Гибридная силовая установка беспилотного летательного аппарата

Область техники
Полезная модель относится к области авиации, в частности к конструкциям силовых установок летательных аппаратов.
Уровень техники
Двигатели БПЛА, как и другие двигатели, требуют наличия системы охлаждения для обеспечения удовлетворительной работы двигателя и предотвращения перегрева и связанных с ним возможных отказов.
Из уровня техники известна система охлаждения двигателей летательных аппаратов вертолётного типа к системам охлаждения двигателей летательных аппаратов вертолетного типа. Система включает рубашку охлаждения двигателя (1), радиаторы, сообщенные подводящим и отводящим трубопроводами с рубашкой охлаждения. Система снабжена установленными на входе или выходе радиаторов индивидуальными термостатами. Радиаторы выполнены в виде ряда полых дефлекторов (5) воздушного потока, расположенных под несущими винтами (14) и подключенных к подводящему и отводящему трубопроводам параллельно (RU 2734172, опубл. 13.10.2020).
Также из уровня техники известна система водяного охлаждения двигателя беспилотного летательного аппарата, включающая рубашку охлаждения блока цилиндров и охладительный контур (CN 109592027, 09.04.2018).
Из уровня техники также известна система охлаждения двигателя летательного аппарата вертолетного типа, включающая рубашку охлаждения двигателя, расположенные возле несущих винтов радиаторы, сообщенные подводящим и отводящим трубопроводами с рубашкой охлаждения (CN 107697309, опубл. 16.02.2018).
Из уровня техники известна система охлаждения двигателя для беспилотного аппарата с прямым приводом от основного двигателя двух вентиляторов, принудительно охлаждающих жидкость в двух радиаторах (CN 106741977, опубл.31.06.2017).
В приведенных аналогах заявленного технического решения реализованы жидкостные системы охлаждения, включающие систем циркуляции жидкого хладагента, баки или резервуары с жидким хладагентом, насосы, трубопроводы и т. д., которые увеличивают общий вес БПЛА, а также увеличивают шансы отказов системы охлаждения и, следовательно, отказа двигателя.
Из уровня техники известно множество решений, реализующих возможность воздушного охлаждение силовых установок БПЛА, в которых охлаждение обеспечивается за счет увеличения скорости воздуха, достигаемой по мере увеличения скорости полета БПЛА после взлета.
В общем на данный момент из уровня техники известны следующие основные технические решения, предназначенные для обеспечения охлаждения: охлаждение с организацией обдува от набегающего потока при большой скорости полета через совки и воздухозаборники; охлаждение от набегающего потока, организованного тяговым винтом; водяное охлаждение с выводом радиатора под воздушный поток от тягового винта; установка дополнительного вентилятора для нагнетания потока на рубашку ДВС и электромотор.
Однако данные решения либо не решают проблемы по охлаждению силовой установки во время нахождения БПЛА в режиме ожидания на посадочной площадке, при этом отсутствует принудительное охлаждение за счет набегающего потока воздуха, что может привести к локальному перегреву силовой установки и частичному и полному выходу ее из строя, либо являются сложными по своей сути и увеличивают вес БПЛА.
Заявленное техническое решение решает указанную проблему, обеспечивая охлаждение силовой установки во всех режимах ее работы, в том числе в режиме ожидания.
Сущность полезной модели
Задачей, решаемой заявленным техническим решением, является создание принудительной воздушной системы охлаждения гибридной силовой установки для беспилотного летательного аппарата, обеспечивающей охлаждение гибридной силовой установки во всех режимах эксплуатации, в том числе во время нахождения БПЛА в режиме ожидания на посадочной площадке.
Технический результат заявленного технического решения заключается в обеспечении принудительного охлаждения гибридной силовой установки, в том числе, во время нахождения БПЛА в режиме ожидания на посадочной площадке.
Технический результат заявленного технического решения достигается за счёт того, что гибридная силовая установка БПЛА, включающая двигатель внутреннего сгорания и электрогенератор; при этом ротор упомянутого электрогенератора установлен на ведущем валу двигателя внутреннего сгорания; а упомянутый двигатель внутреннего сгорания содержит кожух, установленный вокруг цилиндра двигателя внутреннего сгорания с образованием воздушного канала; причем кожух выполнен с входным и выходным раструбами, при этом во входном раструбе установлен осевой вентилятор, снабженный ведомым шкивом; а торцевая стенка ротора электрогенератора выполнена в виде осевого вентилятора, при этом внешняя цилиндрическая поверхность ротора выполнена в виде ведущего шкива; при этом передача крутящего момента от ведущего шкива на ведомый шкив осевого вентилятора выполнена в виде ременной передачи.
В частном случае реализации заявленного технического решения двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит второй цилиндр, расположенный оппозитно к упомянутому первому цилиндру, при этом вокруг второго цилиндра двигателя внутреннего сгорания установлен кожух с образованием воздушного канала, причем кожух выполнен с входным и выходным раструбами, при этом во входном раструбе установлен осевой вентилятор, снабженный ведомым шкивом; торцевая стенка ротора электрогенератора выполнена в виде осевого вентилятора, при этом внешняя цилиндрическая поверхность ротора выполнена в виде двойного ведущего шкива, при этом передача крутящего момента от ведущего шкива на ведомые шкивы осевых вентиляторов выполнена в виде ременной передачи.
В частном случае реализации заявленного технического решения ременная передача содержит зубчатый ремень.
В частном случае реализации заявленного технического решения осевой вентилятор выполнен с внешним кольцом, при этом ведомый шкив выполнен на упомянутом внешнем кольце.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - схема гибридной установки.
Фиг. 2 - температурное зонирование гибридной установки.
Фиг. 3 - пример гибридной силовой установки с двухцилиндровым двигателем.
Фиг. 4 - пример гибридной силовой установки с двухцилиндровым двигателем.
Фиг. 5 - вариант выполнения ведомого шкива.
Элементы гибридной силовой установки размещены с учетом соблюдения их рабочих температур. Гибридная силовая установка зонально разделена на 2 части: холодная зона и горячая зона. Атмосферный воздух попадает через воздухозаборник летательного аппарата в холодную зону (на изображении движение воздуха осуществляется слева на право, направление полета аппарата справа налево), в холодной зоне находится электрогенератор, его рабочая температура составляет не более 120°С. Атмосферный воздух нагнетается крыльчаткой осевого вентилятора ротора во внутреннюю область электрогенератора, проходит через обмотки и внутренние каналы охлаждения статора, отводя от них излишки тепла. Далее нагретый воздух попадает в горячую зону. В горячей зоне находится ДВС гибридной силовой установки. Атмосферный воздух также напрямую попадает в горячую зону гибридной силовой установки. Он через воздушный канал нагнетается на рубашку охлаждения цилиндра ДВС с помощью крыльчатки, приводимой в движение выходным валом ДВС через ременную передачу. Воздух, проходя через ребра охлаждения рубашки ДВС, отводит излишки тепла от ДВС и выбрасывается в задней части аппарата наружу. По мере перемещения воздуха слева направо происходит увеличение его температуры.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - ведущий вал ДВС; 2 - ротор электрогенератора; 3 - осевой вентилятор электрогенератора; 4 - ведущий шкив; 5 - зубчатый ремень; 6 - ведомый шкив; 7 - осевой вентилятор охлаждения; 8 - рубашка ДВС; 9 - воздушный канал.
Раскрытие полезной модели
Гибридная силовая установка БПЛА выполнена в виде двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и электрогенератора, которые и являются основными элементами гибридной силовой установки БПЛА, выделяющими тепло. При отсутствии принудительного охлаждения указанные агрегаты быстро выходят из строя из-за перегрева, обусловленного особенностями конструкции.
В заявленном техническом решении ротор электрогенератора (2) установлен на ведущем валу ДВС (1) установлен ротор электрогенератора (2). При этом торцевая стенка ротора выполнена в виде осевого вентилятора (3). Выполнение торцевой стенки ротора электрогенератора в виде крыльчатки осевого вентилятора обеспечивает нагнетание воздуха на обмотки и во внутренние каналы статора электрогенератора, обеспечивая отвод тепла. При этом внешняя цилиндрическая поверхность ротора выполнена с возможностью передачи крутящего момента посредством ременной передачи, в частности внешняя цилиндрическая поверхность ротора выполнена в виде ведущего шкива (4).
При этом вокруг цилиндра двигателя внутреннего сгорания установлен кожух. Кожух установлен вокруг цилиндра с образованием воздушного канала между упомянутым кожухом и упомянутым цилиндром двигателя внутреннего сгорания. При этом кожух выполнен с входным и выходным раструбами. Внутри входного раструба на кронштейне установлен осевой вентилятор (7). Осевой вентилятор снабжен ведомым шкивом (6). Осевой вентилятор размещен над ротором электрогенератора и расположен напротив цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
Ведущий шкив (4) передает с помощью зубчатого ремня (5) крутящий момент на ведомый шкив (6), соединенный с осевым вентилятором (7), установленным над электрогенератором перед рубашкой ДВС (8). Между вентилятором и рубашкой ДВС организован воздушный канал (9).
Заявленное устройство работает следующим образом.
ДВС передает крутящий момент через ведущий вал на ротор электрогенератора. Выполненная на торце ротора электрогенератора крыльчатка осевого вентилятора нагнетает воздух на обмотки и во внутренние каналы статора электрогенератора, обеспечивая отвод тепла. Часть мощности двигателя внутреннего сгорания отбирается через ременную передачу на крыльчатку осевого вентилятора, установленного во входном раструбе кожуха охлаждения ДВС. Осевой вентилятор обеспечивает принудительное охлаждение цилиндра двигателя, нагнетая в воздушный канал между цилиндром и кожухом поток воздуха, который в свою очередь охлаждает цилиндр двигателя внутреннего сгорания.
Предложенная схема охлаждения гибридной установки обеспечивает комбинированное охлаждение электрогенератора и цилиндра ДВС в неблагоприятных условиях работы, которые характеризуются слабым естественным обдувом тепловыделяющих узлов агрегата, ограниченными габаритами моторного отсека, ограничениями питания внешних систем охлаждения (установка электрических вентиляторов), например, при установке на борту БПЛА.
Данная схема позволяет сократить число элементов системы охлаждения (возможность исключить из системы электродвигатель вентилятора, регулятор оборотов, электронный блок управления охлаждением). Повышается надежность системы за счет меньшего количества элементов и отсутствия электронных компонентов управления. При этом вентилятор электрогенератора производит забор воздуха в холодной зоне перед агрегатом и выбрасывает нагретый воздух в горячую зону, в которой находится ДВС с более высокой температурой работы. Таким образом, обеспечивается температурное зонирование в гибридной установке.
3
Частным случаем исполнения устройства является гибридная силовая установка мощностью 5 кВт. В качестве ДВС применяется одноцилиндровый двухтактный двигатель объемом 58 см. В качестве электрогенератора используется бесколекторный электромотор максимальной мощностью 5.5 кВт и значением KV 130 об/В.
3
Техническое решение может применяться и на ДВС с двумя и более цилиндрами. Так на фиг.4 представлена гибридная силовая установка с двухцилиндровым двигателем общим объемом 60 см. В таком случае для охлаждения ДВС используются два вентилятора (7), установленных в два отдельных воздушных канала (9) напротив каждой рубашки охлаждения (8). Корпус электрогенератора (4) служит ведущим шкивом для передачи крутящего момента на два ведомых шкива (6) осевых вентиляторов (7).
Шкив осевого вентилятора рубашки ДВС может размещаться на внешнем кольце (фиг.5), что позволяет убрать ремень из потока, подобрать более низкую частоту оборотов вращения крыльчатки и уменьшить консольность шкива, благодаря перемещению его ближе к плоскости крепления крыльчатки.