Воздухотурбинная установка для самолетов

Воздухотурбинная установка для самолетов

Реферат

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.

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.