Твердотопливный воздухотурбинный двигатель для самолетов

Изобретение относится к двигателям для самолетов. Твердотопливный воздухотурбинный двигатель содержит поршневой многоцилиндровый компрессор изотермического сжатия воздуха, приводимый в действие электродвигателями, спиральный нагреватель (теплообменник) с возможностью подключения баллонов со сжатым воздухом, имеющий теплозащиту, вход которого по воздуху соединен с выходом компрессора и который соединен с трубой подачи продуктов сгорания в печи, идущей в туннель между витками трубы на встречных направлениях со сжатым воздухом, а выход по воздуху связан со входом в воздушную турбину, которая вращает воздушный винт и электрогенератор, обеспечивающий работу электродвигателей компрессора, выход мятого рабочего тела из турбины соединен двумя трубами с входом в печь, а выход из туннеля продуктов сгорания угля, отдавших тепло рабочему телу, соединен с атмосферой. Изобретение позволяет упростить конструкцию и эксплуатацию двигателя. 1 ил.

 

Двигатель предназначен в качестве силовой установки на военных и транспортных самолетах, для работы которой используется самое дешевое твердое топливо - каменный уголь. Двигатель пригоден только для самолетов, оборудованных воздушным винтом, что позволяет более экономно использовать механическую энергию воздушной турбины для работы воздушного винта и получения тяги самолета. Газотурбинные и турбовинтовые установки на самолетах расходуют много жидкого топлива (керосина) для осуществления полета и не безопасны при отказе двигателей в полете и при осуществлении аварийных посадок.

Силовая установка, работающая на каменном угле, исключает возгорание в полете двигателя и безопасна при аварийных посадках, исключаются взрывы самолетов и их пожары на земле, что делает самолет абсолютно надежным в сохранении жизни членов экипажа и пассажиров.

В военной авиации эта силовая установка делает самолет бесшумным, а при обработке самолета по технологии «Стелла» делает его и не видимым радарами. В итоге самолет днем в облаках и ночью не видим органами зрения, не слышим органами слуха и не видим радарами, что обеспечит поражение целей на территории противника в указанных выше условиях внезапно, что ведет к 100% их уничтожению. Он может летать на бреющем полете, что тоже обеспечивает внезапность поражения противника, так как трудно его своевременно обнаружить.

Предлагаемый двигатель проще в конструктивном исполнении, эксплуатации и обеспечивает повышение КПД. Самолеты с данной установкой особенно подходят для районов, где много дешевого твердого топлива, в РФ это Сибирь.

Раскрытие изобретения

Двигатель имеет бортовой компрессор изотермического сжатия воздуха, спиральный нагреватель и печь для сжигания угля и направления продуктов их сгорания в спиральный нагреватель в туннель между витками спирали для нагрева рабочего тела на встречных направлениях с незначительным перепадом температур между потоками, движущимися навстречу друг другу. Небольшой перепад температур увеличит КПД, но и увеличит размер спирального нагревателя.

При этом важен выбор холодного источника, а на самолете их два: встречный поток воздуха для обдува изотермических цилиндров или трубочки в фюзеляже и крыльях с жидкостью для охлаждения цилиндров (с помощью перекачивающего насоса) и выбор материалов для изготовления спирального нагревателя и теплоизоляционных материалов для сохранения тепла в спиральном нагревателе и трубах.

Существенными признаками данной силовой установки, использующей твердое топливо (уголь), являются:

- пожарная безопасность при полете и посадке самолета;

- наличие в конструкции двигателя компрессора изотермического сжатия воздуха (рабочего тела) для осуществления первого изотермического процесса - термодинамического цикла, который обеспечит наибольший перепад температур, отдавая тепло атмосферному воздуху;

- наличие спирального нагревателя, где тепло от сгорания угля нагревает сжатый воздух, поступающий из компрессора в него, и нагревается до заданной температуры за счет продуктов сгорания угля в печи;

- нагретое рабочее тело - это сжатый воздух, имеющий высокую температуру, пройдя через турбину, превращает тепловую энергию, заключенную в нем, в механическую энергию, а затем при вращении электрогенератора - в электрическую, и основную долю энергии - на вращение воздушного винта. Двигатель может работать на торфе, древесных чурках, но температура нагрева рабочего тела будет меньше, КПД меньше и скорость полета самолета будет тоже меньше, а равно и коммерческая нагрузка.

Краткое описание чертежа

Чертеж состоит из следующих частей.

- Верхняя часть: турбина 17, электрогенератор 18, камера 16 поступления рабочего тела из спирального нагревателя перед входом в турбину, трубы 21 отвода мятого рабочего тела из турбины 17 в печь 13, воздушного винта 20, кабины пилота.

- Средняя часть: с обеих сторон фюзеляжа находится компрессор изотермического сжатия воздуха (рабочего тела), который крепится к раме 1 в ребре атаки крыльев и к фюзеляжу самолета со всеми элементами конструкции компрессора: цилиндры, червяки, электродвигатели и трубопроводы. Электродвигатели 2 служат для приведения в действие червячных передач 3. Червяки 3 предназначены для работы поршневой группы компрессора. Держатели штоков с муфтами 4 служат для обеспечения работы червяков 3 от электродвигателей 2. Цилиндры 5 служат для вмещения воздуха и его сжатия. Штоки 6 цилиндров передают усилия на поршни 7. По трубочкам 8 из атмосферы поступает воздух в цилиндры 5. По трубочкам 9 соединяют большие цилиндры компрессора с трубой 10, по ней сжатый воздух с давлением

5 кг/см² направляют в промежуточную камеру 37, из промежуточной камеры 37 сжатый воздух поступает в компрессор, расположенный в фюзеляже, по трубочкам 38 в цилиндры 40, где он сжимается до давления 25 кг/см² и направляется по трубам 11 в спиральный нагреватель 14. Спиральный нагреватель 14 представляет собой трубу, свитую в спираль в одной плоскости для нагрева в ней рабочего тела продуктами сгорания угля. В спиральный нагреватель сжатый воздух (рабочее тело) поступает по трубе 11 (их две). Труба 11 служит для подачи сжатого воздуха в компрессоре (рабочего тела) в трубу спирального нагревателя, где он нагревается продуктами сгорания твердого топлива в печи 13 до заданной температуры +850-860°С. Вход сжатого воздуха (рабочего тела) из изотермического компрессора с давлением

25 кг/см² в спиральный нагреватель 14 производится по трубе 11. По трубе 30 продукты сгорания угля из печи 13 подают в спиральный нагреватель 14 для нагрева рабочего тела. Печь 13 служит для сжигания угля, торфа, древесных чурок, которые загружают через дверцу 31. Из печи 13 продукты сгорания подают через камеру 34 в туннель 33 спирального нагревателя 14 для нагрева рабочего тела на встречных направлениях с перепадом температуры 20-30°С. Камера 34 поступления продуктов сгорания топлива в спиральный нагреватель 14 для нагрева рабочего тела при движении по туннели и передают рабочему телу в трубе спирали на встречных направлениях. Продукты сгорания, отдав тепло рабочему телу, по трубе 19 выходят в атмосферу с температурой, выше атмосферной на 20-30°С. По трубе 32 сжатый нагретый воздух (рабочее тело) поступает в камеру 16 с заслонкой 39 с калиброванными отверстиями и при открытии заслонки - в турбину 17. Мятое рабочее тело по двум трубам 21 направляется в печь для горения угля в печи, имея положительную температуру выше температуры угля, что улучшает горение угля и повышает КПД термодинамического цикла.

- Нижняя часть чертежа: баллоны со сжатым воздухом 28 служат для запуска двигателя на земле.

Краны 29 открытия баллонов 28 служат для подачи сжатого воздуха из баллонов в систему двигателя для запуска его на земле.

В хвостовой части фюзеляжа смонтирован изотермический компрессор повышения давления с 5 кг/см² до 25 кг/см² (8 цилиндров). Он состоит из цилиндров 40, штоков 41, поршней 42, червячных передач 43 с электродвигателями 44; 45 - крепление цилиндров большого давления 25 кг/см².

На чертеже показаны части самолета для полного восприятия в нем конструктивных элементов двигателя: 23 - лонжероны, 24 - фюзеляж, 25 - стабилизатор, 26 - руль высоты, 27 - руль поворота, 35 - кабина пилота, 36 - элероны.

Осуществление изобретения

Твердотопливный воздухотурбинный двигатель для самолетов состоит из следующих основных частей (см. чертеж):

- изотермического компрессора сжатия воздуха (верхняя часть чертежа) справа и слева фюзеляжа в ребрах атаки крыльев с электродвигателями 2 и червячными передачами 3 для создания давления на поршни 7 с помощью штоков 6, которые сжимают атмосферный воздух в цилиндрах 5 до заданного давления 5 кг/см², и компрессора большого давления (25 кг/см²) в фюзеляже. Из него сжатый воздух направляется в спиральный нагреватель 14;

- спирального нагревателя 14 с теплозащитой для нагрева рабочего тела, двигающегося с периферии к центру, за счет тепла продуктов сгорания твердого топлива в печи (средняя часть чертежа);

- баллонов 28 со сжатым воздухом для запуска турбины 17 путем подключения к трубе 11 спирального нагревателя 14;

- печи 13 для сжигания твердого топлива. Трубы 34 подачи продуктов сгорания угля в туннель 33 между витками спирали трубы спирального нагревателя 14;

- воздушной турбины 17 с электрогенератором 18 при необходимости с редуктором при несоответствии оборотов турбины 17, электрогенератора 18 и воздушного винта 20 изменяемого шага для создания силы тяги тоже с редуктором для уменьшения оборотов винта с целью повышения его КПД.

Работа твердотопливного воздухотурбинного двигателя

1. Растапливаем печь 13, заполненную на определенную величину твердым топливом (углем, торфом, древесными чурками), доведя температуру продуктов сгорания на 30-40°С больше, чем заданная для нагрева рабочего тела +820°С, т.е. надо иметь температуру продуктов сгорания +850-860°С для поступления в турбину 17.

2. Подключаем баллон 28 со сжатым воздухом к трубе спирального нагревателя 14 для подачи его в турбину 17. Она начинает вращаться, работает электрогенератор 18, от которого работают двигатели 2 компрессора, приводя в работу поршни 7 с помощью червячных передач 3, сжатый в компрессоре воздух будет поступать в трубу спирального нагревателя 14, где рабочее тело нагревается от продуктов сгорания угля в печи 13 и поступает в турбину 17, одновременно с вращением электрогенератора 18 вращается воздушный винт 20, имея угол атаки такой, чтобы не создавать силу тяги до начала руления.

3. Отключаем от системы баллоны 28 со сжатым воздухом. Продукты горения от сгорания угля в печи 13 поступают в спиральный нагреватель 14, отдав тепло рабочему телу, покидают нагреватель 14 и выходят в атмосферу через трубу 19. Регулируют параметры работы двигателя (давление, заданную температуру) температурой продуктов сгорания угля в печи 13, поступающих в спиральный нагреватель 14 посредством труб 11. Чтобы получить наивысший КПД, надо поддерживать рабочее давление в системе 25 кг/см² и температуру на входе в турбину 17 в пределах +820-830°С, тогда КПД достигнет своего высшего значения 75%. КПД можно увеличить, направляя мятое рабочее тело по трубам 21 из турбины 17 в печь 13, что увеличит теплотворную способность угля, а равно и КПД двигателя, так как мятое рабочее тело - чистый воздух - имеет повышенную температуру по сравнению с температурой угля.

Цилиндры изотермического компрессора сжатия воздуха длиной до метра изготавливают из нержавеющих металлов (стали, титана), ибо они будут находиться в воздухе или омываться охлаждающей жидкостью и выдерживать давление изнутри 35 - 40 кг/см². Цилиндры должны хорошо отдавать тепло атмосферному воздуху или охлаждающей жидкости при сжатии воздуха.

Электродвигатели 2 имеют концевые выключатели и надежно крепятся к раме 1 в точке 22.

Спиральный нагреватель 14 от тепла при горении твердого топлива в печи 13 выполняют с помощью двух больших дисков и одного маленького, скрепив их болтами: малый диск посредине, в нем отверстие, куда вставляется конец трубы. Диски закрепляют неподвижно, а трубу вокруг дисков изгибают в спираль. Труба выполняется из тугоплавкого металла - стали или титана, диаметром до 5 см, который должен выдерживать нагрев от угля до +1000°С. Печи выдерживают такую же температуру. Труба 30 от печи 13 в центр спирали тоже выполнена из предложенных металлов и должна быть хорошо теплоизолирована, например асбестом. Трубы из турбины в печь легкие, например из алюминия, и должны иметь тоже хорошую теплоизоляцию и небольшой диаметр 4-5 см.

Турбины и электрогенератор выполняют по освоенным технологиям.

Печь 13 должна обеспечивать надежную защиту экипажа и пассажиров от воздействия продуктов сгорания на них. Для этого печь должна сверху иметь раструб, в нем надежную задвижку для засыпания угля вниз для его горения, сверху раструба надежную крышку и снизу с торца печи тоже крышку для извлечения золы после сжигания топлива. Загрузку следует проводить так: открыть верхнюю крышку раструба, насыпать уголь, открыть задвижку - топливо сыпется вниз. Закрыть задвижку, а затем закрыть крышку. Лучше всего раструб вынести вверх за пределы фюзеляжа, обеспечив безопасность.

Двигатель оснащен 8-ю электродвигателями для обеспечения работы изотермических компрессоров мощностью 3,75-4 киловатта каждый. Восемь цилиндров компрессора в крыльях длиной 1 м и диаметром 14 см имеют наружную поверхность 0,44 м² каждый, а общую - 3, 52 м², а также 8 цилиндров компрессора в фюзеляже длиной 1 м каждый и диаметром 6 см имеют наружную поверхность 0,2 м² каждый, а общую 1,6 м². Всего наружная площадь 5,12 м² при перепаде температур внутри цилиндра и снаружи примерно в 10°С во время сжатия обеспечит отвод тепла от сжимаемого внутри воздуха во внешнюю среду.

Целесообразно печь (камеру) установить в центр спирального нагревателя - это удобно и сохранит тепло, которое необходимо для сохранения и превращения его в работу турбины, что сохранит КПД. Необходимо цилиндры с давлением 5 кг/см² в крыле сделать двухстороннего действия, т.е. сверху и снизу - засасывание и сжатие, это облегчит работу электродвигателей компрессора. Установить в промежуточной камере 37 манометр и термометр для контроля работы компрессоров.

Главное - это электродвигатели компрессора, от их надежности зависит благополучный исход полета, ибо компрессор из двух систем (в крыле и фюзеляже) обеспечит надежно работу двигателя, а равно и полет самолета.

Все это - будущее авиации малых высот полета.

Твердотопливный воздухотурбинный двигатель, содержащий поршневой многоцилиндровый компрессор изотермического сжатия воздуха, приводимый в действие электродвигателями, спиральный нагреватель (теплообменник) с возможностью подключения баллонов со сжатым воздухом, имеющий теплозащиту, вход которого по воздуху соединен с выходом компрессора и который соединен с трубой подачи продуктов сгорания в печи, идущей в туннель между витками трубы на встречных направлениях со сжатым воздухом, а выход по воздуху связан со входом в воздушную турбину, которая вращает воздушный винт и электрогенератор, обеспечивающий работу электродвигателей компрессора, выход мятого рабочего тела из которой соединен двумя трубами с входом в печь, а выход из туннеля продуктов сгорания угля, отдавших тепло рабочему телу, соединен с атмосферой.