ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ВОЗДУХОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ САМОЛЕТОВ
AIRCRAFT SOLID FUEL AIR TURBINE ENGINE

Двигатель предназначен в качестве силовой установки на военных и транспортных самолетах, для работы которой используется самое дешевое твердое топливо - каменный уголь. Двигатель пригоден только для самолетов, оборудованных воздушным винтом, что позволяет более экономно использовать механическую энергию воздушной турбины для работы воздушного винта и получения тяги самолета. Газотурбинные и турбовинтовые установки на самолетах расходуют много жидкого топлива (керосина) для осуществления полета и не безопасны при отказе двигателей в полете и при осуществлении аварийных посадок.
Силовая установка, работающая на каменном угле, исключает возгорание в полете двигателя и безопасна при аварийных посадках, исключаются взрывы самолетов и их пожары на земле, что делает самолет абсолютно надежным в сохранении жизни членов экипажа и пассажиров.
В военной авиации эта силовая установка делает самолет бесшумным, а при обработке самолета по технологии «Стелла» делает его и не видимым радарами. В итоге самолет днем в облаках и ночью не видим органами зрения, не слышим органами слуха и не видим радарами, что обеспечит поражение целей на территории противника в указанных выше условиях внезапно, что ведет к 100% их уничтожению. Он может летать на бреющем полете, что тоже обеспечивает внезапность поражения противника, так как трудно его своевременно обнаружить.
Предлагаемый двигатель проще в конструктивном исполнении, эксплуатации и обеспечивает повышение КПД. Самолеты с данной установкой особенно подходят для районов, где много дешевого твердого топлива, в РФ это Сибирь.
Раскрытие изобретения
Двигатель имеет бортовой компрессор изотермического сжатия воздуха, спиральный нагреватель и печь для сжигания угля и направления продуктов их сгорания в спиральный нагреватель в туннель между витками спирали для нагрева рабочего тела на встречных направлениях с незначительным перепадом температур между потоками, движущимися навстречу друг другу. Небольшой перепад температур увеличит КПД, но и увеличит размер спирального нагревателя.
При этом важен выбор холодного источника, а на самолете их два: встречный поток воздуха для обдува изотермических цилиндров или трубочки в фюзеляже и крыльях с жидкостью для охлаждения цилиндров (с помощью перекачивающего насоса) и выбор материалов для изготовления спирального нагревателя и теплоизоляционных материалов для сохранения тепла в спиральном нагревателе и трубах.
Существенными признаками данной силовой установки, использующей твердое топливо (уголь), являются:
- пожарная безопасность при полете и посадке самолета;
- наличие в конструкции двигателя компрессора изотермического сжатия воздуха (рабочего тела) для осуществления первого изотермического процесса - термодинамического цикла, который обеспечит наибольший перепад температур, отдавая тепло атмосферному воздуху;
- наличие спирального нагревателя, где тепло от сгорания угля нагревает сжатый воздух, поступающий из компрессора в него, и нагревается до заданной температуры за счет продуктов сгорания угля в печи;
- нагретое рабочее тело - это сжатый воздух, имеющий высокую температуру, пройдя через турбину, превращает тепловую энергию, заключенную в нем, в механическую энергию, а затем при вращении электрогенератора - в электрическую, и основную долю энергии - на вращение воздушного винта. Двигатель может работать на торфе, древесных чурках, но температура нагрева рабочего тела будет меньше, КПД меньше и скорость полета самолета будет тоже меньше, а равно и коммерческая нагрузка.
Краткое описание чертежа
Чертеж состоит из следующих частей.
- Верхняя часть: турбина 17, электрогенератор 18, камера 16 поступления рабочего тела из спирального нагревателя перед входом в турбину, трубы 21 отвода мятого рабочего тела из турбины 17 в печь 13, воздушного винта 20, кабины пилота.
- Средняя часть: с обеих сторон фюзеляжа находится компрессор изотермического сжатия воздуха (рабочего тела), который крепится к раме 1 в ребре атаки крыльев и к фюзеляжу самолета со всеми элементами конструкции компрессора: цилиндры, червяки, электродвигатели и трубопроводы. Электродвигатели 2 служат для приведения в действие червячных передач 3. Червяки 3 предназначены для работы поршневой группы компрессора. Держатели штоков с муфтами 4 служат для обеспечения работы червяков 3 от электродвигателей 2. Цилиндры 5 служат для вмещения воздуха и его сжатия. Штоки 6 цилиндров передают усилия на поршни 7. По трубочкам 8 из атмосферы поступает воздух в цилиндры 5. По трубочкам 9 соединяют большие цилиндры компрессора с трубой 10, по ней сжатый воздух с давлением
2
2
5 кг/см направляют в промежуточную камеру 37, из промежуточной камеры 37 сжатый воздух поступает в компрессор, расположенный в фюзеляже, по трубочкам 38 в цилиндры 40, где он сжимается до давления 25 кг/см и направляется по трубам 11 в спиральный нагреватель 14. Спиральный нагреватель 14 представляет собой трубу, свитую в спираль в одной плоскости для нагрева в ней рабочего тела продуктами сгорания угля. В спиральный нагреватель сжатый воздух (рабочее тело) поступает по трубе 11 (их две). Труба 11 служит для подачи сжатого воздуха в компрессоре (рабочего тела) в трубу спирального нагревателя, где он нагревается продуктами сгорания твердого топлива в печи 13 до заданной температуры +850-860°С. Вход сжатого воздуха (рабочего тела) из изотермического компрессора с давлением
2
25 кг/см в спиральный нагреватель 14 производится по трубе 11. По трубе 30 продукты сгорания угля из печи 13 подают в спиральный нагреватель 14 для нагрева рабочего тела. Печь 13 служит для сжигания угля, торфа, древесных чурок, которые загружают через дверцу 31. Из печи 13 продукты сгорания подают через камеру 34 в туннель 33 спирального нагревателя 14 для нагрева рабочего тела на встречных направлениях с перепадом температуры 20-30°С. Камера 34 поступления продуктов сгорания топлива в спиральный нагреватель 14 для нагрева рабочего тела при движении по туннели и передают рабочему телу в трубе спирали на встречных направлениях. Продукты сгорания, отдав тепло рабочему телу, по трубе 19 выходят в атмосферу с температурой, выше атмосферной на 20-30°С. По трубе 32 сжатый нагретый воздух (рабочее тело) поступает в камеру 16 с заслонкой 39 с калиброванными отверстиями и при открытии заслонки - в турбину 17. Мятое рабочее тело по двум трубам 21 направляется в печь для горения угля в печи, имея положительную температуру выше температуры угля, что улучшает горение угля и повышает КПД термодинамического цикла.
- Нижняя часть чертежа: баллоны со сжатым воздухом 28 служат для запуска двигателя на земле.
Краны 29 открытия баллонов 28 служат для подачи сжатого воздуха из баллонов в систему двигателя для запуска его на земле.
2
2
2
В хвостовой части фюзеляжа смонтирован изотермический компрессор повышения давления с 5 кг/см до 25 кг/см (8 цилиндров). Он состоит из цилиндров 40, штоков 41, поршней 42, червячных передач 43 с электродвигателями 44; 45 - крепление цилиндров большого давления 25 кг/см.
На чертеже показаны части самолета для полного восприятия в нем конструктивных элементов двигателя: 23 - лонжероны, 24 - фюзеляж, 25 - стабилизатор, 26 - руль высоты, 27 - руль поворота, 35 - кабина пилота, 36 - элероны.
Осуществление изобретения
Твердотопливный воздухотурбинный двигатель для самолетов состоит из следующих основных частей (см. чертеж):
2
2
- изотермического компрессора сжатия воздуха (верхняя часть чертежа) справа и слева фюзеляжа в ребрах атаки крыльев с электродвигателями 2 и червячными передачами 3 для создания давления на поршни 7 с помощью штоков 6, которые сжимают атмосферный воздух в цилиндрах 5 до заданного давления 5 кг/см, и компрессора большого давления (25 кг/см) в фюзеляже. Из него сжатый воздух направляется в спиральный нагреватель 14;
- спирального нагревателя 14 с теплозащитой для нагрева рабочего тела, двигающегося с периферии к центру, за счет тепла продуктов сгорания твердого топлива в печи (средняя часть чертежа);
- баллонов 28 со сжатым воздухом для запуска турбины 17 путем подключения к трубе 11 спирального нагревателя 14;
- печи 13 для сжигания твердого топлива. Трубы 34 подачи продуктов сгорания угля в туннель 33 между витками спирали трубы спирального нагревателя 14;
- воздушной турбины 17 с электрогенератором 18 при необходимости с редуктором при несоответствии оборотов турбины 17, электрогенератора 18 и воздушного винта 20 изменяемого шага для создания силы тяги тоже с редуктором для уменьшения оборотов винта с целью повышения его КПД.
Работа твердотопливного воздухотурбинного двигателя
1. Растапливаем печь 13, заполненную на определенную величину твердым топливом (углем, торфом, древесными чурками), доведя температуру продуктов сгорания на 30-40°С больше, чем заданная для нагрева рабочего тела +820°С, т.е. надо иметь температуру продуктов сгорания +850-860°С для поступления в турбину 17.
2. Подключаем баллон 28 со сжатым воздухом к трубе спирального нагревателя 14 для подачи его в турбину 17. Она начинает вращаться, работает электрогенератор 18, от которого работают двигатели 2 компрессора, приводя в работу поршни 7 с помощью червячных передач 3, сжатый в компрессоре воздух будет поступать в трубу спирального нагревателя 14, где рабочее тело нагревается от продуктов сгорания угля в печи 13 и поступает в турбину 17, одновременно с вращением электрогенератора 18 вращается воздушный винт 20, имея угол атаки такой, чтобы не создавать силу тяги до начала руления.
2
3. Отключаем от системы баллоны 28 со сжатым воздухом. Продукты горения от сгорания угля в печи 13 поступают в спиральный нагреватель 14, отдав тепло рабочему телу, покидают нагреватель 14 и выходят в атмосферу через трубу 19. Регулируют параметры работы двигателя (давление, заданную температуру) температурой продуктов сгорания угля в печи 13, поступающих в спиральный нагреватель 14 посредством труб 11. Чтобы получить наивысший КПД, надо поддерживать рабочее давление в системе 25 кг/см и температуру на входе в турбину 17 в пределах +820-830°С, тогда КПД достигнет своего высшего значения 75%. КПД можно увеличить, направляя мятое рабочее тело по трубам 21 из турбины 17 в печь 13, что увеличит теплотворную способность угля, а равно и КПД двигателя, так как мятое рабочее тело - чистый воздух - имеет повышенную температуру по сравнению с температурой угля.
2
Цилиндры изотермического компрессора сжатия воздуха длиной до метра изготавливают из нержавеющих металлов (стали, титана), ибо они будут находиться в воздухе или омываться охлаждающей жидкостью и выдерживать давление изнутри 35 - 40 кг/см. Цилиндры должны хорошо отдавать тепло атмосферному воздуху или охлаждающей жидкости при сжатии воздуха.
Электродвигатели 2 имеют концевые выключатели и надежно крепятся к раме 1 в точке 22.
Спиральный нагреватель 14 от тепла при горении твердого топлива в печи 13 выполняют с помощью двух больших дисков и одного маленького, скрепив их болтами: малый диск посредине, в нем отверстие, куда вставляется конец трубы. Диски закрепляют неподвижно, а трубу вокруг дисков изгибают в спираль. Труба выполняется из тугоплавкого металла - стали или титана, диаметром до 5 см, который должен выдерживать нагрев от угля до +1000°С. Печи выдерживают такую же температуру. Труба 30 от печи 13 в центр спирали тоже выполнена из предложенных металлов и должна быть хорошо теплоизолирована, например асбестом. Трубы из турбины в печь легкие, например из алюминия, и должны иметь тоже хорошую теплоизоляцию и небольшой диаметр 4-5 см.
Турбины и электрогенератор выполняют по освоенным технологиям.
Печь 13 должна обеспечивать надежную защиту экипажа и пассажиров от воздействия продуктов сгорания на них. Для этого печь должна сверху иметь раструб, в нем надежную задвижку для засыпания угля вниз для его горения, сверху раструба надежную крышку и снизу с торца печи тоже крышку для извлечения золы после сжигания топлива. Загрузку следует проводить так: открыть верхнюю крышку раструба, насыпать уголь, открыть задвижку - топливо сыпется вниз. Закрыть задвижку, а затем закрыть крышку. Лучше всего раструб вынести вверх за пределы фюзеляжа, обеспечив безопасность.
2
2
2
2
2
Двигатель оснащен 8-ю электродвигателями для обеспечения работы изотермических компрессоров мощностью 3,75-4 киловатта каждый. Восемь цилиндров компрессора в крыльях длиной 1 м и диаметром 14 см имеют наружную поверхность 0,44 м каждый, а общую - 3, 52 м, а также 8 цилиндров компрессора в фюзеляже длиной 1 м каждый и диаметром 6 см имеют наружную поверхность 0,2 м каждый, а общую 1,6 м. Всего наружная площадь 5,12 м при перепаде температур внутри цилиндра и снаружи примерно в 10°С во время сжатия обеспечит отвод тепла от сжимаемого внутри воздуха во внешнюю среду.
2
Целесообразно печь (камеру) установить в центр спирального нагревателя - это удобно и сохранит тепло, которое необходимо для сохранения и превращения его в работу турбины, что сохранит КПД. Необходимо цилиндры с давлением 5 кг/см в крыле сделать двухстороннего действия, т.е. сверху и снизу - засасывание и сжатие, это облегчит работу электродвигателей компрессора. Установить в промежуточной камере 37 манометр и термометр для контроля работы компрессоров.
Главное - это электродвигатели компрессора, от их надежности зависит благополучный исход полета, ибо компрессор из двух систем (в крыле и фюзеляже) обеспечит надежно работу двигателя, а равно и полет самолета.
Все это - будущее авиации малых высот полета.