ДВИГАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к авиации, к устройствам, связанным с подачей топлива к силовой установке, с использованием давления газа и нагревом топлива.
Известна топливная система летательного аппарата (ЛА), патент RU №2458827 С2, включающая основной топливный бак (первый вырабатываемый отсек многоотсечного топливного бака), сообщенный магистралью подачи газа с источником газа (воздуха) наддува и дренажным устройством (дренажной горловиной), и дополнительный бак (последний вырабатываемый отсек многоотсечного топливного бака), содержащий газовую и топливную полости, разделенные перегородкой из эластичного материала, при этом газовая полость сообщена с дополнительным дренажным устройством и, через закрытый управляемый клапан с источником газа наддува, а топливная полость сообщена магистралью перелива топлива с первым вырабатываемым отсеком через открытый управляемый клапан и с магистралью подачи топлива в двигатель, сообщенной с заправочной горловиной. ЛА может быть оснащен воздушно-реактивным двигателем (ВРД), снабженным собственной топливной системой и реактивным соплом. ВРД вместе с известной топливной системой составляют двигательную установку ЛА. Для обеспечения герметичности многоотсечного топливного бака после заправки топливом, магистраль подачи топлива в топливную систему ВРД и магистраль подачи воздуха наддува могут быть снабжены пусковыми клапанами.
Существенными признаками двигательной установки летательного аппарата, совпадающими с признаками прототипа являются следующие: двигательная установка летательного аппарата, содержащая воздушно-реактивный двигатель, снабженный топливной системой и реактивным соплом, многоотсечный топливный бак, снабженный заправочной и дренажной горловинами, отсеки которого сообщены магистралями перелива топлива между собой последовательно, и, через первый вырабатываемый отсек, магистралью подачи воздуха, снабженной пусковым клапаном, с источником воздуха избыточного давления, а через последний вырабатываемый отсек, магистралью подачи топлива, снабженной пусковым клапаном, с топливной системой воздушно-реактивного двигателя.
Использование в двигательной установке ЛА перспективных жидких топлив для получения большей теплоты сгорания в камере сгорания ВРД топлива, заправленного в отсеки топливного бака, сопряжено с увеличением вязкости и плотности топлив ([1]: Дубовкин Н.Ф., Яновский Л.С. и др. "Топлива для воздушно-реактивных двигателе, М. издательско-типографический центр "МАТИ" - Российский государственный технический университет, 2001, стр. 260-262), что не позволяет использовать в составе двигательной установки ЛА существующие, разработанные ранее ВРД, в связи с уменьшением коэффициента полезного действия насоса топливной системы двигателя, ухудшением распыла топлива и нормального смесеобразования в камере сгорания ВРД ([2]: Розенович Е.В. "Авиационные топлива, масла и специальные жидкости" М: Военное издательство МО СССР, 1958, стр. 26, 27). Разработка нового ВРД, обеспечивающего использование перспективных топлив с увеличенной вязкостью и плотностью, требует проведения научных исследований и экспериментальных работ, больших затрат времени на их выполнение и большой стоимости разработки.
Предлагаемой двигательной установкой ЛА решается техническая задача работоспособности существующих ВРД при заправке в отсеки топливного бака двигательной установки топлива с увеличенной вязкостью и плотностью.
Для решения поставленной задачи в двигательной установке летательного аппарата, содержащей воздушно-реактивный двигатель, снабженный топливной системой и реактивным соплом, многоотсечный топливный бак, снабженный заправочной и дренажной горловинами, отсеки которого сообщены магистралями перелива топлива между собой последовательно, и, через первый отсек, магистралью подачи воздуха, снабженной пусковым клапаном, с источником воздуха избыточного давления, а через последний вырабатываемый отсек, магистралью подачи топлива, снабженной пусковым клапаном, с топливной системой воздушно-реактивного двигателя, заправочная и дренажная горловины сообщены с последним вырабатываемым отсеком, остальные отсеки топливного бака сообщены с дополнительными заправочной и дренажной горловинами для заправки топлива увеличенной вязкости и плотности, предпоследний вырабатываемый отсек снабжен насосом объемного типа, выход которого сообщен с магистралью подогрева топлива, сообщенной с последним вырабатываемым отсеком топливного бака и содержащей теплообменник, установленный на реактивном сопле воздушно-реактивного двигателя и сообщенный с участками магистрали подогрева топлива через пусковые клапаны. Для уменьшения невырабатываемых остатков топлива в отсеках, заправленных топливом с увеличенной вязкостью, магистраль подогрева топлива за теплообменником сообщена дополнительной линией подачи подогретого топлива с первым вырабатываемым отсеком, снабженной, пусковым и отсечным клапанами и устройством ограничения расхода, при этом магистраль подогрева топлива на входе в последний вырабатываемый отсек снабжена устройством ограничения расхода. Для унификации конструкции ВРД, независимо от применяемого топлива, и уменьшения количества магистралей связывающих топливный бак с ВРД, двигательная установка ЛА снабжена теплообменной колонкой, содержащей корпус, сообщенный с окружающей средой, а также, установленные в корпусе воспламенительное устройство и топливную горелку, сообщенную через отсечные клапаны с магистралями подачи топлива и воздуха, при этом теплообменник магистрали подогрева топлива установлен в корпусе теплообменной колонки. Для автоматического управления включением подогрева топлива увеличенной вязкости и отключением подогрева, расходный отсек снабжен датчиком температуры в его полости.
Отличительными признаками предлагаемой двигательной установки ЛА являются следующие: заправочная и дренажная горловины сообщены с последним вырабатываемым отсеком, остальные отсеки топливного бака сообщены с дополнительными заправочной и дренажной горловинами для заправки топлива увеличенной вязкости и плотности, предпоследний вырабатываемый отсек снабжен насосом объемного типа, выход которого сообщен с магистралью подогрева топлива, сообщенной с последним вырабатываемым отсеком топливного бака и содержащей теплообменник, установленный на реактивном сопле воздушно-реактивного двигателя и сообщенный с участками магистрали подогрева топлива через пусковые клапаны; магистраль подогрева топлива за теплообменником сообщена дополнительной линией подачи подогретого топлива с первым вырабатываемым отсеком, снабженной, пусковым и отсечным клапанами, и устройством ограничения расхода, при этом магистраль подогрева топлива на входе в последний вырабатываемый отсек снабжена устройством ограничения расхода; двигательная установка снабжена теплообменной колонкой, содержащей корпус, сообщенный с окружающей средой, а также, установленные в корпусе воспламенительное устройство и топливную горелку, сообщенную через отсечные клапаны с магистралями подачи топлива и воздуха, при этом теплообменник магистрали подогрева топлива установлен в корпусе теплообменной колонки; последний вырабатываемый отсек снабжен датчиком температуры в его полости.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков, в совокупности с известными, указанными в ограничительной части формулы, обеспечивается возможность использования в двигательной установке ЛА топлив с увеличенной вязкостью и плотностью для работы существующих, разработанных ранее ВРД, использующих топлива меньшей вязкости и плотности, что в свою очередь, при одном и том же объеме топливного бака, увеличивает массу заправляемого в него топлива, время работы ВРД и дальность полета ЛА или, при одной и той же дальности полета ЛА, позволяет уменьшить объем многоотсечного топливного бака и освободить место под дополнительное оборудование, либо уменьшить общий объем ЛА, его аэродинамическое сопротивление в полете и, за счет этого уменьшить расход топлива ВРД и его запас в многоотсечном топливном баке.
Двигательная установка ЛА может найти применение в авиации для увеличения дальности полета ЛА с ВРД или экономии топлива на определенную дальность полета ЛА.
Двигательная установка ЛА поясняется чертежами, фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлена двигательная установка с теплообменником, установленным на реактивном сопле ВРД.
На фиг. 2 представлена двигательная установка с теплообменником, установленным в теплообменной колонке.
Представленная на фиг. 1 и 2 двигательная установка ЛА содержит ВРД 1, снабженный топливной системой 2 и реактивным соплом 3, многоотсечный топливный бак 4, снабженный заправочной и дренажной горловинами 5 и 6, соответственно, отсеки 7, 8 и 9 которого сообщены магистралями 10 и 11 перелива топлива между собой последовательно, и, через первый вырабатываемый отсек 7, магистралью 12 подачи воздуха, снабженной пусковым клапаном 13, с источником 14 воздуха избыточного давления, а через последний вырабатываемый отсек 9, магистралью 15 подачи топлива, снабженной пусковым клапаном 16, с топливной системой 2 ВРД 1. Заправочная и дренажная горловины 5 и 6, соответственно, сообщены с последним вырабатываемым отсеком 9, остальные отсеки 7 и 8 топливного бака 4 сообщены с дополнительными заправочной и дренажной горловинами 17 и 18, соответственно, для заправки топлива увеличенной вязкости и плотности, предпоследний вырабатываемый отсек 8 снабжен насосом 19 объемного типа, выход которого сообщен с магистралью 20 подогрева топлива, сообщенной с последним вырабатываемым отсеком 9 топливного бака 4 и содержащей теплообменник 21, установленный на реактивном сопле 3 ВРД 1 и сообщенный с участками магистрали 20 подогрева топлива через пусковые клапаны 22 и 23. Магистраль 20 подогрева топлива за теплообменником 21 сообщена дополнительной линией 24 подачи подогретого топлива с первым вырабатываемым отсеком 7, снабженной, пусковым и отсечным клапанами 25 и 26, соответственно, и устройством 27 ограничения расхода, при этом магистраль 20 подогрева топлива снабжена устройством 28 ограничения расхода на входе в последний вырабатываемый отсек 9. Двигательная установка может быть снабжена теплообменной колонкой, содержащей корпус 29, сообщенный с окружающей средой, а также установленные в корпусе 29, воспламенительное устройство 30 и топливную горелку 31, сообщенную линией 32 с магистралью 15 подачи топлива и линией 33 с магистралью 12 подачи воздуха. Последний вырабатываемый отсек 9 снабжен датчиком 34 температуры в его полости. В линиях 32 и 33 установлены отсечные клапаны 35 и 36, соответственно.
Двигательная установка ЛА работает следующим образом. Через открытую заправочную горловину 5, при открытой дренажной горловине 6, в расходный отсек 9 топливного бака 4 заправляется традиционное (штатное) топливо, используемое ВРД 1. После чего заправочная и дренажная горловины, 5 и 6, соответственно, закрываются. Через открытую заправочную горловину 17, при открытой дренажной горловине 18, в предпоследний вырабатываемый отсек 8 заливается жидкое топливо с увеличенной вязкостью и плотностью, при этом избыток воздуха из отсека 8 перетекает по магистрали 10 перелива топлива в первый вырабатываемый отсек 7, из которого через открытую дренажную горловину 18 стравливается в атмосферу. После заполнения предпоследнего вырабатываемого отсека 7, топливо с увеличенной вязкостью перетекает по магистрали 10 перелива, заполняя первый вырабатываемый отсек 7. После заправки отсеков 8 и 7 топливом с увеличенной вязкостью и плотностью, заправочная и дренажная горловины, соответственно, 17 и 18, закрываются. Для запуска ВРД 1 задействуются пусковые клапаны 13, 16, 22, 23 и 25, и насос объемного типа 19. При этом, воздух избыточного давления из источника 14 по магистрали подачи воздуха 12 поступает в первый вырабатываемый отсек 7 поддавливая находящееся в нем топливо с увеличенной вязкостью и плотностью. Одновременно, топливо с увеличенной вязкостью и плотностью насосом 19 объемного типа забирается из предпоследнего вырабатываемого отсека 8 и под действием избыточного давления насоса 19 объемного типа перетекает по магистрали 20 подогрева топлива в последний вырабатываемый отсек 9. При этом за счет отбора топлива из предпоследнего вырабатываемого отсека 8, давление топлива в нем уменьшается и, под действием перепада давления между отсеками 7 и 8, из отсека 7 по магистрали 10 перелива в отсек 8 поступает объем топлива с увеличенной вязкостью и плотностью, замещая объем топлива, отбираемый в нем насосом 19 объемного типа. Благодаря тому, что насос 19 выполнен объемного типа, в котором жидкое топливо перемещается путем периодического изменения объема его камеры, попеременно сообщающейся со входом и выходом насоса, насосом 19 обеспечивается подача жидкого топлива с увеличенной вязкостью ([3]: Лобачев П.В. "Насосы и насосные станции", Москва, Стройиздат, 1990, стр. 6 и 132). Поступающее по магистрали 20 подогрева топлива в последний вырабатываемый отсек 9 топлива с увеличенной вязкостью увеличивает давление в нем, под действием которого находящееся там штатное топливо с меньшей вязкостью и плотностью, по магистрали 15 подачи поступает в топливную систему 2 ВРД 1, обеспечивая его запуск. После запуска ВРД 1 топливо с увеличенной вязкостью и плотностью, протекающее по магистрали 20 нагрева топлива через теплообменник 21 увеличивает свою температуру, нагреваясь от высокотемпературной струи выхлопных газов ВРД, за счет теплопроводности конструкционных материалов реактивного сопла 3 и теплообменника 21. При этом плотность топлива уменьшается незначительно, пропорционально увеличению его температуры, а вязкость топлива изменяется существенно, по степенному закону ([1], стр. 51, [2], стр. 26). Степень увеличения температуры зависит от площади поверхности теплообменника 21 и выбирается такой, чтобы топливо с увеличенной вязкостью уменьшило вязкость до значения вязкости штатного топлива, используемого ВРД 1. Количество топлива с увеличенной вязкостью, поступившее по магистрали 20 нагрева в последний вырабатываемый отсек 9 за время запуска ВРД 1 и прогрева конструкционных материалов сопла 3 и теплообменника 21, незначительно, по сравнению с объемом отсека 9, поэтому и несущественно изменяет вязкость, находящегося там штатного топлива. Благодаря тому, что топливо из первого вырабатываемого отсека 7 и предпоследнего вырабатываемого отсека 8 поступает в топливную систему 2 ВРД 1 с вязкостью уменьшенной до значения вязкости штатного топлива, в ВРД 1 не происходит существенного изменения коэффициента полезного действия его топливного насоса, гидравлических потерь давления его системы регулирования расхода топлива и качества распыла топлива в его камере сгорания (на чертежах не показаны), поэтому обеспечивается работоспособность ВРД 1. Величина проходного сечения дросселя 28 выбирается такой, чтобы расход топлива по магистрали 20 в последний вырабатываемый отсек 9 был не менее максимального расхода топлива по магистрали 15 подачи, потребляемого топливной системой 2 ВРД 1, при этом, когда расход топлива в топливную систему 2 меньше максимального, избыток топлива из последнего вырабатываемого отсека 9 перетекает по магистрали 11 перелива обратно в предпоследний вырабатываемый отсек 8. Подогретое топливо, поступающее по линии 24 подачи в первый вырабатываемый отсек 7 перемешивается с находящимся в отсеке 7 более вязким топливом, при этом средняя температура топлива в отсеке 7 увеличивается, а вязкость уменьшается, при этом, благодаря переливу по магистрали 10 топлива с увеличивающейся по времени температурой, увеличивается и температура топлива в отсеке 8, с отставанием от температуры топлива в отсеке 7, и уменьшается вязкость (а также и во всех промежуточных отсеках многоотсечного топливного бака 4, при их наличии, на чертежах не показаны). Величина дросселя 27 выбирается такой, чтобы расход по дополнительной линии 24 подачи подогретого топлива в первый вырабатываемый отсек 7, и переливаемый по магистрали 10 в предпоследний вырабатываемый отсек 8, обеспечил за время опорожнения первого вырабатываемого отсека 7. уменьшение вязкости топлива в отсеке 8 (а также и во всех промежуточных отсеках многоотсечного топливного бака 4 и при их наличии) до значения вязкости штатного топлива. Производительность насоса 19 объемного типа выбирается равной сумме расходов топлива через дроссели 27 и 28. Поскольку топливо в предпоследнем вырабатываемом отсеке 8 нагревается в последнюю очередь, вязкость топлива в первом вырабатываемом отсеке 7 (а также и в промежуточных отсеках многоотсечного топливного бака, при их наличии) будет меньше вязкости топлива в отсеке 8. При увеличении температуры в отсеке 8 до значения, соответствующего уменьшению вязкости топлива до значения вязкости штатного топлива, обеспечивающего работоспособность ВРД 1, определяемого по величине сигнала датчика 34 температуры, система управления (на чертежах не показана) ЛА отключает насос 19 объемного типа и задействует отсечной клапан 26, при этом остаток топлива в теплообменнике нагревается до температуры кипения и избыток паров топлива через дроссель 28 и магистраль 20 подогрева топлива стравливается в последний вырабатываемый отсек 9, где конденсируются обратно в топливо, поскольку температура топлива в отсеке 9 меньше температуры кипения. Время подогрева топлива увеличенной вязкости в отсеке 8 до необходимой температуры может быть определено экспериментально, при этом в полете ЛА его система управления отключает насос 19 объемного типа и задействует отсечной клапан 26 по истечении необходимого времени работы ВРД 1, при этом датчик 34 температуры может не задействоваться или выполняет дублирующую функцию, для увеличения надежности работы двигательной установки. При отсутствии дополнительной линии 24 подогрева топлива (п. 1 формулы), при не очень большой первоначальной вязкости топлива в отсеках 7 и 8 и приемлемых невырабатываемых остатках топлива в этих отсеках, производительность насоса 19 объемного типа выбирается исходя из максимального расхода топлива, потребляемого топливной системой 2 ВРД 1. При установке теплообменника 21 в корпусе 29 (фиг. 2) теплообменной колонки двигательная установка работает аналогично. Отличия заключаются в том, что при запуске ВРД 1 в топливную горелку 31 подается топливо по линии 32 из магистрали 15 подачи топлива и воздух по линии 33 из магистрали 12 подачи воздуха, и включается воспламенительное устройство 30, обеспечивая воспламенение и сгорание топлива в полости корпуса 29, и подогрев горячими продуктами сгорания топлива, протекающего по теплообменнику 21. Как показывают расчеты расход топлива по линии 32 в топливную горелку 31 составляет менее 1% от расхода топлива по магистрали 15 подачи в топливную систему 2 ВРД 1, при начальной вязкости 2000 сСт топлива в отсеках 7 и 8. После подогрева топлива в отсеках 7 и 8, одновременно с отключением насоса 19 и задействованием отсечного клапана 26, задействуются отсечные клапаны 35 и 36 в линиях 32 и 33, соответственно, при этом прекращается подача топлива и воздуха в топливную горелку 31, и подогрев топлива, находящегося в теплообменнике 21.