Комбинированная силовая установка самолета вертикального взлёта и посадки Российский патент 2021 года по МПК F02K7/16 B64C29/04 B64D27/12 F02K1/16 

Комбинированная силовая установка, на водородном топливе, предназначена для ближнемагистральной авиации общего назначения, в частности пилотируемых и беспилотных аэротакси вертикального взлёта и посадки.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.

Известна «двигательная установка Гиперзвукового самолета-разгонщика (ГСР) "50-50"- в виде блока четырех турбореактивных двигателей (ТРД) разработки A.M. Люлька тягой на взлете по 17,5 т каждый, имеющих общий воздухозаборник и работающих на единое сверхзвуковое сопло внешнего расширения. На ГСР в качестве топлива использовался сжиженный водород. При пустой массе 36 т ГСР мог принять на борт 16т жидкого водорода (213 м³), для размещения которого отводилось 260 мЗ внутреннего объема.

Особенностью двигателей являлось использование паров водорода для привода турбины, вращающей компрессор ТРД. "Водородный" ТРД был уникален -наша промышленность ни до, ни после этого ничего похожего не делала (экспериментальные образцы подобных двигателей впоследствии разрабатывались лишь в Центральном институте авиационного моторостроения (ЦИАМ) и ни разу не доводились до постройки хотя бы опытного образца, см. http ://www.buran.ru/htm/str 147 .htm.

По мнению ряда ученых, за водородными двигателями будущее. Они бесшумны, экологичны и более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания. Однако широкое использование водородных двигателей на транспорте, в том числе на воздушном транспорте, задерживается в виду необходимости преодоления целого ряда факторов, существенно сдерживающих внедрение водородных технологий, а именно:

- дороговизна водородного топлива, поскольку в настоящее время в промышленных масштабах его получают из углеводородов, что ставит эту технологию в зависимость от традиционных источников энергии;

- несовершенные технологии хранения, транспортировки и применения водорода;

- современные способы безопасного хранения водорода требуют большего объёма топливных баков, чем для бензина;

- опасность использования водорода как топлива, обусловленная высокой летучестью водорода и лёгкостью его воспламенения;

- смесь водорода с воздухом взрывоопасна, при этом водород более опасен, чем бензин, так как горит в смеси с воздухом в более широком диапазоне концентраций, к тому же водород, хранящийся в баках при высоком давлении, в случае пробоя бака очень быстро испаряется;

- заправка водородом требуется строительства сети специализированных станций.

В качестве прототипа изобретения выбран пароводородный РТД, содержащий внутренний контур с последовательно установленными в его парово-дородной турбиной, камеру сгорания, подключенную входом к выходу паро-водородной турбины, теплообменник-испаритель и реактивное сопло. /Курзинф Р.И. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей. М.: Машиностроение, 1989, с.210, рис.6-19/.

К недостаткам прототипа следует отнести сложную систему хранения и подготовки топлива к созданию реактивной тяги: хранение водорода и кислорода в огромных баках, большое лобовое сопротивление кожуха и встроенных в него: испарителя, ожижителя, охладителя, теплообменника-конденсатора и сепаратора со сборником и баком накопителем.

Задачей изобретения является разработка безопасной технологии использования водородного топлива в двигателях самолетов и, кроме того, конструкция силовой установки и ее компоновка на самолете должна быть надежной, простой, экономичной, экологичной, безопасной, обеспечивать существенное снижение лобового сопротивления самолёта, вертикальный взлет и посадку, и повышенный коэффициент полезного действия.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Комбинированная силовая установка самолета вертикального взлёта и посадки, включающая корпус, блок форсунок, установленных внутри камеры сгорания, пароводородную турбину и реактивное сопло, характеризуется тем, что силовая установка, в виде центробежного вентилятора высокого давления, с вертикальной осью вращения, встроена в полость крыла и содержит последовательно установленные: бортовой генератор смеси водорода с кислородом, получаемой, преимущественно, из жидкости, на водной основе, камеру сгорания, центробежный сепаратор, интегрированный с центробежной форсункой, запальное устройство, кольцевое сопло, встроенное в воздухозаборник, рабочее колесо и улитку центробежного вентилятора, с плоским реактивным соплом, а также водосборник для сбора конденсата от продуктов горения водорода с кислородом и воды из воздуха или облаков, кроме того, вентилятор скомпонован на одной оси, с плоским, электрическим моторгенератором, и кольцевой заслонкой для изменения вектора тяги.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в следующем:

- снижение лобового сопротивления двигателя по сравнению с турбореактивным двигателем с центробежными компрессорами или двухконтурным ТРД, за счет встраивания силовой установки в полость крыла самолета;

- из конструкции летательного аппарата исключены баки с жидким водородом и кислородом за счет производства водорода и кислорода на борту, из жидкости на водной основе;

- исключены из конструкции силовой установки компрессор, так как гремучая смесь взрывается при атмосферном давлении и не требует сжатия для её горения;

- турбина в горячей зоне, с очень сложными и дорогостоящими лопатками, интегрирована с высокоэкономичным центробежным вентилятором высокого давления;

- обеспечена безопасная система подготовки и транспортировки топливной смеси, которую в виде жидкой пены, подают непосредственно в камеру сгорания через центробежный сепаратор, совмещенный с центробежной форсункой;

- обеспечена возможность дозаправки сырьем (водой) для получения топлива (смеси водорода с кислородом), в полете, из воздуха, облаков и из конденсата от продуктов сгорания;

- за счет плоского моторгенератора с высоким крутящим моментом, обеспечивается снабжение электричеством всех систем самолёта, бортового генератора смеси водорода с кислородом, а также привод центробежного вентилятора в случае аварийной ситуации;

- обеспечивается возможность вертикального взлета и посадки за счет изменения вектора тяги с помощью кольцевой заслонки.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан разрез А-А, заявленной силовой установки, при вертикальном взлёте, зависании и посадке, на фиг.2. - тот же разрез при поступательном движении, на фиг.3 - план центробежного вентилятора высокого давления, на фиг. 4 - фрагмент камеры сгорания с центробежным сепаратором, совмещенным с центробежной форсункой и электрозапальником.

На чертежах позициями обозначены: 1 - бортовой генератор смеси водорода с кислородом, 2 - кольцевая камера сгорания, 3 - центробежный сепаратор с топливной форсункой, 4 - электрозапальник, 5 - кольцевое сопло, 6 - воздухозаборник, 7 - рабочее колесо центробежного вентилятора; 8 - улитка центробежного вентилятора; 9 - водосборник, 10 - электрический мотор-генератор, 11 - кольцевая заслонка для изменения вектора тяги.

Силовая установка выполнена в виде центробежного вентилятора высокого давления, с вертикальной осью вращения, и встроена в полость крыла, что снижает лобовое сопротивление самолёта за счет исключения бочкообразного двигателя под крылом.

Решены вопросы безопасного хранения водорода и кислорода (исключены огромные баки с водородом и кислородом), транспортировки и сжигания водорода в кислороде, а также охлаждения камеры сгорания и рабочего колеса центробежного вентилятора за счет производства смеси водорода с кислородом, которую получают, преимущественно, из жидкости на водной основе, в бортовом генераторе смеси водорода с кислородом 1, и подачи её, в виде жидкой пены, прямо в камеру сгорания 2 через центробежный сепаратор, интегрированный с центробежной форсункой 3, где, под действием центробежных сил, пену разделяют на газообразную и жидкую фракции, после чего газообразную фракцию (смесь водорода с кислородом) поджигают запальным устройством 4, а жидкой фракцией, за счет центробежных сил, создаваемых форсункой, опрыскивают внутреннюю поверхность камеры сгорания 2, для её охлаждения. Образующийся, при этом, пар, совместно с ударной волной и продуктами горения водорода в кислороде, с высоким давлением и температурой, на высокой скорости, через кольцевое сопло 5, встроенное в воздухозаборник 6, раскручивают рабочее колесо вентилятора 7, которое, при этом, засасывает из атмосферы воздух и затем, в улитке центробежного вентилятора 8, происходит его смешивание с продуктами горения, подогрев, расширение и создание плоской реактивной струи. Кроме того, улитка оснащена водосборником 9, для сбора конденсата, от продуктов горения водорода в кислороде, и воды - из воздуха или облаков, а вентилятор оснащен электрическим моторгенератором 10 и кольцевой заслонкой 11 для изменение вектора тяги.

Заявленное техническое решение позволяет создать простую в изготовлении и эксплуатации силовую установку с улучшенной экологией для летательного аппарата, обладающего свойствами вертолёта и самолёта, способного обеспечить вертикальный взлёт и посадку, а также высокоскоростной, дальний полёт с возможностью дозаправки водой в воздухе из атмосферы.

Изобретение может быть использовано в ближнемагистральной авиации. Комбинированная силовая установка включает корпус, блок форсунок, установленных внутри камеры (2) сгорания, пароводородную турбину и реактивное сопло. Силовая установка выполнена в виде центробежного вентилятора высокого давления, с вертикальной осью вращения и встроена в полость крыла. Силовая установка содержит последовательно установленные бортовой генератор (1) смеси водорода с кислородом, камеру (2) сгорания, центробежный сепаратор (3), запальное устройство (4), кольцевое сопло (5), рабочее колесо (7) и улитку (8) центробежного вентилятора. Смесь водорода с кислородом получают преимущественно из жидкости на водной основе. Центробежный сепаратор (3) интегрирован с центробежной форсункой. Кольцевое сопло (5) встроено в воздухозаборник. Улитка (8) центробежного вентилятора выполнена с плоским реактивным соплом. Имеется водосборник (9) для сбора конденсата от продуктов горения водорода в кислороде и воды из воздуха или облаков. Вентилятор скомпонован на одной оси с плоским электрическим мотор-генератором (10) и кольцевой заслонкой (11) для изменения вектора тяги. Технический результат заключается в повышении надежности и упрощении конструкции. 4 ил.

Комбинированная силовая установка, включающая корпус, блок форсунок, установленных внутри камеры сгорания, пароводородную турбину и реактивное сопло, отличающаяся тем, что силовая установка в виде центробежного вентилятора высокого давления с вертикальной осью вращения встроена в полость крыла и содержит последовательно установленные: бортовой генератор смеси водорода с кислородом, которую получают преимущественно из жидкости на водной основе, камеру сгорания, центробежный сепаратор, интегрированный с центробежной форсункой, запальное устройство, кольцевое сопло, встроенное в воздухозаборник, рабочее колесо и улитку центробежного вентилятора с плоским реактивным соплом, а также водосборник для сбора конденсата от продуктов горения водорода в кислороде и воды из воздуха или облаков, кроме того, вентилятор скомпонован на одной оси с плоским электрическим мотор- генератором и кольцевой заслонкой для изменения вектора тяги.