RU219164U1 - Авиационный двигатель малозаметный - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к роторным двигателям с пневматическим приводом, который может применяться в качестве силовой установки беспилотных летательных аппаратов. Технический результат достигается в авиационном двигателе малозаметном, содержащем преобразователь энергии рабочего тела в энергию вращения выходного вала и аккумулятор энергии, связанный системой питания с преобразователем энергии, причем преобразователь энергии содержит статор, поршень, расположенной продольно в цилиндрической полости статора, а также подвижные перегородки, имеются расширительные камеры, образуемые наружной поверхностью поршня, цилиндрической полостью статора и подвижными перегородками, подвижные перегородки имеют дугообразную форму со скругленными краями, которыми перегородки контактируют с наружной поверхностью поршня, аккумулятор энергии выполнен в виде криоцилиндра - газификатора для хранения и дозированной подачи рабочего тела в виде сжиженного газа со встроенным продукционным испарителем, причем статор, поршень, кривошип и емкости аккумулятора энергии выполнены из полимерного материала. Технический результат - создание малозаметного для обнаружения двигателя летательного аппарата, который не создает теплового следа, способен эффективно работать на больших и малых высотах, характеризуется низким уровнем шума, обладает радиопроницаемостью и дешев в производстве. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к роторным двигателям с пневматическим приводом, который может применяться в качестве силовой установки беспилотных летательных аппаратов.

Известен аналог устройства - ролико-лопастной двигатель - RU 2491432, 15.09.2011, содержащий корпус с впускными и выпускными отверстиями, ротор, размещенный в корпусе с возможностью вращения, ротор с наружной стороны имеет лопасть первого типа для преобразования давления рабочего тела в крутящий момент ротора, лопасть первого типа расположена в замкнутом пространстве, образованном радиальным зазором между ротором и корпусом, имеется ролик-разделитель, расположенный в корпусе с возможностью вращения, ролик-разделитель сопряжен с ротором с обеспечением разделения объема в зазоре между ротором и корпусом на камеры, ролик-разделитель имеет впадину для прохождения лопасти при ее движении через него.

Недостатком аналога являются большие габариты и малая энергетическая эффективность двигателя. Малая энергетическая эффективность обусловлена большим весом двигателя, высоким расходом топлива и малой степенью сбалансированности двигателя из-за малого количества камер и резкого изменения направления вектора воздействующей на рабочий орган силы во время работы, приводящего к возникновению ударных нагрузок, требующих повышение прочности и веса.

Известен близкий аналог устройства - двигатель роторный - US 6868822, 22.03.2005, принятый в качестве прототипа, содержащий преобразователь энергии рабочего тела в энергию вращения выходного вала и аккумулятор энергии в виде баллона с горючим топливом, связанный системой питания с преобразователем, причем преобразователь энергии содержит статор, поршень в виде втулки, расположенной продольно в цилиндрической полости статора, подвижные перегородки, расположенные в пазах статора и имеющие форму цилиндров с усеченной цилиндрической поверхностью, кромки усеченной поверхности которого контактируют с поверхностью поршня, также имеются расширительные камеры, образуемые внешней стенкой поршня, статором и подвижными перегородками, имеется выходной вал, расположенный вдоль оси полости статора, на выходном валу расположен кривошип со смещенным относительно оси вращения поршнем, имеются впускные и выпускные отверстия в статоре.

Недостатком прототипа является невозможность применения двигателя в качестве двигателя малозаметного для обнаружения летательного аппарата. Это обусловлено рядом причин, совокупно влияющим на наличие описанного недостатка. Во-первых, вариант прототипа в виде двигателя внутреннего сгорания создает тепловой след, который легко обнаружить тепловизорами и им подобными средствами обнаружения тепловых источников. Вариант прототипа с энергоносителем в виде сжатого воздуха не обладает минимально необходимой эффективностью, позволяющей применять его в качестве двигателя летательного аппарата из-за большого веса баллонов со сжатым воздухом и ничтожно малым запасом энергии сжатого воздуха, недостаточного для полета. Во-вторых, применяемые в прототипе энергоносители не обеспечивают независимости мощности двигателя от высоты и одинаковую эффективность работы на малых и больших высотах, что требуется для малозаметных летательных аппаратов, так как для исключения визуальной скрытности требуется подъем летательного аппарата на большие высоты. В-третьих, прототип обладает высоким уровнем шума, что делает его легко обнаружимым. В-четвертых, прототип изготовлен из металла, что повышает возможность его обнаружения, например, радиоволновыми радар-детекторами. Изготовление прототипа из металла обусловлено малой степенью сбалансированности двигателя. Из-за малого количества камер при работе двигателя происходит резкое изменение направления вектора воздействующей на рабочий орган силы, приводящее к возникновению ударных нагрузок. Наличие ударных нагрузок требует повышенную прочности деталей, поэтому их изготавливают из металла.

Дополнительным недостатком прототипа является высокая стоимость изготовления, обусловленная необходимостью применения дорогих металлических сплавов и их обработки.

Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в создании малозаметного для обнаружения двигателя летательного аппарата, который не создает теплового следа, способен эффективно работать на больших и малых высотах, характеризуется низким уровнем шума, обладает радио-проницаемостью и дешев в производстве.

Технический результат достигается в авиационном двигателе малозаметном, содержащем преобразователь энергии рабочего тела в энергию вращения выходного вала и аккумулятор энергии, связанный системой питания с преобразователем энергии, причем преобразователь энергии содержит статор, поршень в виде втулки, расположенной продольно в цилиндрической полости статора, а также подвижные перегородки, расположенные в пазах статора, которые контактируют с наружной поверхностью поршня, также имеются расширительные камеры, образуемые наружной поверхностью поршня, цилиндрической полостью статора и подвижными перегородками, причем выходной вал расположен вдоль оси цилиндрической полости статора, на выходном валу расположен кривошип, а поршень соединен с кривошипом так, что ось поршня смещена относительно оси вращения выходного вала, имеются впускные и выпускные отверстия в статоре, связанные с расширительными камерами, впускные отверстия связаны с системой питания, подвижные перегородки имеют дугообразную форму со скругленными краями, которыми перегородки контактируют с наружной поверхностью поршня, аккумулятор энергии выполнен в виде криоцилиндра - газификатора для хранения и дозированной подачи рабочего тела в виде сжиженного газа со встроенным продукционным испарителем, причем статор, поршень, кривошип и емкости аккумулятора энергии выполнены из полимерного материала.

В качестве рабочего тела может быть использован азот.

Преобразователь энергии и аккумулятор энергии могут быть выполнены в виде единого блока на общем каркасе.

На фиг. 1 изображен общий вид авиационного двигателя малозаметного.

На фиг. 2 изображено сечение авиационного двигателя малозаметного.

Авиационный двигатель малозаметный содержит преобразователь энергии 1 рабочего тела в энергию вращения выходного вала 2 и аккумулятор энергии 3, связанный системой питания 4 с преобразователем энергии 1, как показано на фиг. 1, причем преобразователь энергии 1 содержит статор 5, как показано на фиг. 2, поршень 6 в виде втулки, расположенной продольно в цилиндрической полости 7 статора 5, а также подвижные перегородки 8, расположенные в пазах 9 статора 5, которые контактируют с наружной поверхностью 10 поршня 6, также имеются расширительные камеры 11, образуемые наружной поверхностью 10 поршня 6, цилиндрической полостью 7 статора 5 и подвижными перегородками 8, причем выходной вал 2 расположен вдоль оси 12 цилиндрической полости 7 статора 5, на выходном валу 2 расположен кривошип 13, а поршень 6 соединен с кривошипом 13 так, что ось 14 поршня 6 смещена относительно оси 12 вращения выходного вала 2, имеются впускные 15 и выпускные 16 отверстия в статоре 5, связанные с расширительными камерами 11, впускные отверстия 15 связаны с системой питания 4, подвижные перегородки 8 имеют дугообразную форму со скругленными краями 17, которыми перегородки 8 контактируют с наружной поверхностью 10 поршня 6, причем статор 5, поршень 6 и кривошип 13 выполнены из полимерного материала, аккумулятор энергии 3 выполнен в виде криоцилиндра - газификатора для хранения и дозированной подачи рабочего тела в виде сжиженного газа со встроенным продукционным испарителем 19.

Рассмотрим пример реализации авиационного двигателя малозаметного. В качестве рабочего тела применяют азот. Преобразователь энергии 1 и аккумулятор энергии 3 выполнены в виде единого блока на общем каркасе 18, как показано на фиг. 1. Статор 5, поршень 6, подвижные перегородки 8 и кривошип 13 выполнены из стеклонаполненного полиамида методом литья под давлением. Емкости аккумулятора энергии 3 выполнены из углепластика. Статор также может быть выполнен из углепластика. Указанные детали могут быть выполнены из другого материала с близкими характеристиками прочности, жесткости и удельным весом. Изготовление основных материалоемких элементов двигателя из полимерного материала снижает возможность его обнаружения радиоволновыми радар-детекторами, а также значительно снижает стоимость изготовления двигателя и понижает его массу. Показатель массы в авиации является одним ключевых параметров, влияющих на тактико-технические характеристики летательного аппарата и на возможность и целесообразность его эксплуатации. Выполнение указанных деталей двигателя из полимерных материалов позволяет обеспечить ему необходимый ресурс для выполнения одного вылета беспилотного летательного аппарата с таким двигателем в качестве силовой установки, который может находится в воздухе до нескольких суток. Для отдельного класса летательных аппаратов больший ресурс не требуется. Выходной вал 2 изготавливают из стали, так как во время работы двигателя он подвержен большим нагрузкам.

Подвижные перегородки 8 имеют дугообразную вытянутую форму со скругленными краями 17. Пазы 9 статора 2 имеют такую же форму с обеспечением скользящей посадки указанных подвижных перегородок 8. Такая форма перегородок 8 позволяет обеспечить им небольшой относительно прототипа габарит и разместить в двигателе большее количество перегородок 8, чем в прототипе. В описываемом примере конкретной реализации перегородок девять, и они разделяют объем пространства между наружной поверхностью 10 поршня 6 и цилиндрической полостью 7 статора 5 на девять расширительных камер 11. Благодаря большому количеству расширительных камер 11 направление вектора воздействующей на рабочий орган - поршень 6 силы при работе двигателя меняется плавно и не создает ударных нагрузок на все элементы двигателя, как в прототипе.

Указанная форма подвижных перегородок 8 позволяет уменьшить габарит статора 2 по сравнению с прототипом, в котором цилиндрическая форма перегородок требует большего пространства для их размещения. Меньший габарит статора 2 позволяет уменьшить массу двигателя.

Перегородка 8 дугообразной формы лучше воспринимает давление рабочего тела, чем прямолинейная-плоская, так как давление сжатого рабочего тела в расширительной камере 11 в дугообразной перегородке создают растягивающие напряжения, а при плоской форме перегородки напряжения носили бы больше изгибающий характер. Предел прочности материала по напряжениям растяжения больше, чем по изгибающим, поэтому такая форма перегородки 8 оптимальнее по массово-прочностным характеристикам.

Дугообразная форма перегородки 8 уменьшает нагрузки, возникающие при контакте перегородки 8 с поршнем 6. За счет дугообразной формы усилие от поршня 6 на перегородку всегда направлено касательно к дуге перегородки 8, создавая сжатие материала перегородки 8, что исключает изгибающее усилие, которое возникало бы при прямолинейной форме перегородки. А предел прочности по напряжениям сжатия больше, чем по напряжениям изгиба, поэтому дугообразная форма перегородки 8 оптимальнее по массово-прочностным характеристикам.

Перечисленные особенности восприятия дугообразной перегородкой 8 эксплуатационных нагрузок обеспечивают возможность изготовления перегородки из менее прочного, чем сталь, полимерного материала, который является радиопрозрачным и это повышает малозаметность двигателя для обнаружения.

Перегородки 8 контактируют с наружной поверхностью 10 поршня 6 скругленными краями 17 для снижения износа контактирующих поверхностей. Кроме того, скругленные края 17 исключают концентрацию напряжений, которые возникали бы в местах резких переходов и ребер, повышая этим прочность перегородки 8.

На выходном валу 2 закреплен кривошип 13, который имеет два ролика 20 и балансир 21 для исключения биений вала 2 с кривошипом 13 и поршнем 6. Ролики обеспечивают снижение трения при взаимном перемещении кривошипа и поршня 6.

Впускные 15 и выпускные 16 отверстия в статоре 5 связанны с расширительными камерами 11 для обеспечения подачи рабочего тела под давлением в расширительные камеры 11 и выпуска рабочего тела в атмосферу. Впускные отверстия 15 связаны с системой питания 4, которая содержит трубопровод.

Система питания 4 содержит систему управления подачей и выпуском рабочего тела, которая снабжена электромагнитными клапанами и управляющим ими контроллером (на фиг. не показаны).

Аккумулятор энергии 3 выполнен в виде криоцилиндра - газификатора для хранения и дозированной подачи рабочего тела в виде сжиженного газа со встроенным продукционным испарителем 19, как показано на фиг. 1. Резервуар криоцилиндра состоит из внутреннего сосуда и наружного кожуха (на фиг. не показано), пространство между которыми отвакуумировано, внутренний сосуд имеет экранную изоляцию. За счет этого достигаются оптимальные условия для хранения рабочего тела. Принцип действия криоцилиндра основан на создании рабочего давления во внутреннем сосуде, заполненном рабочим телом - сжиженным газом. Подъем и поддержание давления в сосуде обеспечивают системой, состоящей из регулятора подъема давления и испарителя подъема давления. Из резервуара сжиженное рабочее тело поступает во встроенный продукционный испаритель 19, откуда газообразное рабочее тело под установленным давлением подают в преобразователь энергии 1. Применение криоцилиндра позволяет обеспечить малозаметность двигателю. Во-первых, благодаря высокой плотности хранения энергии рабочего тела в криоцилиндре обеспечивается возможность исключить применение горючего топлива, сжигание которого создает тепловой след, обнаруживаемый тепловизорами и им подобными средствами обнаружения тепловых источников. Во-вторых, рабочее тело в жидком состоянии хранится при атмосферном давлении, что исключает необходимость применения сверхпрочных стальных баллонов на 200-300 атмосфер. В блоке газификации при испарении давление максимум 20 атмосфер. Это обеспечивает возможность выполнения аккумулятора энергии 3 из полимерного материала, что делает его невидимым для радаров. Дополнительное преимущество такого решения заключается в безопасности использования аккумулятора энергии 3, исключении необходимости соблюдения строгих требований надзорных органов, связанных с аппаратами высокого давления.

В примере конкретной реализации между криоциллиндром 3 и преобразователь энергии 1 размещен дополнительный теплообменник с источником топлива (на фиг. не показан). Источником топлива опционально используются газ или бензин. Указанный теплообменник предназначен для подогрева поступающего рабочего тела. Так как после выхода рабочего тела из преобразователя энергии 1 в атмосферу он резко охлаждается, что добавляет заметность двигателя для обнаружения тепловизором, а также вызывает обмерзание статора. Установкой указанного теплообменника обеспечивается увеличение эффективности за счет повышения давления, предотвращается обмерзание статора пневмодвигателя, снижается заметность для обнаружения. Заметность снижается путем подбора температуры рабочего тела таким образом, чтобы после его выхода в атмосферу она в точности соответствовала температуре окружающей среды. Подогрев может осуществляться и электрическим тэном.

Рассмотрим пример работы авиационного двигателя малозаметного. Двигатель используют в качестве беспилотного летательного аппарата - дрона. Сжиженный охлажденный азот закачивают в аккумулятор энергии 3. Запускают двигатель. Для этого начинают пропускать сжиженный азот через продукционный испаритель 19, в котором он преобразуется в газообразное состояние значительно увеличиваясь в объеме. Дозированно осуществляют его подачу в расширительные камеры 11 так, что сначала подачу осуществляют в одну из камер 11. Сжатый газ воздействуя на наружную поверхность 10 поршня 6 приводит его в движение. Затем подачу осуществляют в следующую по кругу расширительную камеру 11, а предыдущую камеру соединяют с атмосферой, выпуская азот. Перечисленные действия осуществляют в цикле. В результате поршень 6 обкатывается по поверхности цилиндрической полости 7 статора 5, а через кривошип 13 вращательное движение передают на выходной вал 2. К выходному валу присоединен тяговый винт беспилотного летательного аппарата. Устройство не содержит редуктора, так как частота вращения зависит от скорости изменения подачи в расширительные камеры 11, а момент зависит от давления рабочего тела. Отсутствие редуктора снижает массу двигателя, исключает применение большого количества металлических деталей, из которых изготавливаются редуктора, тем самым повышается незаметность летательного аппарата к радарам.

Способность предлагаемого двигателя эффективно работать на больших и малых высотах объясняется следующим. Поршень 6 двигается за счет разницы давления между расширительными камерами 11, куда подают рабочее тело и расширительными камерами 11, сообщенными с атмосферой. При выпуске рабочего тела в атмосферу оно преодолевает давление окружающей среды, которое при взлете с поверхности земли составляет одну атмосферу, а на высоте 8000 м всего 0,3 атмосферы. То есть на высоте разница между указанными давлениями в соседних расширительных камерах 11 выше. Поэтому на высоте двигатель будет работать эффективнее, так как имеет запас рабочего тела под нужным давлением. Двигатель внутреннего сгорания - прототип, наоборот, эффективнее работает на уровне земли и его эффективность снижается на высоте из-за отсутствия кислорода, необходимого для горения.

Claims (3)

1. Авиационный двигатель малозаметный, содержащий преобразователь энергии рабочего тела в энергию вращения выходного вала и аккумулятор энергии, связанный системой питания с преобразователем энергии, причем преобразователь энергии содержит статор, поршень в виде втулки, расположенной продольно в цилиндрической полости статора, а также подвижные перегородки, расположенные в пазах статора, которые контактируют с наружной поверхностью поршня, также имеются расширительные камеры, образуемые наружной поверхностью поршня, цилиндрической полостью статора и подвижными перегородками, причем выходной вал расположен вдоль оси цилиндрической полости статора, на выходном валу расположен кривошип, а поршень соединен с кривошипом так, что ось поршня смещена относительно оси вращения выходного вала, имеются впускные и выпускные отверстия в статоре, связанные с расширительными камерами, впускные отверстия связаны с системой питания, отличающийся тем, что подвижные перегородки имеют дугообразную форму со скругленными краями, которыми перегородки контактируют с наружной поверхностью поршня, аккумулятор энергии выполнен в виде криоцилиндра - газификатора для хранения и дозированной подачи рабочего тела в виде сжиженного газа со встроенным продукционным испарителем, причем статор, поршень, кривошип и емкости аккумулятора энергии выполнены из полимерного материала.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела использован азот.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что преобразователь энергии и аккумулятор энергии выполнены в виде единого блока на общем каркасе.

Images