СИЛОВАЯ УСТАНОВКА
POWER PLANT

Изобретение относится к области силовых установок средней или большой мощности и может быть использовано как на транспорте, в том числе авиационном, так и приводном оборудовании разного назначения.
Известна силовая установка, приведенная в патенте RU 2238194 С1, МПК В60K 17/10, B62D 11/18, F16H 39/02, опубл. 20.10.2004 «Гидравлическая система объемной трансмиссии» автора Мокроус В.К. Гидравлическая силовая установка включает в себя кривошипный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), приводящий насос, который связан длинными гидравлическими линиями с гидравлическими двигателями колес и приводным гидравлическим оборудованием. Преимущество в простоте исполнения заключается в том, что основная гидравлическая система может интегрироваться с дополнительным оборудованием. Недостатками установки являются сложность конструкции из двух агрегатов - отдельно кривошипного двигателя и отдельно насоса высокого давления, а также большие гидравлические потери. Последние не дают возможности поднять обороты насоса для повышения компактности транспортной установки.
Известна комбинированная энергоустановка (КЭУ), включающая в себя свободнопоршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), турбокомпрессор с приводом от турбины на продуктах сгорания ДВС, установленный за связанной с полезной нагрузкой расширительной машиной (статья «Всеядный двигатель, диаграмма возможных режимов комбинированных энергоустановок» авторов Иващенко Н.А., Петрова П.П. ISSN 2073-8323, Наука). По сравнению с первым аналогом упростился двигатель, в котором отсутствует коленный вал с кривошипно-шатунным механизмом. Прямолинейное движение поршней в данном случае осуществляется с минимальными потерями энергии. Двигатель обладает самым высоким КПД, достаточно компактен для использования на транспорте. Для авиации КЭУ может быть реализована, например, в варианте двухвального двухкаскадного (расширительной машиной является первая осевая турбина, вращающая винты) турбовинтового двигателя (ТВД). При этом могут потребоваться ограничения по массе и габаритам ДВС с встроенным поршневым компрессором большого диаметра и площади сечений воздушных каналов к последнему от турбокомпрессора. Следует отметить сложность конструкции данного ТВД с соединенными через дополнительное большой мощности шестеренчатое устройство турбоагрегатами (осевым компрессором, первой осевой турбиной и осевой турбиной низкого давления) и планетарный редуктор винтов разного вращения. Недостатками также являются большая длина продуваемого объема цилиндров ДВС (снижение числа циклов ДВС), необходимость механической синхронизации поршней ДВС и трудность запуска КЭУ. Данные недостатки сдерживают применение свободнопоршневых двигателей в авиации.
Силовая установка SU 527524 А1, МПК F02B 71/04, опубл. 15.09.76 «Силовой привод с четырехтактным свободнопоршневым двигателем внутреннего сгорания», принятой за прототип предлагаемого изобретения, включает в себя оппозитные дифференциального исполнения поршни ДВС, насос объединен с двигателем, устройство сжатия, пневмогидравлический аккумулятор, гидростатические двигатели с редукторами для исполнительных механизмов и агрегаты подачи топлива, автоматики и управления. Для уменьшения времени выхода на режим и утилизации энергии торможения применен пневмогидравлический аккумулятор энергии. Недостатками прототипа являются большие габариты и масса аккумулятора энергии (особенно в авиационном варианте), а также трудность получения циклов ДВС с большими частотами, когда потоки рабочего тела в гидравлических линиях сначала сильно разгоняются, а затем тормозятся до нулевых скоростей. В гидравлических линиях устанавливаются клапаны для обеспечения реверса и перепуска в гидравлическую емкость низкого давления или на вход насоса. Это ведет к увеличению гидравлических потерь при увеличении числа циклов ДВС и снижает КПД устройства. Для увеличения мощности потребуется параллельная установка данных ДВС со сложной разветвленной системой гидравлических трубопроводов. Четырехтактное исполнение ДВС упрощает регулирование, однако усложняет конструкцию устройства, увеличивает массу и при этом не повышает КПД двухтактных свободнопоршневых ДВС.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении массо-габаритных характеристик, повышении эффективности данных устройств, простоте соединения большого количества свободнопоршневых двигателей на единую полезную нагрузку и в расширении условий эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в силовой установке, включающей в себя, по меньшей мере, один замкнутый гидравлический контур, содержащий, по меньшей мере, два двигательно-насосные устройства, взаимодействующие с гидравлическим двигателем, каждое двигательно-насосное устройство снабжено оппозитными свободными дифференциальными поршнями, двигателями внутреннего сгорания жидкого охлаждения с газовыми цилиндрами, рабочими цилиндрами и гидравлическими полостями цилиндров дифференциальных поршней, турбокомпрессор и турбину на выхлопных газах, соединенный с полезной нагрузкой гидравлический двигатель, связанный гидравлическими линиями с гидравлическими полостями цилиндров дифференциальных поршней двигательно-насосных устройств, устройствами управления движениями жидкости в одном направлении, подачи топлива, стартером, новым является то, что двигательно-насосное устройство снабжено картером с перекладной заслонкой, образующим гидравлическую полость с цилиндрами дифференциальных поршней, и двумя противоположными отверстиями, к картеру примыкают гидравлические линии замкнутого контура с двух сторон, взаимодействующие с отверстиями входа и выхода гидравлического двигателя.
Перекладная заслонка взаимодействует с устройством, включающим шток поршней с винтовой нарезкой, взаимодействующей с перекидной заслонкой через ведущую и ведомые шестерни, гидравлическим цилиндром перемещения рычага перекидной заслонки относительно валика одной из ведомых шестерен и кулачком толкателя выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания на валике одной из ведомых шестерен.
Силовая установка снабжена реверсирующим устройством перекладки заслонки в противоположное положение.
Двигательно-насосные устройства состыкованы вплотную по входным и выходным отверстиям картеров, выход из последнего отверстия и вход в первый подсоединены к входу последующего и выходу предыдущего гидравлического двигателя соответственно, каждый гидравлический двигатель снабжен валами к стартеру и полезной нагрузке.
Двигательно-насосные устройства состыкованы по окружности в каждом ряду, единый вал полезной нагрузки соединен через редуктор на конических шестернях с полезной нагрузкой, впускные и выпускные клапана двигателей внутреннего сгорания соединены с осевыми компрессором и турбиной соответственно, осевая турбина соединена с осевым компрессором и дополнительно с валом нагрузки шестеренчатым соединительным устройством.
Замкнутые гидравлические контуры расположены параллельно, соединены через редуктор на конических шестернях с устройством поворота подсоединенной нагрузки с воздушными винтами разного вращения, выходы осевых турбин соединены с реактивными соплами, жидкостный теплообменник на фюзеляже самолета взаимодействует с воздушными потоком и толкающими винтами разного вращения.
Силовая установка выполнена в хвостовой части самолета с толкающим винтом с соплом винта для выхлопных газов и снабжена в нижней части воздухозаборником и теплообменником охлаждения цилиндров двигателей внутреннего сгорания.
Предлагаемое изобретение представлено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
На фиг. 1 изображено двигательно-насосное устройство (ДНУ), включающее в себя двигатель внутреннего сгорания (ДВС) 1 с парой оппозитных дифференциальных поршней 3, 4, газовыми цилиндрами 5 и рабочими цилиндрами 6 с полостями С, Д и картером 7, снабженными входными и выходными отверстиями 8, 9 и соединенными с гидродвигателем 2 замкнутым гидравлическим контуром 10. Каждая пара оппозитных дифференциальных поршней соединена штоком 11, с которой взаимодействует перекидная заслонка 12. Цилиндры 5 снабжены впускными клапанами 13, которые соединены с равномерно расположенными по окружности щелями 14 цилиндров 6, снабженных выпускными клапанами 15. Гидродвигатель 2 включает в себя известные эксцентрично расположенный ротор с валом и пластинами 16 и статор 17. Стрелки Рв и Ррг обозначают поступающий воздух и отводящиеся продукты сгорания.
1
2
На фиг. 2 изображен узел поворота перекидной заслонки 12. Данный узел включает в себя шток 11 с винтовой нарезкой, с которой взаимодействует ведущая шестерня 18, в зацеплении с которой находятся ведомые шестерни 19, взаимодействующие выступом (не показан на фиг. 2) с перекидной заслонкой при подходе поршней к верхним точкам цилиндров. Находящийся в зацеплении с одной из ведомых шестерен 19 валик 20 выходит на обе стороны в камеры И, К, в камере И снабжен кулачком 21, который при помощи толкателя (не показан на данной фигуре) связан с выпускным клапаном 13, а в камере К - распределительным устройством для взаимодействия с полостями Е, Ж гидравлического цилиндра 22 с поршнем 23. Стрелка Р указывает на низкое давление, а стрелка P - высокое давление жидкости.
На фиг. 3 изображена внутренняя часть силовой установки транспортного назначения. Данное устройство включает в себя корпус 24, внутри которого расположены по внешнему контуру две подгруппы ДВС 1 с двумя гидродвигателями 2 и стартерами 25. На валах 26 гидродвигателей 2 могут быть установлены редукторы 27. Каждые два соседних ДВС и гидродвигатели соединены гидравлически своими входными и выходными отверстиями (фланцами) соответственно, а их перекладные заслонки находятся в одинаковых положениях для подгруппы ДВС.
На фиг. 4 изображена силовая установка авиационного назначения. Данное устройство включает в себя корпуса 24, внутри каждого корпуса установлены осевой компрессор 28 и осевая турбина 29, связанная как с осевым компрессором 28, так и дополнительно шестеренчатым устройством 30 с валом нагрузки 31. Несколько групп двигательно-насосных устройств с гидродвигателями 2 концентрического расположения, каждая из которых содержит две подгруппы, взаимодействуют с шестью гидродвигателями 2, объединенными одним валом, соединенным с редуктором 32 на базе ведомой и ведущих конических шестерен. Мощность с редуктора 32 передается двум вращающимся в разные стороны винтам 33,34 изменяемого шага. Реактивные сопла 35 установлены на выходе осевых турбин 29. Устройство отклонения вектора тяги винтов 36 установлено перед винтами 33,34. Снаружи на заднюю часть фюзеляжа установлен жидкостный теплообменник 34 охлаждения цилиндров ДВС 1. При реверсировании оборотов винта 34 в работу включается ведомая коническая шестерня 38. Стрелки показывают направление движения воздуха и продуктов сгорания.
На фиг. 5 изображена гидравлическая силовая установка малой авиации. Данное устройство включает в себя заднюю часть фюзеляжа самолета 40, внутри которой установлена группа двигательно-насосных устройств с гидродвигателем 2, воздухозаборник 42 рабочего воздуха и теплообменника охлаждения цилиндров двигателя 43, сопло выброса отработанных газов 44. Толкающий винт 45 механически соединен через редуктор 46 с валом гидродвигателя 2.
Устройство, представленное на фиг. 1, работает следующим образом. При работе ДВС 1 жидкость из полости С поршня 3 двигается через картер 7 на вход гидродвигателя 2, затем давление гидравлической жидкости срабатывает на пластинах данного двигателя и по контуру 10 попадает в картер 7 с другой стороны. Гидравлическая жидкость заполняет полость поршня 4, который двигается к мертвой точке до тех пор, пока в картере 17 не пройдут процессы перекладки перекидной заслонки 12, которые закончатся после момента начала движения поршней в обратном направлении. При новом положении перекидной заслонки 12 поток гидравлической жидкости в контуре 10 продолжает двигаться в том же направлении, что и раньше. При этом гидравлическая жидкость на вход гидродвигателя 2 подается под давлением из поршневой полости Д поршня 4. В момент нахождения поршня 3 около мертвой точки автоматически открывается выпускной клапан 15. Отработанные газы заменяются воздухом под давлением из щелей 14. Далее процесс повторяется. Скорость поршня в начальные и конечные моменты времени перекладки заслонки равны скорости поршня на рабочем участке, падая до нуля в мертвых точках движения поршня. Инерционные массы гидродвигателя 2 и контура 10 поддерживают расход через гидродвигатель примерно постоянным как в конце рабочего участка, так и при малых скоростях движения поршня вблизи мертвых точек. Гидродвигатель 2 работает по инерции в режиме насоса с небольшой потерей оборотов ротора, при этом поршни разгоняются без внешней нагрузки, сильно срезая пик давления жидкости под поршнем в положении около мертвой точки. При движении системы поршней в разные стороны поток жидкости в контуре движется в одном направлении (как маховик в поршневой технике), что позволяет повысить частоту циклов в минуту по сравнению с прототипом. Работа ДНУ в двигательном режиме компенсирует небольшие потери энергии на гидравлические потери при торможении жидкости, когда гидродвигатель работает в системе насоса. По сравнению со свободнопоршневыми цилиндрами ДВС КЭУ длина продувок цилиндров сократилась в два раза, следовательно, число циклов в минуту ДВС предлагаемой установки может резко вырасти.
2
1
Устройство, представленное на фиг. 2, работает следующим образом. Синхронность движения поршней 3,4 и перекидной заслонки 12 обеспечивается узлом поворота перекладной заслонки 12. Ведущая шестерня 18 поворачивается на определенный угол, а ведомые шестерни 19 (одна из них с валиком 32) - на угол 180 градусов. При движении одного из поршней к мертвой точке ведомые шестерни 19 поворачивают перекладную заслонку на половину ее хода. При отходе поршней от мертвой точки известно устройство перекладки перекладной заслонки с гидравлическим цилиндром 22 с поршнем 23 и полостями Е, Ж от перепада давлений линий высокого Р и низкого P давлений жидкости, поступающей в него через открываемые каналы внутри валика 20. После полного поворота заслонки рычаг заслонки закрепляется на упоре в конечном положении. В определенные интервалы времени кулачок 21 с толкателем откроет или закроет выпускной клапан 13.
Реверсирование оборотов пластинчатого гидродвигателя 2 достигается обращением движения потока жидкости в контуре 10, для чего перекладная заслонка перекладывается в другое крайнее положение. При этом могут использоваться известные устройства для смены давлений в полостях Е, Ж цилиндра 22 на противоположные.
Устройство, представленное на фиг. 3, работает следующим образом. Как в начале, так и в процессе работы установки положение всех перекидных заслонок 12 устанавливается одинаковым по положению перекладной заслонки на первой подгруппе ДНУ с отсчетом от входного отверстия гидродвигателя 2. На второй подгруппе ДНУ (после гидродвигателя 2) положение перекидных заслонок может быть сдвинутым по фазе на 90 градусов. При этом некоторые ДНУ в случае неисправностей могут быть выключенными (без топливоподачи, с перекидными заслонками в отпущенном нейтральном положении). Процесс работы ДНУ происходит аналогично описанному на фиг. 1. Перепад давления на выходе гидравлической жидкости каждого последующего ДНУ увеличивается на одну и ту же величину, поэтому на пластинах каждого из двух гидродвигателей 2 формируется высокий перепад давления (крутящий момент) для передачи валам 26, а после редукторов 27 - тяговым устройствам. Таким образом, большое число ДНУ в подгруппе работает на один гидродвигатель небольших габаритов (по сравнению с газовой турбиной).
Устройство, представленное на фиг. 4, работает следующим образом. Поток атмосферного воздуха проходит осевой компрессор (компрессора) 28, впускные 13 и выпускные клапана 15 ДВС 1. После сжатия воздуха, сгорания в нем жидкого топлива, подаваемого форсунками, и расширения продуктов сгорания полезная работа по жидкому контуру групп ДНУ и нескольким гидродвигателям 2 передается при помощи вала нагрузки 31 и редуктора на 32 винтам 33,34. При реверсировании оборотов винтов на посадке на аэродром включается ведомая коническая шестерня 38. На выходе из групп ДВС 1 газ поступает на осевую турбину (турбины) 29. Малая часть реактивной тяги реализуется в реактивном сопле (соплах) 35. Охлаждение цилиндров ДВС обеспечивается жидкостным теплообменником 34. Для уменьшения колебаний давлений в объеме на входе в осевую турбину положение перекидных заслонок на ДНУ гидродвигателей 2 каждого последующего ряда может обеспечивать работу данной группы ДНУ со сдвигом по фазе на 60° относительно ДНУ предыдущего ряда. Отсутствие планетарного редуктора на входе в осевой компрессор, более высокие максимальные температуры и давления термодинамического цикла ДВС (уменьшение расхода воздуха двигателя) и отсутствие камеры сгорания ТВД обеспечивают более высокую эффективность предлагаемой силовой установки. Вход в осевой компрессор не загроможден планетарным редуктором и механизмом поворота винтов, как и корневыми сечениями винтов (при заднем расположении двигателей ТВД нужно было бы добавить влияние крыльев на поток воздуха, поступающий на компрессор). Поэтому КПД осевого компрессора предлагаемой одноконтурной силовой установки, как и его степень повышения давления, будут выше, чем в ТВД. Последние, как правило, устанавливаются на крыльях далеко выдвинутыми вперед. При этом увеличивается масса крыльев, уменьшается прочность конструкции крыла самолета, возрастет аэродинамическое сопротивление и шум в салоне самолета. Создается проблема выброса горячей струи из двигателей. Работа корневых частей винтов предлагаемой силовой установки в пограничном слое корпуса самолета позволит экономить энергию, затрачиваемую на их вращение. Возможность подсоединения нескольких корпусов 24 к двум винтам разного вращения через две пары ведомых конических шестерен (одна для реверсирования) позволит уменьшить массу движителя (ликвидация планетарных редукторов для нескольких ТВД с объединением винтов с их механизмами) и повысить эффективность летательного аппарата. Для одних диаметров осевых компрессоров мощность предлагаемой силовой установки больше в несколько раз, чем у двухконтурного турбореактивного двигателя (ТРДД).
Запуск по группам ДВС в первом приближении. От стартера и гидродвигателей 2, работающих в режимах насосов, например, на одной группе ДНУ (остальные, например, с выключенной подачей топлива и свободной перекидной заслонкой в нейтральном положении). Работа жидкостного теплообменника 34 обеспечивается работой винтов.
Таким образом, по сравнению с прототипом потери в гидравлике перетекания жидкости из одного картера ДНУ в другой настолько малы, что могут сопоставляться с потерями в редукторах. КПД пластинчатых двигателей высокий из-за срабатываемых на них больших перепадов давления, последние снижают расход жидкости (габариты гидродвигателей) и уменьшают гидравлические потери. Доля полезной энергии, приходящаяся на турбоагрегаты, может быть увеличена с ростом давления наддува цилиндров ДНУ. Следовательно, доля полезной энергии цилиндров ДНУ, которая корректируется КПД пластинчатых двигателей в сторону уменьшения, будет меньше. Возможны передаваемые гидродвигателями большие тяговые мощности, соизмеримы с ТВД больших самолетов. Для габаритов (массы) обычного широкофюзеляжного самолета потребуется подвеска одного обтекаемого корпуса на хвостовую часть самолета. При этом по сравнению с прототипом будут отсутствовать гидравлические потери с выходной скоростью продуктов сгорания, так как последние реализуют тягу в соплах. Регулирование мощности изменением шага винтов и отключением подгруппы или группы ДНУ совместно повысит эффективность полетов с недогруженными салонами и выработанными топливными баками летательных аппаратов. В случае аварийных обстоятельств, например роста температуры, в некоторых местах конструкции ДВС возможно отключение некоторых цилиндров ДВС (ДНУ). Внешнее аэродинамическое сопротивление всего самолета (внешние поверхности корпусов силовой установки более компактны и взаимодействуют только с воздухом со скоростью полета, а не со скоростью струй из двигателей) с предлагаемой силовой установкой меньше, чем при всех известных способов размещения любых турбодвигателей на самолетах. В силу простоты конструкции стоимость всего устройства на одинаковую мощность меньше ТВД и ТРДД и сложного компрессора для ТРДД. Вращающие винты большого диаметра с функцией реверса и отклонения вектора тяги повысят КПД предлагаемой силовой установки, более оптимально перераспределят массы последней и могут снизить площади и массы крыльевых стабилизаторов полета.
Если вал нагрузки 31 направить наверх и подсоединить через известные устройства к двум вертолетным винтам разного вращения, то реактивные сопла будут использованы для создания тяги (не потребуется наклонять рабочие винты).
На конвертоплане с предлагаемой силовой установкой вал корпуса (24) устанавливается неподвижно (параллельно оси фюзеляжа) не обязательно на конце крыла, а поворот оси винта (винтов) осуществляется вращением последнего относительно оси вала нагрузки (31). Так как самый длинный элемент силовой установки корпус 24 располагается неподвижно по направлению полета, то крыло конвертоплана может быть расположено и закреплено не выше фюзеляжа. Данное обстоятельство и уменьшение массы тягового поворотного устройства на конце крыла повысят его прочность, способствуют снижению массы конвертоплана и повышению удлинению (эффективности) крыла.
Устройство, представленное на фиг. 5, работает следующим образом. Воздух во входном диффузоре 42 разделяется на два потока: меньший расход проходит теплообменник охлаждения цилиндров двигателя 43 и выбрасывается в атмосферу, а больший расход поступает через входные клапаны в группу ДВС 1 и отработанный в виде продуктов сгорания через выпускные клапана 41 выбрасывается через сопло 44 винта 45 в атмосферу. Крутящий момент от гидродвигателя 2 передается через редуктор 46 толкающему винту 45. На запуске винт обеспечивает движение воздуха через теплообменник охлаждения цилиндров двигателя 43.
В результате обеспечивается улучшенная аэродинамика самолета, высокое КПД самолета с толкающим винтом и легкая конструкция двигателя, который может быть выполнен и в четырехтактном исполнении. Нос самолета освобождается от двигателя, при этом сильно улучшается кабина пилота с появлением возможности установки двух кресел в ряд.