- тока является дозвуковой;
- уменьшение импульса потока рабочего тела осуществляют на скачках кон- денсации, которые обеспечивают путем выбора режимов работы сопла, при которых температура потока в сверхзвуковой части сопла становится мень- ше температуры конденсации рабочего тела в целом либо одного из его компонентов;
- уменьшение импульса потока рабочего тела осуществляют путем рекомби- нации диссоциированного в предсопловой камере рабочего тела после его истечения из сопла;
Реактивный двигатель, содержащий компрессор с приводом от внешнего источника энергии, предсопловую камеру, сверхзвуковое сопло, диффузор, и теплообменник, характеризуется тем, что он снабжен каналами возврата ра- бочего тела в компрессор с образованием замкнутого газодинамического тракта.
Кроме того, заявленный реактивный двигатель характеризуется дополни- тельными факультативными признаками, а именно:
- двигатель может быть снабжен обводными каналами, которые обеспе- чивают прохождение потока рабочего тела в компрессор минуя теплообмен- ник, при этом компрессор выполнен с теплоизолированными стенками;
- рабочее тело может быть выполнено многокомпонентным, один из ком- понентов способен к конденсации в трактах двигателя, при этом двигатель может быть снабжен дополнительной емкостью для этого компонента рабо- чего тела, которая установлена с обеспечением контакта с газодинамическим трактом двигателя и отделена от него перфорированными перегородками, предотвращающими самопроизвольное разбрызгивание содержащегося в ней компонента рабочего тела;
- двигатель может быть снабжен по меньшей мере одним дополнитель- ным соплом, выполненным аналогично основному и объединенным с основ- ным соплом в единый сопловой блок;
- стенки газодинамического тракта для увеличения коэффициента тепло- обмена с окружающей средой могут быть выполнены оребренными;
- геометрия каналов возврата газодинамического тракта двигателя может быть выполнена исходя из условия, что бы сумма сил, действующая на внут- ренние стенки каналов возврата, была направлена в сторону действия силы тяги двигателя.
Технический результат, достигаемый при использовании существенных признаков заявленного изобретения заключается в том, что различными
средствами обеспечивают уменьшение импульса потока рабочего тела после его истечения из реактивного сопла за счет увеличения энтропии потока, то есть безвозвратного преобразования кинетической энергии потока в тепло- вую энергию рабочего тела, что в конечном счете повышает эффективности процесса создания реактивной тяги и КПД реактивного двигателя, работаю- щего с полностью замкнутым циклом рабочего тела без его истечения в ок- ружающую среду.
Лучший вариант использования изобретения
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. I изображена схема устройства для реализации предложенного спо- соба со сверхзвуковым диффузором без центрального тела и возможная конфигурация скачков уплотнения;
- на фиг. 2 изображена возможная конфигурация скачков уплотнения в сверх- звуковом диффузоре при наличии центрального тела;
- на фиг. 3 изображена схема устройства для реализации предложенного спо- соба с дозвуковым диффузором, в которой скачки уплотнения генерируются в сверхзвуковой части сопла;
- на фиг. 4 изображена схема устройства для реализации предложенного спо- соба, в котором увеличение энтропии потока происходит за счет конденса- ции части рабочего тела на конденсационных скачках, генерируемых в сверхзвуковой части сопла;
- на фиг. 5 изображена схема реактивного двигателя с полностью замкнутым циклом рабочего тела, с увеличения потерь на скачках конденсации и емко- стью для конденсируемой жидкости, обеспечивающей 100% влажность по- тока;
- на фиг. 6 изображен поперечный разрез соплового блока;
- на фиг. 7 изображена схема устройства для реализации предложенного спо- соба с комбинированным способом уменьшения импульса (торможения) по-
тока рабочего тела, как за счет увеличения энтропии потока рабочего тела, так и за счет теплоизлучения энергии в окружающее пространство;
на фиг. 8 изображено направление сил, действующих на внутренние стенки каналов возврата, выходного ресивера и суммарной тяги двигателя;
на фиг. 9 изображено размещение компрессора между диффузором и кана- лами возврата;
на фиг. 10 приведены графики зависимости потерь полного давления на скачках уплотнения в зависимости от скорости истечения потока рабочего тела из сверхзвукового сопла и конфигурации возможных ударно-волновых структур;
На чертежах позициями обозначены: 1 - компрессор; 2 - предсопловая ка- мера; 3 - сверхзвуковое сопло; 4 - сверхзвуковой диффузор; 5 - каналы воз- врата; 6 - теплообменник; 7 - обводные каналы; 8 - скачки уплотнения в су- жающейся части сверхзвукового диффузора без центрального тела; 9 - на- правление движения потока рабочего тела; 10 - стенка диффузора; 11 - скач- ки уплотнения в сверхзвуковом диффузоре при наличии центрального тела; 12 - центральное тело диффузора; 13 - дозвуковой диффузор; 14 - скачки уп- лотнения в сверхзвуковой части сверхзвукового сопла; 15 - скачок конден- сации; 16 - перфорированная стенка (сетка); 17 - емкость с жидкой фазой; 18 - направление потока теплоизлучения от стенок газодинамического тракта во внешнюю среду.
На чертежах буквами обозначены: Т - теплообменник; К - компрессор; Q - тепловой (лучистый) поток; FKB - сумма сил, действующих на внутренние стенки канала (ов) возврата; Fc - сила тяги реактивного сопла; ¥д - тяга дви- гателя. На фиг. 10 буквами обозначены: Мн - скорость истечения потока ра- бочего тела из сверхзвукового сопла, выраженная в числах Маха; σ- величи- на потерь полного давления на скачке(ах) уплотнения; 1 - график зависимо- сти потерь полного давления и относительной тяги двигателя для ударно-
волновой структуры, состоящей из одного прямого скачка уплотнения; 2 - график зависимости потерь полного давления и относительной тяги двига- теля для ударно-волновой структуры, состоящей из одного прямого и одно- го косого скачков уплотнения; 3 - график зависимости потерь полного дав- ления и относительной тяги двигателя для ударно-волновой структуры, со- стоящей из одного прямого и двух косых скачков уплотнения; 4 - график зависимости потерь полного давления и относительной тяги двигателя для ударно-волновой структуры, состоящей из одного прямого и трех косых скачков уплотнения.
Установка для осуществления заявленного способа создания реактивной тяги в виде реактивного двигателя с полностью замкнутым циклом исполь- зования рабочего тела работает следующим образом.
После сжатия в компрессоре 1, для привода которого используется внеш- ний источник энергии длительного действия, газообразное рабочее тело по- падает в предсопловую камеру 2, где, в случае необходимости, происходит изменение его состояния (нагрев, диссоциация, испарение жидкой фазы и т.д.). Далее рабочее тело истекает через сверхзвуковое сопло 3, создавая ре- активную силу тяги, и далее попадает в диффузор 4, в котором происходит торможение потока рабочего тела. В сверхзвуковой части сопла 3 или сразу за соплом, или непосредственно в диффузоре 4 в потоке рабочего тела ини- циируются различные физические эффекты, приводящие к уменьшению им- пульса потока за счет увеличения его энтропии, т.е. безвозвратному преобра- зованию кинетической энергии потока в его тепловую энергию.
Диффузор может быть выполнен в виде сверхзвукового диффузора 4 или дозвукового диффузора 13. Он может быть выполнен в с центральным телом 12 или без него, с прозрачными для электромагнитного (теплового, оптиче- ского и т.д.) излучения стенками или нет.
После диффузора 4 рабочее тело по каналам возврата 5 попадает в тепло- обменник 6, в котором происходит охлаждение рабочего тела за счет тепло- обмена с окружающей средой. В случае, когда теплообмен с окружающей средой не нужен, рабочее тело после каналов возврата 5 по обводным кана- лам 7 подается сразу на вход компрессора 1, минуя теплообменник 6. При этом разогрев потока происходит за счет сжатия рабочего тела в компрессо- ре 1.
После этого цикл повторяется.
При необходимости, для обеспечения 100% относительной влажности РТ, газодинамический тракт может контактировать с емкостью 17, в которой в жидком виде содержится конденсируемый в процессе работы компонент ра- бочего тела. Емкость 17 с жидкой фазой может отделяться от газодинамиче- ского тракта специальными перфорированными перегородками 16, предот- вращающими самопроизвольное разбрызгивание жидкости.
Для уменьшения габаритов двигателя и времени пребывания рабочего тела в сопле, вместо одиночного реактивного сопла может быть использован со- пловой блок, состоящий из нескольких сопел.
В случае комбинированного способа уменьшения импульса потока, как по- казано на фиг.7, обеспечиваемого как с помощью увеличения энтропии пото- ка так и за счет теплообмена с окружающей средой, теплообмен с окружаю- щей средой может производиться не только локально, через теплообменник 6, но и непосредственно через стенки газодинамического тракта двигателя, в том числе и через стенки каналов возврата 5. Для увеличения коэффициента теплообмена между стенками газодинамического тракта и окружающей сре- дой поверхность стенок газодинамического тракта может быть оребренной.
Для увеличения суммарной силы тяги двигателя геометрия трактов возвра- та формируется таким образом, чтобы сумма сил давления рабочего тела, действующая на их внутренние стенки, была направлена в сторону действия
суммарной силы тяги двигателя, как показано на фиг.8. Возможен вариант, при котором компрессор 1 располагается между диффузором 4 или 13 и ка- налом (ми) возврата 5, как показано на фиг.9.
Заявленный способ создания реактивной тяги основан на использовании известных физических эффектов, приводящих к уменьшению импульса (ско- рости) потока рабочего тела за счет увеличения его энтропии, т.е. безвозврат- ного преобразования кинетической энергии потока в тепловую энергию ра- бочего тела, в сверхзвуковой части сопла, или за соплом, или непосредствен- но в диффузоре, см. Г.Н. Абрамович "Прикладная газовая динамика", 5 из-е, - М.: Наука, 1991 г., а также М.Е. Дейч "Техническая газодинамика", Гос. Энергетическое из-во, МЛ 961.
В качестве таких эффектов могут быть использованы различные эффекты, приводящие к увеличению энтропии потока:
- формирование в потоке рабочего тела за соплом, или внутри сверхзвуково- го диффузора (фиг.1,2), или в сверхзвуковой части сопла (фиг.З) скачков уп- лотнения;
- формирование в потоке рабочего тела за соплом, или в сверхзвуковой части сопла (фиг.4) или внутри сверхзвукового диффузора тепловых скачков кон- денсации;
- тепловая рекомбинация или диссоциация молекул рабочего тела;
- рекомбинация или диссоциация молекул рабочего тела за счет внешнего электромагнитного излучения и т.п.
Численные исследования, проведенные с помощью пакетов Solid Works Flow Simulation, CFX и Fluent, а так же экспериментальные исследования мо- дели заявленного двигателя с дозвуковым диффузором подтвердили, на при- мере генерирования в потоке рабочего тела скачков уплотнения, возможность получения тяги в реактивных двигателях с полностью замкнутым циклом ис- пользования рабочего тела, при организации в сверхзвуковой части сопла или
за соплом или непосредственно в диффузоре, различных физических эффек- тов приводящих к увеличению энтропии потока.
Проведенные исследования и эксперименты показали, что:
1. При увеличении энтропии потока рабочего тела, за счет генерирования в выходном сечении сопла скачков уплотнения, отношение силы тяги дви- гателя с полностью замкнутым циклом рабочего тела к силе тяги реак- тивного сопла зависит от скорости потока на срезе сверхзвукового сопла, реализуемых в сверхзвуковой части сопла, или за соплом, или внутри диффузора ударно-волновых структур, и удовлетворительно описывается соответствующей зависимостью для потерь полного давления на скачке (ах) уплотнения (ад),
где: Бд- тяга реактивного двигателя с полностью замкнутым циклом рабочего тела; Fc- тяга, входящего в состав двигателя сверхзвуково- го сопла; Ро полное давление потока рабочего тела перед скачком (ми) уплотнения, Р02- полное давление потока рабочего тела за скач- ком (ми) уплотнения (см. фиг.10).
2. Абсолютная тяга двигателя зависит от геометрии диффузора, вели- чины наддува (первоначального давления) газодинамического тракта двигателя, химического состава рабочего тела и, в исследованных вариантах, со скоростью потока в выходном сечении сопла М < 3.5, соответствуют значениям тяги для ударно-волновых конфигураций с двумя и/или четырьмя скачками уплотнения.
Использование способа уменьшения импульса потока рабочего тела после его истечения из реактивного сопла за счет увеличения его эн- тропии обеспечивает большую энерговооруженность реактивных двига- телей с полностью замкнутым циклом, в пределе приближаясь к энер- говооруженности обычного сверхзвукового сопла.
Возможность промышленного применения заявленного технического ре- шения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и ме- тодами, с помощью которых возможна реализация изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения. Предполагаемое изобре- тение может быть реализовано с использованием известных материалов и технических средств и применено в реактивных двигателях замкнутого цикла, ориентированных для работы в вакууме (космосе), в воздухе (в авиации) и в водной среде (на надводных и подводных аппаратах).
Claims
1. Способ создания реактивной тяги путем использования энергии вы- текающего из сопла рабочего тела, отличающийся тем, что импульс потока рабочего тела в сверхзвуковой части сопла и/или за соплом и/или непосред- ственно в диффузоре уменьшают путем создания в потоке рабочего тела фи- зических эффектов, приводящих к увеличению энтропии потока за счет без- возвратного преобразования кинетической энергии потока в тепловую энер- гию рабочего тела, после чего рабочее тело направляют теплообменник и осуществляют охлаждение рабочего путем теплообмена с окружающей сре- дой, после чего рабочее тело направляют в компрессор, для привода которого используют внешний источник энергии и снова в сопло, обеспечивая непре- рывную циркуляцию рабочего тела без его истечения в окружающую среду.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшение импульса потока рабочего тела после его истечения из сопла осуществляют на скачках уп- лотнения, которые инициируют внутри сверхзвукового диффузора изломом профиля стенок диффузора;
3. Способ по п.1 , отличающийся тем, что уменьшение импульса потока рабочего тела после его истечения из сопла осуществляют на скачках уп- лотнения, которые инициируют внутри сверхзвукового диффузора путем разворота потока на острие размещенного в нем центрального тела;
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшение импульса потока рабочего тела осуществляют на скачках уплотнения, которые инициируют путем обеспечения отрыва потока, от стенок сверхзвукового сопла за счет осуществление его работы в режиме с перерасширением потока рабочего тела;
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшение импульса потока рабочего тела осуществляют на скачках уплотнения, которые инициируют
путем обеспечения отрыва потока от стенок сверхзвукового сопла за счет излома профиля стенок сверхзвуковой части сопла и образованием прямого скачка уплотнения, за которым скорость потока является дозвуковой;
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшение импульса потока рабочего тела осуществляют на скачках конденсации, которые обеспечивают путем выбора режимов работы сопла, при которых температура потока в сверхзвуковой части сопла становится меньше температуры конденсации ра- бочего тела в целом либо одной из его компонентов;
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшение импульса потока рабочего тела осуществляют путем рекомбинации диссоциированного в предсопловой камере рабочего тела после его истечения из сопла;
8. Реактивный двигатель, содержащий компрессор с приводом от внеш- него источника энергии, предсопловую камеру, сверхзвуковое сопло, диффу- зор, и теплообменник, отличающийся тем, что он снабжен каналами возвра- та рабочего тела в компрессор с образованием замкнутого газодинамического тракта.
9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что двигатель может быть снабжен обводными каналами, которые обеспечивают прохождение потока рабочего тела в компрессор минуя теплообменник, при этом компрессор вы- полнен с теплоизолированными стенками;
10. Двигатель п.8, отличающийся тем, что рабочее тело может быть вы- полнено многокомпонентным, с один из компонентов, способным к конден- сации в трактах двигателя, при этом двигатель может быть снабжен допол- нительной емкостью для этого компонента рабочего тела, которая установле- на с обеспечением контакта с газодинамическим трактом двигателя и отде- лена от него перегородками, предотвращающими самопроизвольное разбрыз- гивание содержащегося в ней компонента рабочего тела;
1 1. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что двигатель может быть снабжен по меньшей мере одним по меньшей мере одним дополнительным соплом, выполненным аналогично основному и объединенным с основным соплом в единый сопловой блок;
12. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что стенки газодинамического тракта для увеличения коэффициента теплообмена с окружающей средой могут быть выполнены оребренными;
13. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что геометрия каналов возврата газодинамического тракта двигателя может быть выполнена исходя из усло- вия направления суммы сил, действующих на внутренние стенки газодина- мического тракта, в сторону действия силы тяги двигателя;
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012143241 | 2012-10-10 | ||
| RU2012143241/06A RU2012143241A (ru) | 2012-10-10 | 2012-10-10 | Способ создания реактивной тяги и реактивный двигатель с полностью замкнутым циклом рабочего тела для его осуществления |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2014058354A1 true WO2014058354A1 (ru) | 2014-04-17 |
Family
ID=50477687
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2013/000882 WO2014058354A1 (ru) | 2012-10-10 | 2013-10-07 | Способ создания реактивной тяги и реактивный двигатель |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2012143241A (ru) |
| WO (1) | WO2014058354A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017116257A1 (ru) * | 2015-12-28 | 2017-07-06 | Геннадий Александрович ОЛЕЙНОВ | Гидродинамическое устройство |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU181361U1 (ru) * | 2017-12-18 | 2018-07-11 | Василий Алексеевич Аброськин | Центробежная турбина |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2081462C1 (ru) * | 1994-12-08 | 1997-06-10 | Борис Федорович Кочетков | Способ получения электрической энергии |
| RU2125657C1 (ru) * | 1997-11-11 | 1999-01-27 | Кочетков Борис Федорович | Способ реактивного движения и устройство для его осуществления в виде ракетного двигателя |
-
2012
- 2012-10-10 RU RU2012143241/06A patent/RU2012143241A/ru unknown
-
2013
- 2013-10-07 WO PCT/RU2013/000882 patent/WO2014058354A1/ru active Application Filing
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2081462C1 (ru) * | 1994-12-08 | 1997-06-10 | Борис Федорович Кочетков | Способ получения электрической энергии |
| RU2125657C1 (ru) * | 1997-11-11 | 1999-01-27 | Кочетков Борис Федорович | Способ реактивного движения и устройство для его осуществления в виде ракетного двигателя |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KOR LISS U. R.: "Raketnye dvigateli dlia kosmicheskikh poletov. Moskva", IZDATELSTVO INOSTARNNOI LITERATURY, 1962, pages 28 - 34 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017116257A1 (ru) * | 2015-12-28 | 2017-07-06 | Геннадий Александрович ОЛЕЙНОВ | Гидродинамическое устройство |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012143241A (ru) | 2014-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4463567A (en) | Power production with two-phase expansion through vapor dome | |
| AU556192B2 (en) | Compact mist flow power generator | |
| JP2009509862A (ja) | 抗力減少、推進力及び揚力発生システム | |
| Taussig et al. | Droplet radiator systems for spacecraft thermal control | |
| WO2014058354A1 (ru) | Способ создания реактивной тяги и реактивный двигатель | |
| Kiely | Review of underwater thermal propulsion | |
| US5045004A (en) | Turbo-hydroduct propulsion system | |
| Gao et al. | A review of the vaporizing liquid microthruster technology | |
| Kare | Laser-powered heat exchanger rocket for ground-to-orbit launch | |
| US9120384B2 (en) | Nano-energetic activated steam generator | |
| US20160108899A1 (en) | Two-phase expansion device capable of maximizing the amount of movement produced by a two-phase flow | |
| RU2099565C1 (ru) | Пароводяной ракетный двигатель (варианты) | |
| Piechna | Micro ring-engine numerical fluid dynamics analysis | |
| US3140064A (en) | Liquid heat sink auxiliary power generator for space vehicles | |
| RU2105182C1 (ru) | Способ создания реактивной тяги ракетного двигателя и пароводяной ракетный двигатель | |
| RU2447311C2 (ru) | Способ работы и устройство реактивного двигателя (варианты) | |
| CN104093936B (zh) | 产生机械功的方法 | |
| RU2125658C1 (ru) | Способ реактивного движения и устройство для его осуществления в виде ракетного двигателя | |
| US8701410B1 (en) | Ballistic impulse turbine and method | |
| Daines et al. | Computational analyses of dynamic rocket ejector flowfields | |
| CN112177697B (zh) | 基于热分解反应的热防护耦合开式布雷顿发电系统 | |
| Lu | One-dimensional model of a closed-loop underwater propulsion system | |
| Schall et al. | Laser propulsion thrusters for space transportation | |
| RU2765107C1 (ru) | Способ подогрева газового потока аэродинамическим торможением струй | |
| CN105822454A (zh) | 一种动力执行机构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 13845563 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 13845563 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |