СПОСОБ РАБОТЫ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2024 года по МПК F02K3/06 B64U50/00 

Изобретение относится к авиационному двигателестроению и может быть использовано, например, для беспилотного летательного аппарата.

Прототипом является турбовинтовой двигатель, содержащий винт, воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, турбину, реактивное сопло, при этом двигатель выполнен по двухвальной схеме, за турбиной установлен двигатель Стерлинга, соединенный внутренним валом через редуктор или мультипликатор с винтом [Пат. РФ 2334892, МПК F02K 3/04, 2008].

Недостатками прототипа являются:

- относительно сложная конструкция двигателя, обусловленная наличием стартера для его запуска, а также применением для вращения воздушного винта редуктора или мультипликатора, которым необходима в процессе работы система смазки;

- относительно низкая надежность, поскольку, несмотря на наличие в силовой установке двух двигателей, они оба перестают работать в случае выхода из строя турбореактивного двигателя;

- большое время вывода силовой установки в рабочий режим.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение ее надежности и улучшение эксплуатационных характеристик.

Задача решается тем, что в способе работы силовой установки летательного аппарата, включающем создание реактивной и отбрасываемой воздушным винтом сил тяги посредством двигателей с вращающимися валами соответственно основного и дополнительного, причем последний кинематически связан с воздушным винтом, обеспечивают автономную, независимую друг от друга работу двигателей, при этом их валы соединяют в кинематическую цепь с изменяющимся числом степеней свободы.

Число степеней свободы кинематической цепи изменяют путем обгонной муфты, полумуфты которой жестко соединяют с валами двигателей. Муфта выполнена заодно с предохранительным элементом. Запуск основного двигателя осуществляют с помощью дополнительного двигателя. Дополнительный двигатель используют и в качестве компрессора. Компрессор используют для подачи топлива, по крайней мере в основной двигатель. Запуск дополнительного двигателя осуществляют путем вращения воздушного винта. Запуск дополнительного двигателя осуществляют путем вращения воздушного винта в горизонтальной плоскости. В качестве дополнительного двигателя используют двигатель внутреннего сгорания.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Обеспечение автономной, независимой друг от друга работы двигателей, и соединение их валов в кинематическую цепь с изменяющимся числом степеней свободы позволяют повысить надежность двигателя, так как в случае выхода одного двигателя силовая установка продолжает работать. Кроме того, изменяющееся число степеней свободы кинематической цепи дает возможность отказаться от редуктора и изменять частоту вращения вала основного двигателя независимо от частоты вращения вала дополнительного двигателя, что повышает эксплуатационные характеристики.

Изменение числа степеней свободы кинематической цепи путем обгонной муфты, полумуфты которой жестко соединяют с валами двигателей, способствует упрощению конструкции, поскольку в процессе своей работы обгонная муфта не требует системы смазки.

Выполнение муфты заодно с предохранительным элементом повышает надежность силовой установки, так как в случае заклинивания вала основного двигателя, дополнительный продолжает работать в обычном для себя режиме.

Осуществление запуска основного двигателя с помощью дополнительного двигателя позволяет отказаться от стартера, что упрощает конструкцию, повышает ее надежность и улучшает эксплуатационные характеристики.

Использование дополнительного двигателя и в качестве компрессора способствует сохранению мощности основного двигателя, так как в этом случае не требуется отведение сжатого воздуха на собственные нужды силовой установки, например на работу газовых опор вала.

Использование компрессора для подачи топлива, по крайней мере в основной двигатель также способствует сохранению мощности основного двигателя, часть которой не будет отбираться для подачи топлива, что повышает эксплуатационные характеристики.

Осуществление запуска дополнительного двигателя путем вращения воздушного винта упрощает конструкцию силовой установки, повышает ее надежность и улучшает эксплуатационные характеристики.

Осуществление запуска дополнительного двигателя путем вращения воздушного винта в горизонтальной плоскости позволяет с такой силовой установкой производить летательному аппарату вертикальный взлет, что улучшает эксплуатационные характеристики.

Использование двигателя внутреннего сгорания в качестве дополнительного двигателя делает независимым его работу от основного двигателя, что повышает надежность силовой установки.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен двигатель внутреннего сгорания в момент положения поршня на отметке 0,7 хода. На фиг.2 изображен двигатель в момент положения поршня на отметке 0,96. На фиг.3 изображен двигатель в момент положения поршня на отметке 0,96 при обратном ходе поршня от крайнего положения. На фиг.4 изображен двигатель в момент положения поршня около середины. На фиг.5 изображен двигатель в момент положения поршня на отметке 0,03. На фиг.6 изображен двигатель в момент положения поршня на отметке 0,03 при обратном ходе поршня от крайнего положения. На фиг.7 изображен цилиндр двигателя с поршнем, имеющим два штока. На фиг.8 изображен двигатель в режиме работы компрессором. На фиг.9 изображена силовая установка летательного аппарата. На фиг.10 изображено сечение обгонной муфты с предохранительным элементом.

Силовая установка летательного аппарата содержит дополнительный двигатель кривошипно-ползунный механизм, кривошип 1 которого жестко закреплен на валу 2 и соединен через шатун 3 со штоком 4 поршня 5, размещенного с возможностью перемещения в цилиндре 6, в центре полости которого выполнено окно 7, соединяющее эту полость с атмосферой, а на крышках цилиндра размещено устройство 8 впрыска топлива. Цилиндр может иметь клапаны 9, 10, соединенные воздуховодами с аналогичными клапанами, расположенными на противоположных концах (крышках) другого цилиндра. Пропеллер 11 закреплен на валу, который через муфту 12 кинематически связан с компрессором 13 основного двигателя, нагнетающим воздух 14 в имеющую свечу 15 и топливные форсунки 16 камеру сгорания 17, продукты горения которой через турбину 18, кинематически связанную с валом компрессора, и сопло 19 поступают в атмосферу. Муфта может быть выполнена в виде кольца (одна полумуфта) 20, в котором выполнен паз с консольной балкой 21, контактирующей с телом 22 качения, поджатым пружиной 23 к ее заклинивающей поверхности 24 и к валу 25 (другая полумуфта).

Способ реализуют следующим образом.

Предположим, что дополнительный двигатель запускают известным способом, например с помощью поворота воздушного винта (рукой или дерганьем конца намотанной на вал веревки) вращают вал 2, например по часовой стрелке, при этом отсчет угла поворота осуществляется от горизонтали. Для определенности будем полагать, что в начальный момент (в момент пуска) вал 2 занимает положение, например соответствующее углу его поворота α=30° (фиг.1). В это время поршень 5 находится на расстоянии 0,7 хода. При этом в правой части полости цилиндра 6 воздух будет сжиматься поршнем 5, и давление воздуха, по мере приближения поршня к мертвой точке, будет возрастать. При достижении валом 2 угла α=70° поршень 5 окажется на расстоянии 0,96 хода, при этом окно 7 начнет освобождаться от прилегающей цилиндрической поверхности поршня (открываться), в результате чего воздух (или продукты горения) из левой части полсти цилиндра 6 будет истекать наружу (в атмосферу), при этом давление в этой части полости упадет, после чего она будет продуваться и заполняться свежим воздухом (фиг.2). На данной фигуре условно показано одно окно 7, однако окон может быть больше, причем все они должны быть расположены по окружности цилиндра.

Затем производят впрыск через устройство 8 (форсунку) топлива, которое соприкасаясь с горячим сжатым воздухом, воспламеняется и начинает гореть. (Если данный двигатель работает с техническим зажиганием, то после впрыска топлива смесь поджигают, например с помощью свечи). Поршень 5 по инерции продолжает двигаться к мертвой точке, еще больше освобождая окно 7. Образующиеся продукты сгорания давят на указанный поршень, заставляя его двигаться после прохождения мертвой точки в противоположном направлении. При прохождении валом 2 угла 110°, поршень 5 снова окажется на отметке 0,96 хода, двигаясь уже в обратную сторону, и окно 7 начнет окончательно закрываться, а продувка и наполнение цилиндра свежим воздухом - заканчиваться (фиг.3). При движении поршня вдоль окон происходит его охлаждение потоком наружного воздуха, благодаря чему он не перегревается во время работы двигателя.

Далее свежий воздух в левой части полости цилиндра 6 начнет сжиматься поршнем 5 (фиг.4). Как только поршень окажется около отметки ~ 0,03, окно 7 начнет приоткрываться, выпуская продукты горения из правой части полости цилиндра, давление в ней упадет, и она станет продуваться и наполняться свежим наружным воздухом (фиг.5). Одновременно левой форсункой 8 производят впрыск топлива, которое воспламеняется и начинает гореть. После прохождения валом угла 290° поршень 5 окажется на отметке 0,03 хода. Окно 7 начнет окончательно закрываться, поршень станет сжимать воздух в правой части полости цилиндра 6 (фиг.6). При повороте вала 2 на 390° описанный цикл повторится. При этом двигатель не имеет газораспределительного механизма, что значительно упрощает его конструкцию и снижает его массу.

Если поршень 5 соединить с другой стороны вторым штоком 4 и кинематически связать последний через кривошип 1 со вторым валом отбора мощности (фиг.7), то к двигателю может быть подключен еще один потребитель, в качестве которого можно использовать также пропеллер 11 (воздушный винт), который одновременно может стать маховиком двигателя. Поскольку данная система имеет одну степень свободы, то пропеллеры можно закрепить взаимно перпендикулярно и сблизить так, что их траектории вращения будут пересекаться, но при этом они не будут соударяться. В этом случае при запуске двигателя необходимо осуществить вращение валов 2 (пропеллеров 11) в разных направлениях, причем пропеллеры должны быть установлены так, чтобы создаваемые ими воздушные потоки были однонаправленными. Такое сближение пропеллеров увеличивает воздушный поток у широкой части крыльев (ближе к фюзеляжу) и сохраняет достаточно большой поток на краю крыльев, что повышает подъемную силу летательного аппарата. Если пропеллер работает в горизонтальной плоскости, то летательный аппарат может осуществлять вертикальный подъем, стоя, например на хвостовом оперении. Аналогичным образом можно осуществлять вертикальный спуск летательного аппарата, делая для этого силу тяги, создаваемую пропеллером, чуть меньше силы тяжести, действующей на указанный летательный аппарат.

Если цилиндры двигателя снабдить клапанами 9, 10, то можно периодически поочередно использовать цилиндропоршневую группу каждого цилиндра в качестве нагнетателя воздуха (компрессора), например для подачи топлива (фиг.8). Предположим, что поршень верхнего цилиндра движется влево и сжимает воздух, а поршень нижнего цилиндра идет вправо и находится на отметке 0,03 хода и начинает закрывать окно 7 цилиндра. После полного закрывания этого окна открывают клапаны 9, 10 соответственно у верхнего и нижнего цилиндров. Поскольку давление воздуха в полости верхнего цилиндра больше, чем в полости нижнего, то воздух из верхнего цилиндра устремляется в нижний, поршни продолжают движение. При достижении верхнем поршнем левой мертвой точки, указанные клапаны закрывают, нижний поршень в этот момент окажется около середины и будет продолжать движение, далее сжимая воздух. В верхнем цилиндре поршень начнет обратное движение, закончатся продувка и заполнение воздухом его правой части полости, и поршень станет сжимать в ней воздух. Заметим, что оставшийся в левой крышке верхнего цилиндра сжатый воздух (воздушная подушка) облегчит движение верхнего поршня в обратную сторону. Более того, можно произвести впрыск небольшого количества топлива левой верхней форсункой, чтобы увеличить давление посредством продуктов горения и организовать, тем самым, маломощный рабочий ход, который еще больше облегчит обратный ход верхнего поршня. При подходе нижнего поршня к правой мертвой точке производят впрыск форсункой 8 топлива, в результате чего горючая смесь сгорает, формируя рабочий ход поршня нижнего цилиндра, при этом будут заканчиваться продувка и наполнение воздухом левой его части. После закрывания нижним поршнем окна 7 открывают клапаны 9 и 10 соответственно нижнего и верхнего цилиндров, в результате чего воздух из правой части верхнего цилиндра устремится в левую часть полости правого цилиндра. При достижении верхним поршнем правой мертвой точки закрывают указанные клапаны, поршень нижнего цилиндра будет продолжать сжимать воздух в левой части, и при достижении им угла опережения зажигания производят впрыск топлива левой форсункой 8, организуя, тем самым, рабочий ход поршня. Далее описанный процесс повторяется. Нижний цилиндр будет работать в режиме двигателя, а верхний - в режиме нагнетателя (компрессора). В результате этого в полости нижнего цилиндра будет поступать по объему в два раза больше воздуха, чем обычно. Благодаря этому двигатель сможет также работать в более разреженном воздушном пространстве, чтобы сохранить тепловой режим цилиндров их режим работы периодически можно изменять, т.е. сначала один работает в режиме компрессора, а другой в режиме двигателя, а потом наоборот. Заметим, что режим компрессора можно осуществлять и при наличии только одного цилиндра. Для этого в одну из половин не следует впрыскивать топливо, а использовать сжатый в этой половине воздух в качестве компрессионного, который после открывания дополнительного клапана (не показан) будет истекать из указанной половины. Кроме того, при определенных условиях полета компрессор может работать от вращающегося вследствие авторотации пропеллера от набегающего воздушного потока, что позволит сократить расход топлива.

Для лучшего продувания и заполнения полости цилиндра свежим наружным воздухом нижнюю часть окон размещают в зоне повышенного давления, например под крылом летательного аппарата, их верхнюю часть - в зоне пониженного давления, например над этим крылом.

После включения в работу дополнительного двигателя появляется возможность запуска основного двигателя. Поскольку вал компрессора 13 вращается через муфту 12 (например обгонную), то поступающий в компрессор воздух 14 будет сжиматься и поступать в камеру сгорания 17, в которую одновременно впрыскивают через форсунки 16 топливо и поджигают свечой 15 получившуюся горючую смесь. Продукты горения через турбину 18 будут поступать в сопло 19 и истекать из него, создавая реактивную силу. Обороты турбины (компрессора) будут увеличиваться и, как только, частота ее вращения превысит частоту вращения пропеллера, произойдет изменение числа степени свободы с единицы (когда полумуфты вращались заодно) на два (когда полумуфты будут вращаться с разной угловой скоростью). В результате этого пропеллер будет продолжать вращаться от дополнительного двигателя на относительно низкой частоте, а компрессор (турбина) - на высокой. При этом возможно независимое управление обоими двигателями. Заметим, что при выходе из строя одного из двигателя, другой независимо от него будет продолжать работу. Однако, если вал компрессора по какой-либо причине заклинит, и он перестанет вращаться, то остановится и дополнительный двигатель. Для исключения возможности такой остановки в обгонной муфте предусмотрен предохранительный элемент в виде консольной балки 21 (фиг.10). При разных частотах вращения полумуфт тело 22 качения отходит от заклинивающей поверхности 24, преодолевая усилие пружины 23, позволяя кольцу 20 и валу 25 вращаться относительно друг друга. При срабатывании обгонной муфты тело 22 качения переходит на заклинивающую поверхность 24, и кольцо 20 вращается заодно с валом 25. В случае возрастания передаваемого муфтой крутящего момента больше допустимой величины тело 22 качения продвинется по заклинивающей поверхности 24 консольной балки 21 и, пройдя всю заклинивающую поверхность, и начнет проворачиваться, не препятствуя уже вращению вала 25 относительно кольца 20. Поэтому в случае заклинивания вала компрессора дополнительный двигатель будет продолжать работать.

Внедрение изобретения позволит создать простую, надежную и удобную силовую установку, позволяющую, например беспилотному летательному аппарату при необходимости взлетать и садиться в вертикальном положении, поскольку основной двигатель, создающий реактивную силу тяги, может быть отключен, а поэтому он не будет препятствовать удержанию на земле в вертикальном положении летательного аппарата. Возможность начала полета на дополнительном двигателе сокращает время предполетной подготовки.

Изобретение относится к авиационному двигателестроению и может быть использовано, например, для беспилотного летательного аппарата. Шатун 3 дополнительного двигателя через кривошип 1 приводит во вращение вал 2 с пропеллером 11 (создающим силу тяги от отбрасываемого воздуха) и через обгонную муфту 12 - компрессор 13, нагнетающий воздух 14 в камеру сгорания 17, в которую одновременно впрыскивают через форсунки 16 топливо и поджигают свечой 15 получившуюся горючую смесь. Продукты горения через турбину 18 поступают в сопло 19 и истекают из него, создавая реактивную силу тяги. Обороты турбины (компрессора) будут увеличиваться и после превышения частоты вращения пропеллера произойдет расцепление муфты. В результате этого пропеллер будет продолжать вращаться от дополнительного двигателя на относительно низкой частоте, а турбина - на высокой. При этом возможно независимое управление обоими двигателями. Техническим результатом является упрощение конструкции, повышение ее надежности и улучшение эксплуатационных характеристик. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ работы силовой установки летательного аппарата, включающий создание реактивной и отбрасываемой воздушным винтом сил тяги посредством двигателей с вращающимися валами соответственно основного и дополнительного, причем последний кинематически связан с воздушным винтом, отличающийся тем, что обеспечивают автономную, независимую друг от друга работу двигателей, при этом их валы соединяют в кинематическую цепь с изменяющимся числом степеней свободы, а в качестве воздушного винта используют пропеллер, которым и повышают подъемную силу летательного аппарата.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что число степеней свободы кинематической цепи изменяют путем обгонной муфты, полумуфты которой жестко соединяют с валами двигателей.

3. Способ по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что муфту выполняют заодно с предохранительным элементом, который делают в виде консольной балки с поджатым пружиной телом качения к ее заклинивающей поверхности.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что запуск основного двигателя осуществляют с помощью дополнительного двигателя.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный двигатель используют и в качестве компрессора путем периодического поочередного использования цилиндропоршневой группы каждого цилиндра в качестве нагнетателя воздуха.

6. Способ по любому из пп. 1, 5, отличающийся тем, что компрессор используют для подачи топлива по крайней мере в основной двигатель.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что запуск дополнительного двигателя осуществляют путем вращения воздушного винта.

8. Способ по любому из пп. 1, 7, отличающийся тем, что запуск дополнительного двигателя осуществляют путем вращения воздушного винта в горизонтальной плоскости.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного двигателя используют двигатель внутреннего сгорания.