РЕАКТИВНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2007 года по МПК F02K5/00 

Изобретение имеет отношение к группе реактивных двигательных установок, которые для приведения в действие имеющегося в них компрессора или нагнетателя содержат иной привод, чем газовая турбина, и предназначено для использования на реактивных самолетах.

Известна реактивная двигательная установка летательного аппарата, содержащая трубу, имеющую вход для приема атмосферного воздуха и выход. В трубе размещены ротор, для создания в трубе разрежения, расположенное за ротором спрямляющее устройство, предназначенное для преобразования направления движения воздуха, текущего от лопастей ротора, и удлиненный элемент для снижения турбулентности воздушного осевого потока, расположенный в трубе коаксиально и простирающийся от ротора до выхода (з. Великобритании №1540068, кл. F02K 5/00, оп. 7.02.79). Движущая сила обеспечивается благодаря создаваемому в трубе разрежению. Наибольшее разрежение установка имеет непосредственно за ротором у лопаток спрямляющего аппарата. Ротор, включающий ступицу и множество лопастей, приводится во вращение электрическим двигателем, который может устанавливаться на летательном аппарате внутри трубы или вне трубы. Двигательная установка недостаточно эффективна в работе и имеет малую мощность.

Наиболее близкой к заявляемой конструкции является реактивная двигательная установка летательного аппарата, в состав которой входят: устройство для сжатия поступающего в газовый тракт установки атмосферного воздуха, камера сгорания, реактивное сопло, по крайней мере один электрический двигатель для привода устройства для сжатия воздуха, источники электроэнергии, соединенные электрической связью, по крайней мере, с одним электрическим двигателем (пат. США №3678306, кл. 310/11, оп. 18.07.72). Установка также содержит по ходу движения рабочего потока расположенные друг за другом дополнительную камеру сгорания, помимо основной, и газовую турбину, при этом турбина находится перед основной камерой сгорания. Устройство для сжатия воздуха выполнено в виде компрессора. Необходимая для работы электрического двигателя электроэнергия вырабатывается при помощи источника электроэнергии, выполненного в виде магнитогидродинамического генератора. Также в установке используется второй источник электроэнергии, который содержит электрическую машину, ротор которой связан с газовой турбиной. Недостатками установки являются ее недостаточная эксплуатационная надежность и низкий ресурс, которые обусловлены разрушением ее конструктивных элементов под воздействием очень высоких температур.

Задачей изобретения является уменьшение вероятности выхода из строя конструктивных элементов и, следовательно, увеличение эксплуатационной надежности и ресурса установки за счет снижения уровня максимально возможных температур в газовом тракте.

Снижение уровня максимально возможных температур в газовом тракте достигается тем, что в реактивной двигательной установке летательного аппарата, включающей устройство для сжатия поступающего в газовый тракт установки атмосферного воздуха, камеру сгорания, реактивное сопло, по крайней мере один электрический двигатель для привода устройства для сжатия воздуха, источники электроэнергии, соединенные электрической связью, по крайней мере, с одним электрическим двигателем, согласно изобретению устройство для сжатия воздуха выполнено в виде вентилятора, а источники электроэнергии - в виде электрохимических генераторов, или электрических аккумуляторов, или электромашинных генераторов тока, оснащенных для привода поршневым двигателем внутреннего сгорания.

Выполнение устройства для сжатия атмосферного воздуха в виде вентилятора обеспечивает значительное сокращение количества энергии, затрачиваемой на сжатие. Невысокое энергопотребление вентилятора открывает возможность полного удовлетворения потребности в электроэнергии за счет менее мощных источников электропитания, чем те, которые предусмотрены в установке-прототипе. Использование для сжатия воздуха вентилятора, а также электрохимических генераторов, или электрических аккумуляторов, или электромашинных генераторов тока, оснащенных для привода поршневым двигателем внутреннего сгорания, в качестве источников электроэнергии, позволяет исключить из состава двигательной установки мощный магнитогидродинамический генератор. Отказ от магнитогидродинамического генератора, в области преобразовательного канала которого оптимальная рабочая температура составляет 3000 К, обуславливает в установке приемлемый для безопасной работы уровень максимальных температур в газовом тракте.

Применение в двигательной установке для сжатия воздуха только вентилятора, без использования компрессора, вполне реально. Тяга, как известно, в условиях работы установки возникает вследствие силового воздействия газового потока на проточные части ее элементов. Величина тяги определяется скоростью и температурой потока на выходе из сопла. Обычно в газотурбинных двигателях степень понижения давления газа в сопле π_с составляет от 1,5 до 4. В то же время применяемые в них компрессоры обеспечивают степень повышения давления воздуха π_к в интервале значений 10-40.

Расчеты показывают, что для получения тяги в 2400 кгс (около 23535 Н), при расходе воздуха 30 кг/с, можно иметь в установке следующие значения давления: перед реактивным соплом - в 1,5 раза больше давления окружающей атмосферы, а за устройством для сжатия воздуха - такое же по величине, как давление перед реактивным соплом. Необходимую степень повышения давления воздуха может полностью обеспечивать вентилятор. Для работы вентилятора требуется использование электрического двигателя с мощностью около 1 МВт. В сравнении с вентилятором энергозатраты на работу компрессора значительно больше: для работы компрессора требуются электрические двигатели мощностью десятки мегаватт.

В авиадвигателестроении применение вентилятора широко известно для турбореактивных двухконтурных двигателей. Такие двигатели содержат одновременно и компрессор. Вентилятор расположен, как правило, перед компрессором внутреннего контура двигателя и работает обычно на оба контура. В зависимости от степени двухконтурности двигателя вентилятор может быть одно- или многоступенчатым. Для одноступенчатых вентиляторов оптимальная степень повышения давления воздуха π_в лежит в пределах 1,2-1,7. Многоступенчатый вентилятор обеспечивает значения π_в от 3 до 5, в зависимости от степени двухконтурности двигателя (см. Энциклопедия «Авиация». - Москва: Большая Российская энциклопедия, 1994, стр.129).

В справочной технической литературе определено различие между вентилятором и компрессором по функциональному назначению:

вентилятор - устройство, создающее избыточное давление воздуха или другого газа до 0,015 МПа для их перемещения;

компрессор - устройство для сжатия воздуха или газа до избыточного давления не ниже 0,015 МПа.

Вентилятор перемещает и сжимает газовую среду при степени повышения давления π_в до 1,15, а компрессор сжимает газ при π_к выше значения 1,15 (см. Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры. - М.: Энергоатомиздат, 1984, стр.13).

Из вышеизложенного следует, что правильно считать компрессор и вентилятор разными самостоятельными устройствами, хотя иногда в технической литературе, имеющей отношение к авиационным двигателям, не делают строгого различия между ними и относят, например, вентилятор к частям компрессора.

Кроме того, благодаря выполнению устройства для сжатия воздуха в виде вентилятора, а источников электроэнергии в виде электрохимических генераторов, или электрических аккумуляторов, или электромашинных генераторов тока, оснащенных для привода поршневым двигателем внутреннего сгорания, автоматически отпадает потребность в наличии газовой турбины. Наличие газовой турбины, расположенной по ходу газового потока за камерой сгорания, всегда требует проведения технических мероприятий, направленных на защиту таких ее теплонапряженных элементов, как диски ротора и лопатки. Исключение турбины также повышает надежность и ресурс двигательной установки.

Энергия, высвобождающаяся при сгорании топлива в камере сгорания, практически полностью преобразуется в кинетическую энергию газового потока. Отсутствие турбины позволяет увеличить температуру газов за камерой сгорания до 2200-2400 К, в то время как для современных авиационных двигателей она составляет 1900 К.

Электрохимические генераторы, наиболее популярным представителем которых сегодня являются топливные элементы, в настоящее время постепенно начинают использоваться в качестве источников электроэнергии на транспорте. Так, в России для корабля «Буран» были созданы топливные элементы (ст. Худякова С.А. и Поспелова B.C., ж. «Наука и жизнь». 1990, №9, с.60-65). Для транспорта особенно пригодны топливные элементы с протонобменными мембранами (РЖ ВИНИТИ «Энергетика». 2005. №7, 05.07-22Ф.38). Многие из 26 стран-членов Международного энергетического агентства интенсифицируют НИОКР по топливным элементам. Правительства этих стран расходуют на новые разработки до 500 миллионов долларов в год (РЖ ВИНИТИ «Энергетика». 2005. №8, 05.08-22Ф.8). В России, на Уральском электрохимическом комбинате, изготавливается рекомендованный для опытных работ с самолетами электрохимический генератор с номинальной электрической мощностью 10 кВт и пиковой 25 кВт. Этот генератор был продемонстрирован на Международном Авиационно-космическом салоне в г.Жуковском (Россия).

Электрические аккумуляторы, являющиеся основой аккумуляторных батарей, тоже являются перспективными источниками электроэнергии для летательных аппаратов. В авиации последние 20 лет применяются свинцовые аккумуляторы с регулирующим клапаном (САРК). Существуют аккумуляторные батареи из САРК для космических, военных и коммерческих применений (РЖ ВИНИТИ «Энергетика». 2005. №7, 05.07-22Ф.100). Фирма АЕА Battery System поставляет для аэрокосмической промышленности облегченные литий-ионные аккумуляторные батареи (РЖ ВИНИТИ «Энергетика». 2005. №3, 05.03-22Ф.82). Уральским электрохимическим заводом (Россия, г.Новоуральск) разработаны никель-водородные аккумуляторные батареи. Удельная мощность этих батарей составляет 70 Вт·ч/кг, а удельная плотность энергии - 200 Вт·ч/л. Аккумуляторные батареи успешно работали в течение двух лет на спутнике «Ямал» (РЖ ВИНИТИ «Электротехника». 2004. №9, 04.09-21Л.94).

Электромашинные генераторы тока, оснащенные для привода поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС), изготавливаются, главным образом, в виде электрических дизель-генераторов. В качестве поршневого ДВС может применяться не только дизель, но и бензиновый, и газовый ДВС. Электромашинные генераторы активно используются на транспорте. Известно использование дизель-генераторов для производства электрической энергии на судах (РЖ ВИНИТИ «Энергетика». 2005. №4, 05.04-22С.168). Министерство обороны Великобритании заказало компании Mawdsley 1600 дизель-генераторов мощностью по 4,5 кВт. Агрегаты будут использоваться в разных целях, в т.ч. в машинах для поддержки пехоты (РЖ ВИНИТИ «Энергетика». 2005. №3, 05.03-22С.159). В России дизельные и газовые электромашинные генераторы мощностью от 315 до 630 кВт разрабатывает и производит ОАО «Волжский дизель им. Маминых» (РЖ ВИНИТИ «Энергетика». 2005. №7, 05.03-22С.159).

Все рассмотренные выше источники электроэнергии имеют хорошие перспективы в использовании для новой реактивной двигательной установки летательного аппарата.

Предлагаемая реактивная двигательная установка обладает принципиально новой конструктивной схемой и может именоваться электровентиляторной.

Установка может содержать как один электрический двигатель, так и несколько.

Вентилятор в установке может быть одно- или многоступенчатым.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема реактивной двигательной установки летательного аппарата.

Установка включает конструктивные элементы, образующие непосредственно воздушно-реактивный двигатель: вентилятор 1, электрический двигатель 2 для привода вентилятора 1, камеру сгорания 3 и реактивное сопло 4. В состав установки также входят источники электроэнергии 5, например, в виде электрических дизель-генераторов. Источники электроэнергии 5 размещены на летательном аппарате отдельно от воздушно-реактивного двигателя и соединены через электрические проводники (не обозначены) с электрическим двигателем 2.

В процессе работы реактивной двигательной установки атмосферный воздух, поступающий на вход газового тракта воздушно-реактивного двигателя, сжимается вентилятором 1 до значений степени повышения давления π_в, оговоренных выше, и подается в камеру сгорания 3. В камере сгорания 3 к потоку воздуха подводится тепло. Вследствие уменьшения плотности газа при его нагреве давление газа в камере сгорания незначительно уменьшается. В сопле 4 происходит нарастание скорости движения газового потока, сопровождаемое его расширением и падением давления. Электрический двигатель 2, приводящий во вращение вентилятор 1, работает от источников электроэнергии 5, в качестве которых используются электрические дизель-генераторы.

Изобретение относится к реактивным двигателям летательных аппаратов. Реактивная двигательная установка включает устройство для сжатия поступающего в газовый тракт установки атмосферного воздуха, камеру сгорания, реактивное сопло, по крайней мере, один электрический двигатель для привода устройства для сжатия воздуха и источники электроэнергии, соединенные электрической связью, по крайней мере, с одним электрическим двигателем, согласно изобретению устройство для сжатия воздуха выполнено в виде вентилятора, а источники электроэнергии - в виде электрохимических генераторов, или электрических аккумуляторов, или электромашинных генераторов тока, оснащенных для привода поршневым двигателем внутреннего сгорания. Изобретение обеспечивает увеличение эксплуатационной надежности и ресурса установки за счет снижения уровня максимально возможных температур в газовом тракте. 1 ил.

Реактивная двигательная установка летательного аппарата, включающая устройство для сжатия поступающего в газовый тракт установки атмосферного воздуха, камеру сгорания, реактивное сопло, по крайней мере, один электрический двигатель для привода устройства для сжатия воздуха, источники электроэнергии, соединенные электрической связью, по крайней мере, с одним электрическим двигателем, отличающаяся тем, что устройство для сжатия воздуха выполнено в виде вентилятора, а источники электроэнергии - в виде электрохимических генераторов, или электрических аккумуляторов, или электромашинных генераторов тока, оснащенных для привода поршневым двигателем внутреннего сгорания.