Гибридная силовая установка для многороторных летающих платформ
HYBRID POWER PLANT FOR MULTI-ROTOR FLYING PLATFORMS

Изобретение относится к области энергетики, а именно силовых установок транспортных средств, и может быть использовано при конструировании, производстве и эксплуатации беспилотных летающих многороторных платформ.
Известна (GB, патент 1574694, опубл. 10.09.1980) силовая установка для игрушечного транспортного средства, содержащая барабан с шестерней, установленный с возможностью вращения на оси, на которой установлена втулка с уступом, связанным с внутренним концом спиральной пружины, имеющей на другом наружном конце выступ, предназначенный для взаимодействия с одним из ряда углублений, выполненных на внутренней поверхности барабана. Шестерня барабана находится в зацеплении с шестерней, закрепленной на валу отбора мощности, на котором закреплены ведущие задние колеса транспортного средства, а также шестерня, находящаяся в зацеплении с шестерней, имеющей храповой механизм, связанный с осью барабана, также несущей храповик с собачкой. Благодаря шестерням и храповикам обеспечивается однонаправленное вращение вала отбора мощности при раскручивании пружины, скручивание которой обеспечивается путем возвратно-поступательного перемещения устройства по поверхности.
Недостатком известной гибридной силовой установки следует признать непригодность для установки на летательных аппаратах из-за значительной массы.
Известна (RU, патент 2527248, опубл. 27.08.2014) гибридная силовая установка беспилотного вертолета - самолета, выполненная по последовательной гибридной технологии силового привода, снабженная левой и правой консольными мотогондолами с электродвигателями, вращательно связанными с соответствующими винтами поперечной группы. В состав силовой установки также входят носовая и кормовая мотогондолы продольной группы винтов, в которых наряду с поворотными валами соответствующих винтов размещены электродвигатели-генераторы, вращательно связанные с последними и выполненные обратимыми, а носовая мотогондола наряду с поршневым двигателем содержит выходную и входную муфты сцепления и имеет систему электропривода, включающую все электродвигатели, аккумуляторные перезаряжаемые батареи, преобразователь энергии с блоком управления силовой передачи, подключающим и отключающим электродвигатели и поршневой двигатель, переключающим генерирующую мощность и порядок подзарядки аккумуляторов.
Недостатком известной гибридной силовой установки следует признать ее массу, что делает сомнительной возможность полета летательного аппарата, на котором установлена данной силова установка.
Известна (RU, патент 33907, опубл. 20.11.2003) силовая установка, состоящая из двигателя внутреннего сгорания, соединенного с ним генератора переменного тока и аккумулятора. Она дополнительно снабжена генератором переменного тока, подключенным к двигателю внутреннего сгорания, и двигателем постоянного тока, установленным на одну ось с двигателем внутреннего сгорания и подключенным через реостат к аккумулятору и генератору переменного тока.
Известная установка предназначена для использования в электромобилях.
Недостатком известной гибридной силовой установки следует признать непригодность для установки на летательных аппаратах из-за значительной массы.
В ходе проведения патентно-информационного поиска не выявлено техническое решение, которое может быть использовано в качестве ближайшего аналога.
Техническая задача, решаемая с использованием разработанной конструкции, состоит в создании новой гибридной силовой установки для многороторных беспилотных летательных аппаратов.
Технический результат, достигаемый при реализации разработанной конструкции, состоит в значительном увеличении радиуса полета, а также расширении возможности применения таких аппаратов.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную гибридную силовую установку для многороторных летающих платформ- мультикоптеров. Разработанная гибридная силовая установка содержит основание, на котором установлены топливный бак, двигатель внутреннего сгорания, соединительная муфта, электрогенератор, выпрямитель переменного тока и аккумулятор, при этом выход топливного бака подключен к двигателю внутреннего сгорания, вал двигателя внутреннего сгорания посредством муфты подключен к валу электрогенератора, выпрямитель переменного тока, вырабатываемого электрогенератором, подключен к аккумулятору, выходы которого подключены к блоку свечей зажигания двигателя внутреннего сгорания, к сервоприводу управления двигателем внутреннего сгорания, устройству управления двигателем внутреннего сгорания, к контроллеру оборотов вращения вала, соединяющего муфту и электрогенератор, а также к средствам вращения роторов, между муфтой и электрогенератором дополнительно на валу, их соединяющему, установлена крыльчатка охлаждения, подключенная к контроллеру оборотов.
Желательно, чтобы масса гибридной силовой установки не превышает 6 кг.
Предпочтительно, используемый топливный бак содержит средства подачи бензина и масла.
По условиям надежности, а также минимальных массогабаритных ограничений желательно, чтобы выпрямитель переменного тока был выполнен в виде диодного моста.
Предпочтительно номинальные обороты двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере, совпадают с номинальными оборотами генератора.
По техническим характеристикам (массогабариты, емкость, надежность и т.д.) используемый аккумулятор обычно представляет собой литий-полимерную батарею.
Также по техническим характеристикам желательно, чтобы в качестве электрогенератора был использован автомобильный генератор постоянного тока.
Разработанная конструкция гибридной силовой установки должна отвечать следующим требованиям:
1) выдавать на выходе постоянный ток;
2) выдавать напряжение, требуемое мультикоптеру для обеспечения питания винтомоторной группы (14-48 V);
3) выдавать силу тока, достаточную для обеспечения зависания мультикоптера в воздухе;
4) грузоподъемность, кг: 1-2;
5) время полета, мин: 90-180;
6) горизонтальная скорость, км/ч: 50;
7) дальность полета, км: 40-60;
8) иметь минимальный вес (не более 6 кг);
9) иметь минимальные габаритные размеры;
10) иметь модульную конструкцию;
11) содержать в себе все необходимые элементы для работы;
12) стабильно работать в течение полета;
13) иметь вибродемпфирование для гашения вибраций;
14) иметь электрические клеммы, совместимые с клеммами мультикоптера;
15) клеммы для коммутирования с мультикоптером должны располагаться удобным для работы образом.
Гибридная силовая установка (ГСУ) - это миниатюрная электростанция, характеристики которой оптимально подобраны под конкретную задачу. Ее устройство принципиально ничем не отличается от устройства общеизвестных бензо- и дизель-генераторов, которые используются для переработки жидкого топлива в электрическую энергию. ГСУ состоит из двигателя внутреннего сгорания (далее - ДВС), который во время работы сжигает топливо и вращает центральный вал, вырабатывая крутящий момент. Далее эта энергия через соединенную муфту передается на генератор тока. При вращении вала генератора с закрепленным на ним ротором на обмотках его статора генератора образуется электрический ток. Этот электрический ток, как правило, имеет трехфазный синусоидальный вид, что требует наличия на выходе выпрямительного устройства, как правило, в его роли выступает электрическая схема типа диодный мост. Управление двигателем требует наличия специального контроллера - т.н. гувернера. Это электронное устройство связано с датчиком оборотов и сервоприводом карбюратора ДВС. Гувернер управляет оборотами ДВС за счет принципа обратной связи и поддерживает обороты двигателя в заданных пределах. Питание электронных компонентов осуществляется компактной Li-Po-батареей.
Все компоненты ГСУ должны быть соединены друг с другом на единой несущей конструкции с целью обеспечения модульности и компактности. Компоновка элементов относительно друг друга зависит от собственных геометрических размеров, конструктивных особенностей, частоты номинальных оборотов и необходимости дополнительных передаточных редукторов.
Помимо взаимного расположения основных компонентов ГСУ: ДВС и генератора, в состав установки включаются еще несколько систем: топливная система, АКБ и управляющая электроника. Ввиду условия модульности, все компоненты ГСУ должны быть размещены на одной несущей конструкции, в едином блоке, в рамках одной несущей конструкции.
На основании вышеизложенного ГСУ предпочтительно состоит из следующих компонентов:
1) бензиновый двигатель внутреннего сгорания;
2) автомобильный электрогенератор постоянного тока;
3) механическая соосная муфта;
4) несущая конструкция, обеспечивающая крепление всех компонентов;
5) топливная система (топливный бак, топливные шланги);
6) система выпрямления и стабилизации напряжения;
7) система управления ДВС.
Компоновка основных узлов предпочтительно должна выполнятся с учетом следующих требований:
1) расположение валов генератора и ДВС должно быть соосно,
2) соединение друг с другом выполняется через упругую муфту;
3) рабочее направление вращения ДВС должно совпадать с рабочим направлением вращения генератора;
4) номинальные обороты ДВС должны совпадать быть не больше максимальных оборотов генератора.
Разработанная ГСу обеспечит достижение указанного технического результата.