| WO/2009/059608 | AUTONOMIC ROTOR SYSTEM FOR AN AIRCRAFT |
| JP04008699 | AIR JET ROTARY WING AIRCRAFT |
| WO/2008/132315 | ROTARY SEAL |
| ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Лопасть реактивного вертолета, имеющая консольную часть, комель, и отверстия в нем для входа воздуха, содержащая прямоточный воздушно-реактивный двигатель центробежного нагнетания воздуха, включающий в себя воздуховод, выполненный протяженным в радиальном направлении, топливовоздушный смеситель, камеру сгорания и реактивное сопло с выходным отверстием в упомянутой консольной части, последовательно сообщенные между собой, а также топливопровод для сжиженного топлива и испаритель, подключенный к нему, а затем - к упомянутому смесителю, в котором упомянутый испаритель выполнен с возможностью теплообмена с указанным воздуховодом. 2. Лопасть по п.1 , в которой упомянутый испаритель снабжен ребрами для увеличения поверхности теплопередачи. 3. Лопасть по п.1 , в которой упомянутое сопло представляет собой сопло Л аваля. 4. Лопасть по п.1 , в которой упомянутый испаритель размещен внутри упомянутого воздуховода. 5. Лопасть по п.1 , в которой топливопровод выполнен протяженным в радиальном направлении и снабжен, по меньшей мере, двумя форсунками для впрыска топлива в упомянутый испаритель. 6. Движитель реактивного вертолета, содержащий, по меньшей мере, одну лопасть, установленную на валу вертолета, включающий в себя входное устройство и воздуховод прямоточного воздушно-реактивного двигателя центробежного нагнетания воздуха, последовательно расположенного за входным устройством, камеру сгорания и реактивное сопло на консольной части лопасти, отличающийся тем, что входное отверстие прямоточного воздушно-реактивного движителя центробежного нагнетания - 8 - ИСПРАВЛЕННЫЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 91) воздуха расположено на комле лопасти, в которой по всей ее длине выполнен сквозной канал, являющийся продолжением входного отверстия двигателя и выполняющий функцию радиального воздуховода центробежного нагнетания, причем прямоточный воздушно-реактивный движитель центробежного нагнетания воздуха снабжен испарителем криогенного топлива, расположенным в сквозном канале лопасти по всей его длине. 7. Движитель по п.6, в котором испаритель криогенного топлива выполнен из алюминиевого сплава за одно целое с лонжероном лопасти. - 9 - ИСПРАВЛЕННЫЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 91) |
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к реактивным движительным устройствам, и предназначена для выполнения воздушного полета, преимущественно вертолетов и конвертопланов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), в котором для сжигания горючего используют кислород воздуха, который сжимают скоростным напором («Политехнический словарь». /Под ред. академика А.Ю. Ишлинского, изд.
«Советская энциклопедия», Москва, 1980 г., стр.420). Упомянутый двигатель
недостаточно эффективен при работе на низких оборотах (при низком скоростном напоре).
Известен прямоточно-центробежный воздушно-реактивный двигатель,
установленный на конце лопасти несущего винта вертолета или с радиальным смещением относительно вала, в сжатие воздуха осуществляют в две ступени, вначале за счет скоростного напора при движении упомянутого двигателя по окружности вместе с упомянутой лопастью, а затем за счет отклонения потока воздуха из первой ступени в радиальном направлении для его (потока) торможения центробежными силами перед камерой сгорания, в которой сжигание горючего производят в сжатом воздухе в камере сгорания, а продукты сгорания направляют в реактивное сопло для создания реактивной тяги (см. патент РФ N° 2276739). В обычном диапазоне скоростей вращения лопастей двухступенчатый адиабатический процесс сжатия не обеспечивает удовлетворительной эффективности двигателя. Кроме того при поступательном движении вертолета, из-за разностей скорости воздуха между наступающими и отступающими лопастями, при работе подобного двигателя возникают вредные пульсации. Необходимость борьбы с пульсацией приводит к увеличению расхода топлива для стабилизации курса. РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для определенности терминам и выражения, используемым в настоящем тексте придают следующее значение и объем.
«Сжиженное топливо» (для краткости - «топливо») - означает топливо на основе горючих материалов, имеющих жидкую форму при низкой температуре, например, сжиженный природный газ или сжиженная пропан-бутановая смесь. «Испаритель» - теплообменник, обеспечивающий испарение топлива. «Входное устройство» - совокупность входных отверстий и воздуховодов. «Топливовоздушный смеситель» - топливный газовоздушный смеситель, в котором осуществляется смешивание
газифицированного топлива с воздухом перед поступлением в жаровую камеру.
Остальные термины и выражения используются в значении, которое известно специалистам в данной области.
Задача изобретения состоит в том, чтобы повысить эффективность работы двигателя за счет преобразования энергии, выделяющейся при газификации сжиженного топлива, в полезную работу, и в том, чтобы увеличить степень сжатия воздуха на входе в камеру сгорания и устранить пульсации, обусловленные работой двигателя.
Поставленная задача решена благодаря тому, что лопасть реактивного вертолета, имеющая консольную часть, комель, и отверстия в нем для входа воздуха, содержит прямоточный воздушно-реактивный двигатель центробежного нагнетания воздуха, включающий в себя воздуховод, вьшолненный протяженным в радиальном направлении, топливовоздушный смеситель, камеру сгорания и реактивное сопло с выходным отверстием в упомянутой консольной части, последовательно сообщенные между собой, а также топливопровод для сжиженного топлива и испаритель, подключенный к нему, а затем - к упомянутому смесителю, в котором упомянутый испаритель выполнен с возможностью теплообмена с указанным воздуховодом. В частной форме воплощения испаритель снабжен ребрами для увеличения поверхности теплопередачи.
В одной частной форме воплощения упомянутое сопло представляет собой сопло Лаваля.
В еще одной частной форме воплощения упомянутый испаритель размещен внутри упомянутого воздуховода.
В другой частной форме воплощения топливопровод выполнен протяженным в радиальном направлении и снабжен, по меньшей мере, двумя форсунками для впрыска топлива в упомянутый испаритель.
Поставленная задача также решена благодаря тому, что движитель реактивного вертолета, содержащий, по меньшей мере, одну лопасть, установленную на валу вертолета, включающий в себя входное устройство и воздуховод прямоточного воздушно- реактивного двигателя центробежного нагнетания воздуха, последовательно
расположенного за входным устройством, камеру сгорания и реактивное сопло на консольной части лопасти, отличающийся тем, что входное отверстие прямоточного воздушно-реактивного движителя центробежного нагнетания воздуха расположено на комле лопасти, в которой по всей ее длине выполнен сквозной канал, являющийся продолжением входного отверстия двигателя и выполняющий функцию радиального воздуховода центробежного нагнетания, причем прямоточный воздушно-реактивный движитель центробежного нагнетания воздуха снабжен испарителем криогенного топлива, расположенным в сквозном канале лопасти по всей его длине.
В частной форме воплощения испаритель криогенного топлива выполнен из алюминиевого сплава за одно целое с лонжероном лопасти.
Как будет понятно специалисту в данной области техники, поставленные задачи решаются за счет центробежного сжатия воздуха при движении движителя по окружности в изотермическим условиях, а также за счет того, что впрыскивание топлива в испаритель и его газификация избытком тепловой энергии сжимаемого потока воздуха увеличивает давление в испарителе одновременно с его (потока) охлаждением. Повышение давления газифицированного топлива, относительно давления воздуха, позволяет устранить эффект перетекания в области смесителя перед жаровой камерой сгорания, который обусловлен тем что молекулярные веса сжимаемого газифицированного топлива и воздуха заметно различаются. Значительная протяженность отверстий для входа воздуха и их
расположение в зоне малых аэродинамических возмущений заметно снижает вероятность возникновения пульсаций в процессе работы движителя.
Сущность вышеописанного технического решения наглядно иллюстрируется фигурами чертежей 1-4 на примере конкретных вариантов воплощения изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фигуре 1 схематично изображен продольный разрез лопасти.
На фигуре 2 и 3 схематично изображено поперечное сечение лопасти А- А.
На фигуре 4 слева показана консольная часть лопасти, справа показана
схематичный разрез консольной части лопасти в укрупненном виде.
На фигурах 6, 7 и 8 показаны графики зависимости степени сжатия в
изотермическом и адиабатическом процессах при различной температуре входящего воздуха.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Нижеследующие примеры даются только для иллюстрации общей концепции изобретения. Ничто в настоящем разделе описания не должно быть истолковано как ограничение объема притязаний.
Прямоточный воздушно реактивный движитель вертолета центробежного нагнетания состоит из лопасти 1, комель 2 которой, является началом входного устройства (далее - «ВУ ») двигателя. Вначале ВУ на комле лопасти, закреплена трубка подачи криогенного топлива 3 с форсункой 4, которые выполняют функцию
центробежного насоса и распылителя жидкого топлива, поступающего в теплообменный испаритель криогенного топлива 5 с радиаторными пластинами для улучшения
теплообмена с воздухом, имеющий герметично закрытое начало. Теплообменный испаритель топлива выполнен в виде силового элемента лопасти, лонжерона,
расположенного внутри канала входного устройства 6, по всей длине лопасти.
Металлическая консольная часть лопасти 7 выполнена пустотелой и состоит из
продолжения ВУ 8, газохода газообразного топлива 9 и двигателя 10, который выполнен в виде камеры сгорания воздушно-реактивного двигателя. Двигатель состоит из: корпуса 10.1, теплового экрана 10.2, топливного газовоздушного смесителя 10.3, жаровой камеры 10.4, вначале которой, по направлению газового потока, закреплена дуговая свеча стартового воспламенения (10.5). (Высоковольтный электрический провод свечи стартового воспламенения, не указан на фигуре, так как это не является
основополагающим условием, и его расположение в лопасти, зависит от конструкторского решения). Жаровая камера двигателя, выполнена в форме сопла Лаваля, для
максимального использования принципа реактивного движения. На приведенных чертежах в разрезе по линии оси движителя показано осуществление способа создания реактивной тяги на примере соответствующего устройства, в виде прямоточного воздушно-реактивного движителя вертолета центробежного нагнетания воздуха.
Стрелками на чертеже показано направление движения воздуха, топлива, продуктов сгорания, и направление движения самого движителя вокруг оси крепления к вертолету.
Прямоточный воздушно-реактивный движитель вертолета центробежного нагнетания работает следующим образом: Под действием центробежных сил, возникающих при вращении лопасти, воздух, поступающий во входное отверстие комля 2 лопасти 1 , закрепленной на валу вертолета, устремляется в канал входного устройства 6 двигателя, где по пути следования он охлаждается теплообменным испарителем 5, в который через топливную трубку 3 и форсунку 4 подается криогенное топливо. При кипении топливо, впрыскиваемое в испаритель через форсунки, отводит от сжимаемого воздуха избыток теплоты в количестве примерно равном работе, затраченной на его сжатие, тем самым создавая изотермические условия центробежного сжатия воздуха. Длина испарителя и
расположение форсунок для впрыска топлива в испаритель выбираются соответствующим образом. Сжатие воздуха в изотермических условиях позволяет поддерживать
постоянную объемную плотность воздуха и высокую степень компрессии, не достижимую при адиабатическом сжатии из-за уменьшения объемной плотности воздуха с ростом температуры. Изотермическое сжатие воздуха способствует получению высокого коэффициента сжатия во входном устройстве. Мелкая перфорация в начальной части жаровой камеры, способствует лучшему перемешиванию газо-воздушной смеси, стабилизации горения и препятствует попаданию пламени в полость перед жаровой камерой. Сжигание горючего газа происходит в сжатом воздухе в жаровой камере, а продукты сгорания направляются в реактивное сопло для создания реактивной тяги, необходимой для вращения движителя. Движитель же, вращаясь под действием реактивной силы, создает подъемную силу необходимую для полета вертолета, и условия работы устройства в целом. Наружные металлические поверхности консольной части лопасти эффективно охлаждаются встречным потоком воздуха.
Как показывает теоретический расчет для идеального центробежного канального нагнетателя (с КПД = 1, радиус винта 2,871 м, коэффициент винта 1,4, расстояние по радиусу на второй точке параметров 2,5 м, расстояние по радиусу на первой точке параметров 0,25 м), при температуре входящего воздуха (ТВВ) 223 К, окружной скорости вращения лопасти в первой и второй точке параметров 25 и 250 м/с, замена
адиабатического процесса сжатия воздуха изотермическим позволяет увеличить степень сжатия на 12,0%, а при окружной скорости в первой и второй точке параметров 40 и - на 82,8%. При температуре воздуха 273 К, указанные параметры составляют 8,1% и 53,1%, соответственно, а при температуре 323 К - 5,8 и 37,3. То есть, преимущества
изотермического сжатия воздуха сравнительно с адиабатным не так заметны при высоких температурах входящего воздуха (ср. фигуры 6, 7 и 8, где ПИизт - степень сжатия при изотермическом процессе, ПИад - степень сжатия при адиабатном процессе, ПИизт/ПИад - отношение указанных величин), но по мере повышения давления в компрессоре (то есть работы на сжатие воздуха и окружной скорости V2) проявляются в полной степени.
Замена адиабатного процесса сжатия воздуха изотермическим и размещение входного отверстия для воздуха в комле лопасти, позволяют снизить отношение расхода топлива к подъемной силе (повышение экономичности). Кроме того, при таком расположении отверстий практически не наблюдаются пульсации, что позволяет повысить надежности его (двигателя) работы.
Также обеспечивается повышение импульса продуктов сгорания при истечении через реактивное сопло и, как следствие, увеличение реактивной тяги. Это приводит к повышению КПД и эффективности работы движителя в целом.
Должно быть понятно, что средний специалист может использовать главные отличительные особенности настоящего изобретения и внести эквивалентные замены с достижением поставленной технической задачи; такие замены включены в объем охраны согласно нижеприведенной формуле изобретения.