Полезная модель относится к области авиации, а конкретно к вертолёто-строению и... строению, если быть точным, то это Прямоточный Воздушно Реактивный Движитель Вертолёта

Полезная модель относится к области авиации, а конкретно к вертолёто-строению и конвертопланостроению, если быть точным, то это Прямоточный Воздушно Реактивный Движитель Вертолёта
Центробежного Нагнетания Воздуха.
Устройство предназначено для совершения воздушного полёта реактивного вертолёта и реактивного
конвертоплана.
Использование в конструкции новых принципов позволяет получить:
1.значительное сжатие воздуха на входном устройстве двигателя, что приводит к экономии топлива,
2.Увеличение реактивной тяги двигателя, за счёт истечения газообразных продуктов сгорания через
реактивное сопло двигателя, с более значительным ускорением и массой.
Расположение входного отверстия воздуха движителя в комлевой части лопасти, позволяет избавиться от
вредного явления, такого как пульсация двигателя, что ведёт к экономии топлива и устойчивому режиму
работы его. Это позволяет повышать КПД и эффективность работы движителя, который весьма прост по
устройству и имеет малую массу.
Малое мидельное сечение двигателя на консольной части лопасти, которое обусловлено высокой
производительностью и КПД, создаёт незначительное влияние на режим РСНВ, при авторотации
вертолёта.
Подмена адиабатного процесса сжатия воздуха, на изотермический процесс, позволило увеличить степень
сжатия во-входном устройстве, в несколько крат, (при тех же параметрах окружной скорости переферии
лопасти) что соответственно значительно повысило эффективность движителя в целом.
" В целом" - это потому, что при нагреве лопасти, обтекание его окружающего воздуха, мягко говоря,
улучшаются - снижается Сх профиля лопасти при прежнем Су (!).
Для тех, кто ничего не понял, более подробное описание:
Полезная модель относится к реактивным движительным устройствам, и предназначена для
выполнения воздушного полёта, преимущественно вертолетов и конвертопланов.
Известен прямоточный воздушно-реактивных двигатель (ПВРД), в котором для сжигания горючего
используют кислород воздуха, который сжимают скоростным напором (см. "Политехнический словарь". /Под
ред. академика А.Ю.Ишлинского, изд. "Советская энциклопедия", М., - 1980, стр.420) (1).
Недостатком упомянутого реактивного двигателя, является необходимость достижения большой
скорости движения для эффективного его использования.
Наиболее близким по совокупности признаков с заявленной полезной моделью, является
ПРЯМОТОЧНО-ЦЕНТРОБЕЖНЫЙ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, у которого сжатие воздуха
осуществляют скоростным напором при движении воздушно-реактивного двигателя по окружности вместе с
лопастью, закрепленной на валу несущего винта вертолета. К концу указанной лопасти прикрепляют
упомянутый двигатель, дополнительное сжатие воздуха перед камерой сгорания которого достигается тем,
что применяют размещённую за входным устройством дополнительную камеру сжатия, в которой наряду с
указанным выше первичным сжатием воздуха в связи с его частичным торможением, изменяют
направление движения воздуха, с поворотом его потока в радиальный, относительно оси вращения
воздуховода, для ускорения его потока за счёт центробежных сил, до полного торможения перед
двигателем, и далее в камеру сгорания. Сжигание горючего производят в сжатом воздухе в камере
сгорания, а продукты сгорания направляют в реактивное сопло для создания реактивной тяги (см. патент
РФ 2276739, МПК F02K1/00, 2006.01,) (2).
Недостатком этого двигателя является сжатие воздуха по адиабатному процессу, что при обычной
скорости вращения несущего ротора вертолёта, снижает эффективность использования данного
устройства. Дополнительный недостаток данного устройства является пульсация в работе двигателя,
которая возникает при поступательном движении вертолёта, из-за разностей скорости воздуха на входном
устройстве, при движении наступающего и отступающего положения лопасти.
Этот двигатель не обеспечивает сжатия воздуха, достаточного для его эффективной работы, в связи с
использованием только двух ступенчатого сжатия адиабатного процесса. Пульсация в работе двигателя,
приводит к увеличению расхода топлива, необходимость которого обусловлена стабилизацией его работы.
Предлагаемая полезная модель позволяет получить технический результат, заключающийся в:
1.увеличение сжатия воздуха на входном устройстве, подаваемого в камеру сгорания двигателя 2.
получении газообразного топлива, из жидкого состояния 3. устранении пульсации, в работе двигателя.
Указанный технический результат достигается тем, что сжатие воздуха осуществляется принципом
центробежного сжатия, с вовлечением изотермического процесса, при движении движителя по окружности,
закрепленном на валу вертолёта. Нагрев криогенного топлива впрыскиваемого в теплообменный
испаритель, и как следствие того его вскипания за счёт теплосъёма с воздуха, позволяет получить
изотермический процесс сжатия воздуха и получение дополнительного давление в газовой топливной
магистрали, за счёт расширения криогенного топлива до газообразного состояния. Получение более
высокого давления газового топлива, относительно давления воздуха, необходимо для устранения
эффекта перетекания на участке смесителя перед жаровой камерой сгорания, т.к. при центробежном
сжатии молекулярный вес газа значительно легче воздуха. Нахождение начала входного устройства
двигателя в относительно спокойной зоне малых аэродинамических возмущений, снижает возможность
возникновения пульсации в работе двигателя, а протяжённость входного устройства, ещё более
стабилизирует его работу.
Прямоточный воздушно реактивный движитель вертолёта центробежного нагнетания (ПВРДВЦНВ)
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, имеющем 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 (ВРД).
Двигатель состоит из: корпуса (10.1), теплового экрана (10.2), топливного газо-воздушного 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 вертолёта центробежного нагнетания воздуха (ПВРДВЦНВ). Стрелками на чертеже показано
направление движения воздуха, топлива, продуктов сгорания, и направление движения самого движителя
вокруг оси крепления к вертолёту.
Прямоточный воздушно-реактивный движитель вертолёта центробежного нагнетания работает
следующим образом:
Воздух, поступающий в входное отверстие комля (2) лопасти (1),под действием центробежных сил,
которые возникают при вращении лопасти закреплённой на валу вертолёта, устремляется в канал
входного устройства(6) двигателя, где по пути следования он охлаждается теплообменным испарителем
криогенного топлива, которое обеспечивается вскипанием криогенного топлива, а как следствие
охлаждение стенок криогенного теплообменного испарителя, впрыскиваемого из топливной трубки (3)
форсункой(4) в теплообменный испаритель топлива(5), что и позволяет возникновению условий
изотермического процесса центробежного сжатия воздуха. Длина испарителя позволяет поддерживать
изотермический процесс сжатия по пути всего входного канала, который проходит по всей длине лопасти.
Вовлечение изотермического процесса при центробежном сжатии воздуха, основанного на законе Бойля –
Мариотта, позволяет сохранять условную объёмную плотность воздуха, в отличии от адиабатного
процесса, потому как из-за повышения температуры воздуха при адиабатном процессе сжатия,
уменьшается его условная объёмная плотность в следствии увеличения объёма при нагревании, и как
следствие, уменьшается величина давления при центробежном сжатии воздуха. Изотермический процесс
сжатия воздуха способствует получению высокого коэффициента Pk входного устройства. Закон
сохранения энергии Бернулли, в свою очередь, позволяет аккумулировать тепловую энергию в газовом
топливе, выделенную при теплообмене охлаждаемого воздуха во входном устройстве, что взаимосвязано
способствует экономии тепловой энергии, а как следствие необходимой величины топлива, при химической
реакции сжигания его в камере сгорания двигателя, а конкретно в жаровой камере(10.4). 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, создаёт подъёмную силу необходимую для
полёта вертолёта, и условия работы устройства в целом.
Подмена адиабатного принципа сжатия воздуха на изотермический принцип, повышает давление
воздуха в входном устройстве двигателя, соблюдение закона сохранения энергии, приводит к экономии
топлива, необходимо-достаточного для работы двигателя. Расположение входного отверстия воздуха
движителя в комлевой части лопасти, позволяет избавиться от вредного явления, такого как пульсация
двигателя, что тоже ведёт к экономии топлива и устойчивому режиму работы его.
На основании вышеизложенного, обеспечивается истечение газообразных продуктов сгорания через
реактивное сопло двигателя с более значительным ускорением и массой, и как следствие, увеличение
реактивной тяги двигателя. Это приводит к повышению КПД и эффективности работы движителя в целом, с
применением простейших средств.
Наружные металлические поверхности консольной части лопасти обдуваются встречным воздухом, с
обеспечением возможности охлаждения её.
ВЫПИСКА ИЗ РАСЧЕТА.
Результаты расчета степени повышения давления воздуха в идеальном компрессоре (КПД=1)
канального типа для адиабатного и изотермного процессов сжатия при различных температурах
окружающего воздуха.
Таблица
Степень повышения давления, температура воздуха на выходе нагнетателя ВРДКН схемы б)
Газ
НВВ
Воздух
Rв
R2, м
кв
R1, м
Т, К
V2, м/с
V1, м/с
Н теор
ПИ ад
Т*2 ад, К
ПИ изот1
ПИиз1/ПИад
dT ад
223
150
15
22275,0
1,3933
245,16
1,4161
1,016
22,16
223
175
17,5
30318,8
1,5591
253,17
1,6057
1,030
30,17
223
200
20
39600,0
1,7674
262,40
1,8562
1,050
39,40
223
225
22,5
50118,8
2,0266
272,87
2,1876
1,079
49,87
223
250
25
61875,0
2,3474
284,57
2,6286
1,120
61,57
223
275
27,5
74868,8
2,7423
297,50
3,2201
1,174
74,50
223
300
30
89100,0
3,2270
311,66
4,0216
1,246
88,66
223
350
35
121275,0
4,5440
343,67
6,6474
1,463
120,67
223
400
40
158400,0
6,4956
380,61
11,8710
1,828
157,61
Т, К
V2, м/с
V1, м/с
Н теор
ПИ ад
Т*2 ад, К
ПИ изот1
ПИиз1/ПИад
dT ад
273
150
15
22275,0
1,3142
295,16
1,3287
1,011
22,16
273
175
17,5
30318,8
1,4432
303,17
1,4723
1,020
30,17
273
200
20
39600,0
1,6030
312,40
1,6574
1,034
39,40
273
225
22,5
50118,8
1,7990
322,87
1,8954
1,054
49,87
273
250
25
61875,0
2,0376
334,57
2,2022
1,081
61,57
273
275
27,5
74868,8
2,3268
347,50
2,5992
1,117
74,50
273
300
30
89100,0
2,6759
361,66
3,1168
1,165
88,66
273
350
35
121275,0
3,6008
393,67
4,6988
1,305
120,67
273
400
40
158400,0
4,9287
430,61
7,5456
1,531
157,61
Т, К
V2, м/с
V1, м/с
Н теор
ПИ ад
Т*2 ад, К
ПИ изот1
ПИиз1/ПИад
dT ад
323
150
15
22275,0
1,2615
345,16
1,2715
1,008
22,16
323
175
17,5
30318,8
1,3669
353,17
1,3867
1,015
30,17
323
200
20
39600,0
1,4961
362,40
1,5327
1,024
39,40
323
225
22,5
50118,8
1,6529
372,87
1,7168
1,039
49,87
323
250
25
61875,0
1,8416
384,57
1,9488
1,058
61,57
323
275
27,5
74868,8
2,0676
397,50
2,2420
1,084
74,50
323
300
30
89100,0
2,3370
411,66
2,6138
1,118
88,66
323
350
35
121275,0
3,0374
443,67
3,6980
1,217
120,67
323
400
40
158400,0
4,0186
480,61
5,5186
1,373
157,61
287,1
2,5
1,4
0,25
Результаты расчета показывают, что замена адиабатного процесса сжатия на изотермный
позволяет существенно повысить степень повышения давления воздуха в компрессоре.
Эффективность замены типа процесса сжатия повышается с увеличением величины работы
сжатия (с увеличением степени повышения давления в компрессоре).
Реализация изотермного процесса сжатия воздуха в компрессоре потребует решения
проблемы отвода тепла от воздуха в количестве, равном величине подводимой работе сжатия –
для снижения температуры воздуха, увеличивающейся в процессе адиабатного сжатия, на
величину более, чем dT. Величина dT зависит от величины работы сжатия и практически не
зависит от ТВВ.
Степень повышения давления воздуха в компрессоре значительно зависит от температуры
входящего воздуха – уменьшается с ростом ТВВ (более интенсивно для изотермного процесса).
Графические зависимости величины степени повышения давления воздуха для адиабатного и
изотермного процессов сжатия от величины окружной скорости V2 при различных ТВВ и их
соотношение приведены на рис.1…3.
Степень повышения давления воздуха в идеальном компрессоре при ТВВ=223 К
14
12
10
8
ПИад
ПИизт
ПИ изт/ПИад
6
4
2
0
100
150
200
250
300
V2 (м/с)
Рис. 1.
350
400
450
Степень повышения давления воздуха идеальным компрессором при ТВВ=273 К
8
7
6
5
ПИад
ПИизт
4
Пиизт/ПИад
3
2
1
0
100
150
200
250
300
350
400
450
V2 (м/с)
Рис. 2
Карханов Ю.В.
Степень повышения давления воздуха в идеальном компрессоре при ТВВ=323 К
6
5
4
ПИад
3
ПИизт
Пиизт/ПИад
2
1
0
100
150
200
250
300
V2 (м/с)
Рис. 3
350
400
450