Способ работы сверхзвуковой комбинированной воздушно-космической реактивной силовой установки

Способ работы сверхзвуковой комбинированной воздушно-космической реактивной силовой установки заключается в динамическом сжатии воздушного потока во входном устройстве, дожатии его компрессором, приводимым во вращение двигателем, подаче сжатого воздуха в камеру сгорания, его турбулизации с подводом к нему тепла и расширении продуктов сгорания в реактивном сопле. Воздушный поток из входного устройства разделяют на 3 потока, проходящие по трем контурам, образуемым пустотелой трехступенчатой осью, являющейся несущей конструкцией, работающим как самостоятельные двигатели и в комплексе. Воздушные потоки первого и второго контуров дожимают компрессорами низкого и высокого давления последовательно и параллельно, приводимыми во вращение электрическими синхронными машинами. Число оборотов синхронных машин регулируется частотой подводимого напряжения, их подвижные части, создающие возбуждение, выполнены в виде постоянных магнитов и совмещены с роторами компрессоров. Неподвижные части являются токонесущими и выполняются в виде полесоздающих высокопроводящих обмоток, запитанных от электрического напряжения. В третьем контуре создают динамическое сжатие третьего воздушного потока, питающего магнитогазодинамическую систему, состоящую из плазменного ускорителя и электрогенератора. Затем все три газовых потока подают в камеру сгорания и производят при этом восполнение запасов электроэнергии. Изобретение направлено на повышение КПД установки, улучшение экологических параметров и универсальных тяговых характеристик при взлете, полете, торможении при возвращении установки в плотные слои атмосферы. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроению, а именно к способам работы авиационных силовых установок сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) и может найти применение в двигателестроении, а именно в авиационных комбинированных воздушно-космических реактивных силовых установках.

Известен способ работы сверхзвуковой комбинированной воздушно-космической реактивной силовой установки, состоящей из турбореактивного двухконтурного и прямоточного двигателей, путем динамического сжатия воздуха во входном устройстве, дожатия его компрессором, приводимым во вращение двигателем, подачи сжатого воздуха в форсажную камеру, его турбулизации с подводом к нему тепла и расширении продуктов сгорания в реактивном сопле, причем часть сжатого воздуха подают во впускной коллектор приводного двигателя, т.е. турбины (Курзинер Р.И. Реактивные двигатели для больших сверхзвуковых скоростей полета. М. Машиностроение, 1989. С.162-163).

Недостатками способа является невысокий КПД установки на дозвуковых скоростях, при взлете и посадке из-за низкой экономичности турбоагрегата, а также низкая динамика транспортного средства, как на дозвуковых, так и на сверхзвуковых скоростях полета.

Наиболее близким является способ работы сверхзвуковой комбинированной воздушно-космической реактивной силовой установки, включающий динамическое сжатие воздушного потока во входном устройстве, дожатие его компрессором, приводимым во вращение двигателем, подачу сжатого воздуха в камеру сгорания, его турбулизацию с подводом к нему тепла и расширении продуктов сгорания в реактивном сопле, при этом воздушные потоки первого и второго контуров дожимаются компрессорами низкого и высокого давления последовательно и параллельно, приводимыми во вращение электрическими синхронными машинами, число оборотов которых регулируется частотой подводимого напряжения, магнитогазодинамическую систему, состоящую из плазменного ускорителя и электрогенератора патент FR 2100530.

Недостатком прототипа является использование конструкции на основе центрального вала, отсутствие центрального третьего канала для эффективной работы прямоточного двигателя. Не предусмотрена работа синхронных машин в режиме генератора. Нет устройства для направления холодного воздушного потока под углом к направлению движения, что не способствует быстрому взлету и эффективному торможению. Отсутствие высокопроводящих обмоток, постоянных магнитов в роторных частях электрических синхронных машин, наличие скользящих контактов, значительный вес электродвигателей и всей установки, т.к. не использовано объединение роторов компрессоров и электрических машин.

Техническим результатом изобретения является увеличение КПД на дозвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях и возможность рулежки, взлета и приземления на холодном потоке, включая вертикальный при установке на ЛА двигателей не менее трех и разнесенных по длине аппарата в виде треугольника.

Технический результат достигается тем, что в способе работы сверхзвуковой комбинированной воздушно-космической реактивной силовой установки, включающем динамическое сжатие воздушного потока во входном устройстве, дожатие его компрессором, приводимым во вращение двигателем, подачу сжатого воздуха в камеру сгорания, его турбулизацию с подводом к нему тепла и расширение продуктов сгорания в реактивном сопле, введены следующие отличия: в отличие от известного, воздушный поток из входного устройства разделяют на три потока, проходящие по трем контурам, образуемым трехступенчатой осью, являющейся несущей конструкцией, работающим как самостоятельные двигатели и в комплексе, при этом воздушные потоки первого и второго контуров дожимают компрессорами низкого и высокого давления последовательно и параллельно, приводимыми во вращение электрическими синхронными машинами, число оборотов которых регулируется частотой подводимого напряжения, подвижные части которых, создающие возбуждение, выполнены в виде постоянных магнитов, получаемых методами порошковой металлургии, например соединениями стронция, патент RU 2256534, и совмещены с роторами компрессоров, а неподвижные части являются токонесущими и выполняются в виде полесоздающих высокопроводящих, запитанных от электрического напряжения, в третьем контуре создают динамическое сжатие третьего воздушного потока, питающего магнитогазодинамическую систему, состоящую из плазменного ускорителя и электрогенератора, затем все три потока сжатого воздуха подают в камеру сгорания, при этом производят восполнение запасов электроэнергии.

На чертеже изображена схема воздушно-космической реактивной установки, в которой реализуется предложенный способ.

Способ осуществляется следующим образом.

Во время работы силовой установки воздушный поток, динамически сжатый во входном устройстве, разделяют на три потока I, II, III, проходящие по трем контурам, образуемым трехступенчатой осью, выполняющей роль несущей конструкции, жестко связанной с корпусом двигателя во входном устройстве, между компрессорами и за компрессором высокого давления. Все три контура работают как самостоятельные двигатели или в комплексе. Первый контур используется при передвижении по взлетной полосе, при взлете и посадке, включая вертикальные, при полете на дозвуковых скоростях, второй контур - при взлете посадке, включая вертикальные на скоростях 0,7-7 М, третий контур - на скоростях 5-25 М.

Первый воздушный поток I дожимают компрессором низкого давления 1, приводимым во вращение электрическим двигателем (синхронной машиной) 2. Компрессор низкого давления служит двигателем при рулежке на взлетной полосе, при взлете, при полете на дозвуковых скоростях, тормозным устройством при снижении и после приземления и как источник электроэнергии вместе с синхронной машиной на скоростях полета выше звуковых при работе II, III каналов, используя энергию первого воздушного потока. Синхронная машина может работать с сетью ЛА с изменением знака скольжения электрического поля или без сети на зарядку аккумуляторов при превышении давления встречного воздушного потока на входе компрессора над давлением на выходе, что может достигаться и регулированием частоты подводимого напряжения и скорости вращения компрессора.

Второй воздушный поток II дожимают компрессором низкого давления 1 и компрессором высокого давления 3, приводимыми во вращение электрическими двигателями 4. Компрессор высокого давления служит для нагнетания воздушной смеси при взлете и посадке, при полете на звуковых и сверхзвуковых скоростях и также вместе с электродвигателем КВД переходит в режим электрогенератора при торможении и при работе третьего канала на гиперзвуковых скоростях, используя энергию первого и второго воздушных потоков, аналогично агрегату КНД электрических машин.

Число оборотов электрических синхронных машин - 4 регулируется частотой подводимого напряжения или давлением воздушного потока в генераторном режиме.

Подвижные части двигателей снабжены постоянными магнитами, выполняющими роль обмоток возбуждения синхронных электрических машин и совмещенных с корпусами роторов компрессоров низкого и высокого давлений.

В третьем контуре происходит динамическое сжатие третьего воздушного потока, питающего магнитогазодинамическую систему 6, состоящую из плазменного ускорителя и электрогенератора.

Затем все три потока сжатого воздуха поступают в камеру сгорания, где происходит турбулизация с подводом к нему тепла, и далее в общее сопло.

Третий контур эффективно образуется воздушным потоком III на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях через входное устройство, центральный канал пустотелой осевой несущей конструкции, МГД систему 6 и камеру сгорания, в которой можно использовать любые современные ускорители газового потока, например реактивные 13, кроме этого, способ предусматривает использование дополнительных источников электроэнергии например полимерно-электролитных топливных водородных элементов 12, преобразователей тепловой и лучевой энергии в электрическую, устанавливаемых как в камере сгорания 8, так и на поверхности ЛА, МГД систему также используют как источник электроэнергии.

Использование в данном способе работы трехступенчатой оси 14 позволяет плавно загрузить каждый контур в зависимости от скорости полета от 0 до 25 М и работать с предельным КПД.

Наличие трехступенчатой несущей конструкции позволяет направлять холодные воздушные потоки I и II с помощью системы створок и клапанов 9 под любым углом от 0 до 360° к направлению полета ЛА, кроме того, размещение токонесущих элементов 10 электрических синхронных машин на неподвижной оси позволяет исполнять их в виде высокопроводящих, например газово-лазерных. Глубокое регулирование скоростей обеих электрических машин обеспечивают изменением частоты питающего напряжения в широких пределах, например от 0 до 400 Гц, с помощью преобразователей частоты или генераторов. Для повышения КПД второго контура предусмотрено разделение двигателя КВД, например, на три независимых: 1^-ый двигатель для вращения I-III ступеней, 2^ой - для IV-IX ступеней, 3^ий - для X-XII, XIII и т.д. ступеней, что позволяет изменять скорость вращения по ступеням, или на два: 1^-ый из них винтовой, второй центробежный ступенчатый. Для снижения шума при взлете и посадке ЛА роторы КНД и КВД заключены в магнитные подшипники. Использование тепловых и лучевых преобразователей 7 энергии в электрическую и других устройств для восполнения запасов электроэнергии, а также источников реактивной струи создает необходимый потенциал для ныряющих тормозных маневров ЛА при вхождении в плотные слои атмосферы. Применение ионизатора 11 повышает КПД II и III контуров. В генераторных режимах при превышении давления на входе компрессоров над давлением на выходе регулируется скорость вращения компрессоров частотой подводимого электрического напряжения, электрическая машина переходит в режим генератора автоматически, т.е. магнитное поле ротора опережает электромагнитное поле статора, при работе без электрических переключении. При отключении электрической машины от источника напряжения энергия воздушных потоков, вращающих компрессоры и электрические машины, направлена на восполнение запасов электроэнергии через подзарядку аккумуляторов (Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины).

1. Способ работы сверхзвуковой комбинированной воздушно-космической реактивной силовой установки, включающий динамическое сжатие воздушного потока во входном устройстве, дожатие его компрессором, приводимым во вращение двигателями, подачу сжатого воздуха в камеру сгорания, его турбулизацию с подводом к нему тепла и расширение продуктов сгорания в реактивном сопле, отличающийся тем, что воздушный поток из входного устройства разделяют на 3 потока, проходящие по трем контурам, образуемым пустотелой трехступенчатой осью, являющейся несущей конструкцией, работающим как самостоятельные двигатели и в комплексе, при этом воздушные потоки первого и второго контуров дожимают компрессорами низкого и высокого давления последовательно и параллельно, приводимыми во вращение электрическими синхронными машинами, число оборотов которых регулируется частотой подводимого напряжения, подвижные части которых, создающие возбуждение, выполнены в виде постоянных магнитов и совмещены с роторами компрессоров, а неподвижные части являются токонесущими и выполняются в виде полесоздающих высокопроводящих обмоток, запитанных от электрического напряжения, в третьем контуре создают динамическое сжатие третьего воздушного потока, питающего магнитогазодинамическую систему, состоящую из плазменного ускорителя и электрогенератора, затем все три газовых потока подают в камеру сгорания, при этом производят восполнение запасов электроэнергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для восполнения запасов электроэнергии установка дополнительно снабжена преобразователями тепловой и лучевой энергии в электрическую.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что восполнение запасов электроэнергии установки производят с помощью электрических синхронных машин обоих компрессоров путем перевода их в режим генератора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что восполнение запасов электроэнергии производится с помощью топливных водородных элементов и магнитогазодинамической системы.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый контур используется при передвижении по взлетной полосе, при взлете и посадке, включая вертикальные, при полете на дозвуковых скоростях, второй контур - при взлете, включая вертикальный и на скоростях 0,7-7 М, третий контур - на скоростях 5-25 М.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что трехступенчатая ось и система створок и клапанов позволяет направлять холодные воздушные потоки, нагнетаемые компрессорами под любым углом от 0 до 360° к направлению полета, а также при маневрах по защите от ракет, наводимых на источник тепла.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для снижения шума роторы компрессоров заключены в магнитные подшипники.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что двигатель для вращения компрессора высокого давления разделен на независимые части для изменения скорости вращения по ступеням.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что компрессор высокого давления разделен на две части: 1-я - низкоскоростной винтовой компрессор и 2-я - высокоскоростной центробежный компрессор.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что на трехступенчатой оси установлены интенсификаторы сгорания топлива, например реактивные или полимерно-электролитные топливные водородные элементы.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что неподвижные токонесущие элементы электрических машин выполнены высокопроводящими, например, в виде газовых трубок-струй с лазерным электрическим пробоем (ионизацией).