ВОЗДУХОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ САМОЛЕТОВ Российский патент 2009 года по МПК F02C1/02 

Предлагаемая воздухотурбинная установка - это новое направление в развитии авиационной техники по оснащению самолетов двигателями, потребляющими исключительно малое количество топлива: бензина и угля - для осуществления полета в воздушном пространстве. Кроме указанных теплоносителей используют выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания в качестве теплоносителя, а также продукты сгорания угля из печи. КПД использования теплотворной способности жидкого топлива (бензина) и каменного угля достигает высоких значений. Это увеличивает экономичность и коммерческую нагрузку всех самолетов, оснащенных новой силовой установкой.

Повышается безопасность таких самолетов из-за улучшения их противопожарного состояния и минимального отказа техники, а полеты на малых высотах позволяют совершать посадку, в случае отказа двигателя(-лей), на землю или водную поверхность благополучно.

Конструкторы современной авиационной техники достигли впечатляющих успехов в создании новых самолетов, которые летают на больших высотах и в стратосфере, где малое атмосферное давление, с дозвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, но оставили свободными высоты птичьего полета и бреющего полета. Предлагаемая установка предназначена для полетов на этих высотах, т.е. на предельно малых высотах на винтовых самолетах, малошумных и имеющих высокую дальность полета.

2. Раскрытие изобретения

Существенными признаками, которые обеспечивают работу воздухотурбинной установки для самолетов нового направления для полетов на малых и предельно малых высотах, являются следующие.

Наличие в силовой установке маломощного, легкого, экономичного двигателя внутреннего сгорания, желательно автомобильного, хорошо зарекомендовавшего безотказностью в работе и потребляющего малое количество бензина в расчете на 1 л/силу, ибо весь бензин, находящийся в баках самолета, расходует этот двигатель, а не воздухотурбинная установка, которая работает на тепле выхлопных газов указанного выше двигателя и на продуктах сгорания угля из печи. Они нагревают рабочее тело не перед самым входом в воздушную турбину, а задолго до нее, в спиральном нагревателе, тоже являющимся главной составляющей в конструкции этой силовой установки.

В спиральный нагреватель поступает рабочее тело из компрессора изотермического сжатия, работающего за счет двигателя внутреннего сгорания посредством электрогенератора, вырабатывающего ток для электродвигателей, приводящих в работу червяки, которые, нажимая на штоки с поршнями, готовят рабочее тело - изотермически сжатый воздух для входа в спиральный нагреватель, где он нагревается от смешанных выхлопных газов и продуктов сгорания угля в печи, двигающихся в туннели спирального нагревателя на встречных направлениях с рабочим телом, отдавая ему тепло.

На борту самолета находится небольшая по размеру печь для сжигания угля и направления продуктов сгорания в спиральный нагреватель для нагрева рабочего тела на встречных направлениях. Печь отличается от обыкновенных тем, что для горения угля в ней используется мятое рабочее тело после его расширения из воздушной турбины, что повышает КПД двигателя.

Нагретое рабочее тело поступает в воздушную турбину, и она вращает воздушный винт, установленный на одном валу с турбиной, и создает силу тяги, необходимую для полета самолета.

Спиральный нагреватель помещают в «футляр» (подобие футляра карманных часов) с надежной теплоизоляцией, имеющей асбестовую прокладку. Свернутая труба спирали выполнена из нержавеющей стали или титана, легкого металла, прочного и тугоплавкого.

В случае, если воздушного потока недостаточно для охлаждения цилиндров компрессора, тогда устанавливают в фюзеляже самолета радиатор, а охлаждающую жидкость заставляют циркулировать по легким трубочкам вдоль фюзеляжа внутри него.

В этой воздухотурбинной установке используют выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания в качестве теплоносителя. Они почти невесомы, их тепло составляет до 60% тепла, получаемого от сгорания бензина в двигателе, что дополнительно дает до 50% механической энергии, вырабатываемой турбиной. Мятое рабочее тело из турбины, имея положительную температуру, не выбрасывают в атмосферу, а направляют в печь для горения угля; и, поступив в печь, оно улучшает горение угля, после чего его направляют в спиральный нагреватель для нагрева рабочего тела. Все это приводит к высоким результатам превращения энергии бензина и угля, высокому КПД двигателя.

3. Краткое описание чертежей

Воздухотурбинная установка изображена на фиг.1 на одном листе, и описание представляет некоторую сложность ввиду значительного количества ее конструктивных элементов.

В самом конце фюзеляжа перед килем самолета расположен двигатель внутреннего сгорания 1 с электрогенератором 2. В паре они обеспечивают работу многоцилиндрового изотермического компрессора, состоящего из цилиндров изотермического сжатия воздуха 6, электродвигателей 25 для червячных передач 24, штоков 8 с поршнями 27 и муфты 29 для сообщения усилий червякам 24 для их работы.

Из изотермического компрессора сжатый воздух направляют по трубопроводу 23 в спиральный нагреватель 4, где он нагревается продуктами сгорания угля из печи 5, которые поступают в камеру смешения по трубопроводу 22, и туда же поступают по трубопроводу 28 выхлопные газы от двигателя внутреннего сгорания. Обе трубы соединены с камерой смешения 21. Из камеры смешения 21 эти газы направляют по туннелю между спиралями трубы спирального нагревателя 4, где они отдают свое тепло рабочему телу (сжатому воздуху) на встречных направлениях; отдав тепло, покидают спиральный нагреватель по трубе 26 в атмосферу.

Сжатый изотермически воздух, пройдя спиральный нагреватель 4, поступает в камеру поступления рабочего тела 10 перед турбиной по трубе 20 и далее в турбину 3. Пройдя турбину 3 мятое рабочее тело по трубопроводам 19 (их два) поступает в печь для горения угля. При работе турбины 3 работает за счет ее энергии электрогенератор 12 для обеспечения электротоком все оборудование самолета. Турбина 3 вращает воздушный винт 7 изменяемого шага на земле и в полете через редуктор.

В топливном отсеке имеются два ящика 9 для помещения в них подготовленного равными кусочками каменного угля (антрацита), что упрощает работу.

Не относящиеся к силовой установке на самолете элементы: кабина пилотов 11, крылья самолета 13, элероны 14, стабилизатор 15, руль высоты 16, руль поворота 17, киль самолета 18.

Эти элементы показаны так, как они имеют отношение к воздухотурбинной установке в связи с работой силовой установки.

4. Осуществление изобретения

В состав воздухотурбинной установки для самолета входят:

1. Двигатель внутреннего сгорания (автомобильный) 1.

2. Электрогенератор 2, установленный на одном валу двигателя внутреннего сгорания 1.

3. Воздушная турбина 3, работающая на сжатом изотермически воздухе (рабочем теле) и нагретом в спиральном нагревателе 4 за счет тепла выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания 1 и продуктов сгорания угля из печи 5. Выхлопные газы и продукты сгорания обеспечат ее работу, а она - работу воздушного винта 7.

4. Спиральный нагреватель 4, выполненный из свернутой в одной плоскости спираль трубы определенного диаметра и длины и покрытого сверху, снизу, с боков теплозащитным материалом, использующим асбест. Теплозащита должна быть надежной, так как от нее зависит КПД цикла и мощность турбины, а следовательно, и дальность полета самолета.

5. Печь 5 для сжигания каменного угля с отводом продуктов сгорания по трубопроводу 22 к центру спирали спирального нагревателя, а также трубы 19 подвода к печи 5 мятого рабочего тела из турбины 3 (это чистый воздух) для горения угля в печи 5. Мятое рабочее тело повышает КПД турбины.

6. Изотермический бортовой компрессор 6, многоцилиндровый, поршневой, с двумя степенями сжатия. Изотермический компрессор 6 имеет парные цилиндры большого диаметра, где с помощью поршней 27, установленных на пустотелых штоках, посредством червячных передач 24, приводимых в действие электродвигателями 25 за счет тока, поступающего от электрогенератора 2 двигателя внутреннего сгорания 1, воздух сжимают в пять раз, увеличив давление с 1 кг/см² до 5 кг/см². Затем воздух выталкивают в парные цилиндры малого объема, где давление его увеличивают с 5 кг/см² до 25 кг/см² и по трубопроводу выталкивают в спиральный нагреватель 4, где, получив нагрев, по трубопроводу 20 поступает в воздушную турбину 3, расширяется и совершает работу по вращению воздушного винта 7.

7. Воздушный винт 7 изменяемого шага в полете, установленный на одном валу с турбиной 3. Может иметь редуктор, так как турбина 3 будет работать на больших оборотах, а винт 7 - на меньших оборотах, чтобы получить наивысший КПД винта в пределах 0,88-0,9, а равно и увеличить дальность полета и полетный вес самолета за счет увеличения нагрузки и уменьшения веса топлива.

Работа воздухотурбинной установки для самолетов

Чтобы подготовить к предстоящему полету силовую установку на самолете, который отличается от самолетов с бензиновыми двигателями, эксплуатируемыми в настоящее время, проводят следующие действия.

Во-первых, загружают печь необходимым количеством каменного угля и растопляют ее, доведя температуру продуктов горения угля до +960°С.

Во-вторых, запускают двигатель внутреннего сгорания и включают электропитание для работы электродвигателей 2 по сжатию изотермически рабочего тела в цилиндрах бортового компрессора 6.

В-третьих, как только рабочее тело в спиральном нагревателе 4 при давлении 25 кг/см² нагрелось до заданной температуры +820°С, открывают заслонку с калиброванными отверстиями, и нагретое рабочее тело устремляется в турбину 3, которая начинает работать, вращая воздушный винт 7. Установив шаг винта 7, увеличивают обороты двигателя внутреннего сгорания 1 до необходимых для выруливания на старт. Затем производят взлет самолета, контролируя заданную температуру в спиральном нагревателе 4 рабочего тела и его давление путем повышения температуры горения угля в печи 5 и оборотов двигателя внутреннего сгорания 1, от которых зависит поступление необходимого количества выхлопных газов для нагрева рабочего тела в спиральном нагревателе 4, отчего напрямую зависит и мощность воздушной турбины 3, а равно и тяги винта 7, необходимая для полета самолета.

Для спирального нагревателя надо найти при испытаниях тот металл, который лучше подойдет. Сделать один из меди, второй из стали, третий из титана, и при наличии одного компрессора изотермического сжатия рабочего тела, подсоединяя к нему то один, то второй, то третий на одинаковое время при одних и тех же температурах на земле, сравнить, который из них лучше. Надо иметь ввиду, чтобы он был легким, меньше занимал места, что очень важно при конструировании самолета с этим спиральным нагревателем. Возможно, его целесообразно установить над фюзеляжем.

Конструкция компрессора изотермического сжатия воздуха (рабочего тела) тоже должна быть легкой, чтобы он выполнял свою роль - более быстрое сжатие воздуха с быстрой отдачей тепла через стенки цилиндров атмосферному воздуху. Возможно, это целесообразно сделать не за счет обдува цилиндров воздухом, а за счет жидкости, которая, циркулируя в трубочках, расположенных вдоль фюзеляжа или в крыльях, уносила бы тепло от цилиндров, полученное при сжатии воздуха, посредством трубочек в атмосферу. Но в этом случае надо иметь перекачивающий насос для циркуляции этой жидкости вокруг цилиндров и далее в трубочки в плоскостях или вдоль фюзеляжа.

Турбина малой мощности, поэтому она разрабатывается по существующим технологиям.

Электрогенератор изготавливают по известным технологиям.

Печь имеет надежную теплоизоляцию, чтобы сохранить тепло.

Изобретение относится к двигателестроению. Воздухотурбинная установка для самолетов состоит из компрессора изотермического сжатия воздуха, двигателя внутреннего сгорания, печи для сжигания угля, камеры смешения, спирального нагревателя и воздушной турбины, которая вращает электрогенератор и воздушный винт. Выход компрессора соединен со входом по воздуху спирального нагревателя. Смешанные выхлопные газы и продукты сгорания угля в печи направляют в спиральный нагреватель, где они движутся на встречных направлениях с воздухом, отдавая ему тепло. Воздух из спирального нагревателя направляют в воздушную турбину. Изобретение обеспечивает увеличение экономичности самолета. 1 ил.

Воздухотурбинная установка для самолетов, состоящая из компрессора изотермического сжатия воздуха, выход которого по воздуху соединен со входом спирального нагревателя, двигателя внутреннего сгорания, печи для сжигания угля, камеры смешения, в которую направляют выхлопные газы из двигателя внутреннего сгорания и продукты сгорания угля из печи, смешанные выхлопные газы и продукты сгорания угля в печи направляют в спиральный нагреватель, где они движутся на встречных направлениях с воздухом, отдавая ему тепло, выход спирального нагревателя по воздуху соединен со входом в воздушную турбину, которая вращает электрогенератор и воздушный винт.