ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ВОЗДУШНОГО СУДНА
AIRCRAFT ELECTROMECHANICAL POWER PLANT

Область техники, к которой относиться изобретение.
Изобретение относиться к силовой двигательной установке воздушных судов с приводом винтов во вращательное движение, создающей тягу движения самолетов, вертолетов.
Уровень техники
Аналогом изобретения является привод винтов самолета ТУ114, вертолета МИ12,26, автожиров.
Раскрытие изобретения
Изобретение экономически выгодно для воздушных судов взлетным весом от 100 тонн и использующих для взлета два и более воздушных винта от электродвигателей для привода во вращательное движение воздушных винтов.
Сущность изобретения состоит в следующем и направлена на решение определенной технической задачи: а) совместном применении для движения вперед, взлета с разбега и посадки маршевых и горизонтальных воздушных винтов, а для вертикального взлета и посадки горизонтальных винтов большого диаметра 28 м, создающих силу тяги вверх, приводимых во вращательное движение электродвигателями большой мощности, питающимися: электроэнергетической установкой ГТУ6, работающей от одного приводного электродвигателя или от бортовых генераторов, ротор каждого из которых установлен на общем валу электродвигателя и вращается от авторотации горизонтальных винтов под воздействием набегающего воздушного потока; б) применении в качестве топлива для приводного двигателя электроэнергетической установки, питающей электродвигатели электромеханических приводов винтов, сжиженного газа, смесь его с водородом (вырабатываемым непосредственно в море бортовыми установками для гидросамолетов); в) уменьшение веса воздушного судна за счет применения электродвигателей для привода винтов, имеющих меньший вес по сравнению с двигателями внутреннего сгорания, и, соответственно, увеличение грузоподъемности; г) создание высокой надежности привода ввиду раздельного вращения осей планетарного редуктора маршевых винтов. Так как при отказе одной линии редуктора другая обеспечит силу тяги для движения д) обеспечение безаварийности полета, посадки и взлета воздушного судна за счет применения при необходимости одновременно маршевых и горизонтальных винтов или маршевых винтов с одновременным свободным вращением горизонтальных винтов в режиме авторотации от набегающего воздушного потока или раскрутки винтов до 200 об/мин перед взлетом.
Вследствие решения данной технической задачи будет существенно: а) уменьшена себестоимость строительства воздушных судов, так как стоимость электродвигателей ниже, чем авиадвигателей (себестоимость вентильных реактивных электродвигателей на 40-60% ниже аналогичных коллекторных или асинхронных электродвигателей); б) уменьшена стоимость перевозок и эксплуатации воздушных судов взлетным весом от 100 тонн, использующих 2 и более винтов, приводимых в движение электродвигателями, ввиду применения электроэнергетической установки ГТУ 4 или ГТУ 6 с одним приводным двигателем Д30 для электропитания электродвигателей или применения бортовых электрогенераторов; в) повышена безопасность движения в режиме полета, так как при разгоне для взлета и посадке будут задействованы маршевая двигательная установка и двигательная установка взлета горизонтальными винтами, а вращающиеся при движении в режиме авторотации от воздушного потока горизонтальные винты обеспечат планирующую посадку при остановке электродвигателей.
Для подтверждения верности возможной замены двигателей внутреннего сгорания электродвигателем в приводе воздушных винтов проводим следующий расчет: определяем крутящий момент двигателя для известной двигательной установки самолета ТУ-114 (взлетный вес 170 тонн) и двигателя вертолета МИ-26 (взлетный вес 56 тонн). По данным крутящим моментам определяем электродвигатель с близким по значению крутящим моментом: 1) в качестве аналога силовой маршевой двигательной установки берем двигательную установку самолета ТУ-114 с четырехлопастным винтом диаметром 5.6 м, с числом оборотов в полете 736 об/мин (вертикальной плоскости вращения),двигателем в 15000 л.с., 8300 об/мин. 2) В качестве силовой двигательной установки вертикального взлета воздушного судна берем двигательную установку от вертолета МИ 26 с восьмилопастным винтом горизонтального вращения диаметром 28 м, мощностью двигателя 8500 кВт, 8300 об/мин. Определение крутящего момента производим из формулы мощности для равномерного вращательного движения (см. приложение).
Расчеты и формулы.
1) Определяем крутящий момент на оси двигателя ТУ114 по формуле Мкр.=N:w (N - мощность, w - угловая скорость, п - число оборотов двигателя в мин), при этом w=(П×п):30, где п=8300 об/мин, тогда w=(3,14×8300):30=868,7 об/с. N=15000 л.c., Mкp.=(15000×75 кг·м/с):868,7 об/с=1295 кг·м. Передний винт двигателя берет 54,4% мощности N, задний 45,6% мощности N, тогда для переднего винта М=8160 л.с., заднего винта N=6840 л.с., тогда для переднего винта Мкр.=(8160×75 кг·м/с):868,7 об/с=704,5 кг·м, для Мкр.=(6840×75 кг·м/с):868,7 об/с=590 кг·                                                                                                                                                м. Приближенно определяем передаточное число редуктора от двигателя в винту ТУ-114, 8300 об/мин: 736 об/мин = 11, Мкр. на выходе от редуктора к винту получаем так умножением Мкр. дв. на передаточное число: 1295 кг·м × 11=14603 кг·м, тогда для переднего винта Мкр.=704,5×11=7749,5 кг·м, для заднего винта Мкр.=590 кг·.м × 11=6490 кг·м. Методом подбора по каталогу выбираем электродвигатель постоянного тока ДА30 4-400, U=6000 В, N=250 кВт, п=600 об/мин, Мкр.=6000 кг·м, который через планетарный редуктор раздельно обеспечит вращение каждого винта. Возможно использование также электродвигателя Мкр.=10000 кг·м с большим крутящим моментом, но данные электродвигатели не подходят по оборотам.
2) Определяем крутящий момент приводного двигателя для редуктора восьмилопастного винта диаметром 28 м вертолета МИ26, по формуле Mкp.=N:w, при этом w=(П×п):30, где п=8300 об/мин, w=(3,14×8300):30=868,7 л.с., N=11400 л.с., тогда Мкр.=(11400×75 кг·м):868,7 р/с=984 кг·м. Передаточное число от эл. двигателя на винт с редуктора составляет 62,5. Тогда на выходе с редуктора Мкр.=984 кг·м × 62,5=61537,5 кг·м. Для замены приводного двигателя МИ-26 на эл. двигатель применим электродвигатель ДА30 4-400, U=6000 В, N=250 кВт, п=500 об/мин, Мкр.=10000 кг·м, передаточное число между моментами равно 61537,5:10000=6, определим Мкр. на выходе с редуктора, Мкр.=0,85 × 10000 кг·м × 7,1=60350 кг·м, число оборотов винта от этого эл. двигателя 500 обмин: 7,1=70 об/мин. По оборотам эл. двигатель не соответствует, но если его напряжение питания увеличить до 10000 В, то его характеристики будут близки к требуемым. Для обеспечения только режима авторотации и Мкр. подходит электродвигатель N=500 кВт, п=1800 об/мин, U=660 В, Мкр.=4807 н.м. Через редуктор с передаточным числом 12,5 определим обороты на оси винта 1800 об/мин:12,5=144 об/мин и Мкр.=0,85×4807×12,5=51074 н.м=5107 кг·м.
Осуществление изобретения.
3
В качестве электродвигателей маршевых винтов и винтов вертикального                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    взлета целесообразнее применить вентильные реактивные электродвигатели необходимой мощности с числом оборотов до 10000 об/мин (за границей производятся мощностью 250 кВт). Питание электродвигателей обеспечить от газотурбинной электроэнергетической установки ГТУ-4 или ГТУ-6 через преобразователи напряжения в случае необходимости. В этом случае топливо потребуется только для приводного двигателя типа Д-30. Этим обеспечиться экономичность эксплуатации воздушных судов такого типа. Также возможна модернизация отечественных электродвигателей с помощью силовых полупроводников для превращения их в вентильные реактивные электродвигатели. Конструкция воздушного судна позволяет разместить в трубах из композитных материалов объемом до 15000 мсжиженный газ. Для хранения сжиженного газа возможно применить емкости газовозов, применяемые на россйских железных дорогах. В качестве топлива необходимо применять и водород, получаемый из воды электролизом, его запасы возможно пополнять непосредственно в море. Для этого в корпусе воздушного судна необходимо установить установки для производства водорода. Тип их и необходимое количество возможно определить при проектировании воздушного судна. После взлета винты горизонтального вращения переводятся в режим авторотации (свободного вращения от набегающего воздушного потока) и от них возможно вращение ротора генератора, изготовленного по типу вентильного реактивного, который будет производить электроэнергию для электродвигателей маршевых винтов и в этом случае не будет потребления топлива приводным двигателем электроэнергетической установки. Режим авторотации винтов обеспечит безопасный полет для посадки в случае отключения приводов маршевых винтов при аварийной ситуации.
Чертежи
2
Фиг. 1 на трех листах (левый, средний, правый) вид сверху воздушного судна с расположением вертикальных и горизонтальных винтов двигательной установки. 2) Фиг. 2 на трех листах - вид сбоку на воздушное судно с расположением винтов двигательной установки. На фиг. 1, 2 указано: воздушное судно с размерами 96×40×20 м, осадкой 1,5 м, площадь палубы 3240 м, водоизмещением 1170 тонн, весом 80 тонн, 1 - корпус, 2 - крыло переднее, 3 - крыло заднее, 4 - рули управления воздушные, 5 - двигатели маршевые с вертикальными винтами, 6 - двигатели с горизонтальными винтами (вертикального взлета), 7 - винты авторотации.
Приложение (справочные материалы): 1) Расчет мощности для вращательного движения по справочнику «Техническая механика» Пашкова Н.Н., 2) кинематическая схема одноступенчатого зубчатого редуктора, 3) выписка из каталога на электродвигатели, 4) выписка из каталога на электростанции.