СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВОЗДУШНОГО СУДНА
AIRCRAFT POWER PLANT

Изобретение относится к авиационным силовым установкам, а более конкретно - к устройству гибридных силовых установок с электроприводом, работающим от твердоксидных топливных элементов, предназначено для воздушных судов.
Известны энергетические установки для различных транспортных средств, использующие электрохимические генераторы (ЭХГ) постоянного тока с низкотемпературными кислородно-водородными топливными элементами и химический реактор для получения водорода, работающий на растворе щелочи и измельченном алюминии (см. патент РФ №2267836 С2 по классу Н01М 8/06 за 2006 г.). В качестве электрохимического генератора могут использоваться щелочные, твердополимерные или фосфорно-кислые водородные топливные элементы. Наличие химического реактора для получения водорода и системы хранения исходных веществ обуславливают высокую массу энергетической системы. Для подготовки и подачи реагентов в ЭХГ затрачивается часть генерируемой энергии, при этом не используется тепло, выделяющееся в ЭХГ, что предопределяет низкий полный КПД установки.
Указанные недостатки частично устранены в известной гибридной вспомогательной силовой установке (ВСУ) для воздушного судна (см. патент США №6834831 В2 по классу B64D 33/00 за 2004 г.), состоящей из блока высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), катодные полости которых на выходе герметичными каналами последовательно соединены с газовыми полостями теплообменника, камерой дожигания и микротурбиной, которая имеет выходной вал, соединенный с центробежным компрессором и электрогенератором, а на входе катодные полости последовательно соединены с воздушными полостями теплообменника и источником атмосферного воздуха. Источник топлива последовательно через теплообменник и реформатор соединен с входом анодных полостей ТОТЭ, а на выходе анодные полости соединены через газовые каналы теплообменника с камерой дожигания. Топливный элемент имеет электрическую связь с бортовой электрической сетью воздушного судна через инвертор, а электрогенератор напрямую соединен с электрической сетью воздушного судна.
Недостатками рассматриваемой схемы являются высокая удельная масса основных элементов системы: топливного элемента (1,89 кг/кВт), реформера, инвертора и генератора, а также получение полезной мощности только в виде электроэнергии для бортовой сети воздушного судна. При этом для преобразования получаемой электрической мощности в полезную мощность, например, на валу воздушного винта летательного аппарата требуется электродвигатель. Удельная масса современных традиционных электродвигателей, электрогенераторов составляет 4…15 кг/кВт, что делает невозможным использование данной гибридной ВСУ в качестве основной для воздушного судна. Применение данной гибридной ВСУ оправдано только на широкофюзеляжных магистральных авиалайнерах в качестве бортового источника электроэнергии при продолжительности полетного цикла более 4 часов.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей известной силовой установки с целью обеспечения возможности ее использования в качестве основной силовой установки воздушного судна.
Указанный технический результат достигается тем, что в силовой установке, содержащей высокотемпературные твердооксидные топливные элементы, катодные полости которых на выходе герметичными каналами последовательно соединены с газовыми полостями теплообменника, камерой дожигания и микротурбиной, которая имеет выходной вал, соединенный с центробежным компрессором, а на входе катодные полости последовательно соединены с воздушными полостями теплообменника и компрессора, согласно заявленному изобретению, силовая установка содержит реактивное сопло, соединенное с выходным каналом микротубины, и воздушный винт, соединенный с синхронным электродвигателем, содержащим сверхпроводящие элементы, охлаждаемые в роторе жидким водородом, причем электродвигатель подключен через инвертор к топливным элементам, при этом последовательно соединены между собой герметичными каналами резервуар с жидким водородом, ротор электродвигателя, инвертор и испаритель, соединенный со входом анодных полостей топливных элементов, которые на выходе герметично соединены с камерой дожигания.
На приведенном чертеже изображена принципиальная схема силовой установки с твердооксидными топливными элементами для воздушного судна.
2
3
2
3
Силовая установка для воздушного судна имеет резервуар с жидким водородом 1, соединенный герметичными теплоизолированными каналами с полостями короткозамкнутого ротора синхронного электродвигателя 2 с объемными диамагнитными высокотемпературными сверхпроводящими (ВТСП) элементами, в качестве которых могут использоваться элементы из YBCO керамики, висмутовой керамики или любых других ВТСП элементов. Насос для перекачки жидкого водорода (не показан) имеет привод от ротора электродвигателя 2 и объединен с ним в едином корпусе. Ротор электродвигателя 2 имеет гидравлическую связь с помощью герметичных теплоизолированных каналов с трансформатором инвертора 3, регулятором расхода 4, испарителем 5 и входом анодных полостей ТОТЭ 6. Испаритель 5 может быть конструктивно совмещен с радиатором тиристоров инвертора 3 или с полостями наружного корпуса ТОТЭ 6. В ТОТЭ электролитом может быть иттрий (YO), стабилизированный оксидом циркония (ZrO), материалом анода является керамический Ni/8YSZ, а катода - стронций дурманил манганит лантана (Sr дурманил LaMnO). Могут быть использованы любые другие известные сочетания материалов на основе проводящих ионы кислорода керамики. Анодные полости ТОТЭ на выходе с помощью герметичного трубопровода последовательно соединены с камерой дожигания 7 и микротурбиной 8, которая имеет механическую связь с центробежным компрессором 9 и электростартером 10. Микротурбина может быть центростремительной или осевой. Система подачи атмосферного воздуха в катодные полости ТОТЭ 6 включает в себя последовательно соединенные между собой герметичным трубопроводом воздухозаборник 11, воздушный фильтр 12, компрессор 8, противоточный теплообменник 13. Катодные каналы ТОТЭ 6 на выходе соединены с камерой дожигания 7 через теплообменник 13. Выходной канал микротурбины 8 соединен с реактивным соплом 14. Топливный элемент 6 имеет электрическую связь с инвертором 3, а инвертор - с электродвигателем 2. При этом инвертор 3 и электродвигатель 2 соединены с бортовой электрической сетью воздушного судна. Ротор электродвигателя 2 соединен напрямую с валом воздушного винта 15. Камера дожигания 7 соединена отдельным герметичным трубопроводом с водородным каналом инвертора 3 через регулятор расхода 16.
При установившемся режиме работы жидкий водород из резервуара 1 подается по герметичному теплоизолированному каналу в полости ротора электродвигателя 2, а затем, проходя инвертор 3, охлаждает его трансформатор и через регулятор расхода 4 попадает в испаритель 5, где он нагревается и переходит в газообразное состояние. При этом регулятор расхода 16 полностью закрыт.Из испарителя 5 водород попадает на анод топливного элемента 6, где происходит его электрохимическое окисление и образование водяного пара. Водяной пар и неиспользованный водород поступают в камеру дожигания 7, где происходит дожигание водорода. В камеру дожигания 7 воздух поступает из катодных полостей топливного элемента 6 через теплообменник 13. Из камеры дожигания 7 нагретый газ поступает в микротурбину 8, а затем выбрасывается в атмосферу через сопло 14, создавая дополнительную тягу. Сжатый воздух подается в топливный элемент 6 с помощью одноступенчатого центробежного компрессора 9, приводимого в действие микротурбиной 8. Очистка воздуха, прошедшего воздухозаборник 11, происходит в фильтре 12, а необходимая температура достигается с помощью теплообменника 13. Постоянное напряжение, вырабатываемое топливным элементом 6, преобразуется в переменное напряжение инвертором 3 и подается на электродвигатель 2, выходной вал которого вращает воздушный винт 15 воздушного судна. Часть электрической мощности от инвертора 3 может передаваться в бортовую сеть воздушного судна. При работе в режиме запуска напряжение от бортовой сети воздушного судна подается на электростартер 10, осуществляющий запуск микротурбины 8, и на электродвигатель 2, осуществляющий привод водородного насоса и воздушного винта 15. Водород подается напрямую в камеру дожигания 7 через регулятор расхода 16. После достижения устойчивой работы камеры дожигания 7 отключается электростартер 10. При достижении необходимой частоты вращения микротурбины 8 и расчетных параметров воздуха на входе в топливный элемент 6 выполняется плавное закрытие регулятора расхода 16 и открытие регулятора расхода 4 в положение, соответствующее расчетному расходу топлива, электродвигатель 2 отключатся от бортовой сети воздушного судна и полностью потребляет электрическую мощность от топливного элемента 6.
Предлагаемая схема силовой установки допускает использование электродвигателя с ВТСП элементами в роторе и инвертора, обладающих в несколько раз меньшими размерами и массой, а также более высоким КПД по сравнению с традиционными электродвигателями и инверторами при одинаковой электрической мощности, что снижает общий удельный вес силовой установки и позволяет использовать ее в качестве основной на воздушном судне.
Предлагаемая силовая установка для воздушного судна в сравнении с существующим уровнем техники обладает рядом преимуществ. Удельный расход топлива предлагаемой силовой установки с оптимальными параметрами в 4.0…9.7 раз ниже удельного расхода топлива поршневых двигателей и роторно-поршневых двигателей, наиболее распространенных в настоящее время на воздушных судах, оснащенных силовыми установками мощностью 15…100 кВт. Использование электродвигателя и твердооксидных топливных элементов практически полностью исключает выбросы вредных веществ в атмосферу и существенно снижает уровень шума силовой установки по сравнению с поршневыми двигателями.