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Erfindung
Russische Föderation Patent RU2287076
Antriebssystem für ein hypersonischen Flugzeugen
Name des Antragstellers: ". Das Zentralinstitut für Aviation Motors nach PI Baranov dem Namen" Bundes GUP (RU)
Name des Erfinders: Semenov Vyacheslav L. (RU); Galankin Primakow (RU); Serebryakov Damir Ildarovich (RU)
Der Name des Patentinhabers: ". Das Zentralinstitut für Aviation Motors benannt nach PI Baranov" Federal GUP (RU)
Korrespondenzanschrift: 111116, Moskau, ul. Aviamotor, 2, FSUE "CIAM. Baranov," Abteilung für geistiges Eigentum
Startdatum des Patents: 2005.02.24
Das Antriebssystem für ein hypersoni Fahrzeug, umfassend scramjet mindestens eine Verbrennungskammer mit einem Kraftstoffeinspritzvorrichtung und die Zündeinrichtung vorgesehen ist. Die Zündung Eingang mit Sauerstoff versorgt. Das Antriebssystem besteht aus einem Wärmetauscher und Abkühlung des Kraftstoffauslaß Motor Kohlenwasserstoff mit dem Kraftstoffeinspritzvorrichtung verbunden ist. Kraftstoffzufuhr zum Motor umfaßt einen Kraftstofftank und einem Kohlenwasserstoffbrennstoff Turbopumpe Anordnung eine Kreiselpumpe mit einem Eingang an den Ausgang des Kraftstofftanks und dem Auslass zu dem Einlass eines Wärmetauschers verbunden ist. Auf der gleichen Welle mit der Kreiselpumpe ist eine Turbine. Kraftstoffversorgungssystem umfasst ferner eine eigenständige Schaltung zum Erzeugen eines unter Druck stehenden gasförmigen Substanz an die Turbine liefert, die mit dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff in dem Verbrennungsprozess kompatibel ist, dessen Ausgang mit dem Eingang der Turbine verbunden ist und dem Eingang der gasförmigen Substanz, die mit dem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff kompatibel ist, Wasserstoff zugeführt wird. Das technische Ergebnis ist die Zuverlässigkeit der Überschallflugzeuge zu erhöhen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft das Gebiet von Raum und spezielle Ausrüstung, und insbesondere auf Antrieb für Überschallflugzeuge (SFA) und wiederverwendbare Raumtransportsysteme (CITA) und Kombikraftwerke.
Bekannte Antriebsmarschflugkörper enthält Staustrahltriebwerk (Staustrahltriebwerk) von "Vega", "Bluthund", "robot", mit einer Brennkammer, in dem die Kraftstoffzufuhr zu der Brennkammer der Turbopumpeneinheit (TPU), eine Kreiselpumpe, Turbine befindet sich auf der gleichen Welle mit der Kreiselpumpe und eine Laufgeschwindigkeit des Luftdrucks (Foreign von Flugzeugen und Raketen. Verzeichnis der CIAM, Ausgaben von 1967-1971.).
Der Stand der Technik Luftturbine Auswahl ist möglich , mit nur minimalen Verlusten bei niedriger Machzahl, vorzugsweise weniger als 3. Unter diesen Machzahlen Kraftstoffdruck am Ausgang der Pumpe ist klein, geringer Stromverbrauch an der Turbine, die Brennkammerwand Temperatur niedrig ist und die Kühl sie ausreichend für die Verwendung shirokoprimenyaemogo Luftkühlung für die Brennkammern von Gasturbinenmaschine (GTE).
Da die Zahl der Mach 4,5 Flug über Beheizen der Brennraumwände erhöht , so daß ein spezielles Kühlsystem für den Kraftstoff erfordert. Darüber hinaus erzeugt die Turbine Entlüftungs bei hohen Machzahlen zusätzlichen Luftwiderstand SFA.
Bekannten Antriebssysteme mit einer Brennkammer mit einem regenerativen Kühlsystem Wand Brennstoffverbrennungsvorrichtung onboard Kraftstoffbehälter mit Druckballons Tanks für Helium, das Öl aus dem Tank zu der Brennkammer herausgedrückt wird, und Stickstoff, die zur Steuerung des Betriebs puskootsechnyh Ventile notwendig ist Kraftstoff - Durchflussregler zur Regelung der Kraftstoffverbrauch in verschiedenen Flugphasen (Proceedings of the III wissenschaftlichen Konferenz VVIA sie. Zhukovsky, 1996, S. 35).
Die bekannte Anlage hat eine zuverlässige Kühlung der Brennkammerwände bei Mach flight, gleich 6,5. Jedoch führt die Verwendung von Kraftstoffsystemplatine Verdrängungstank in die Verbrennungskammer auf die Notwendigkeit für Bordhochdrucktank, beispielsweise 2,8 MPa. Dies wiederum führt zu einer unannehmbaren Erhöhung der Gewichts Zuführsystem und die Verwendung dieses Antriebssystem nur in Versuchsflugzeug mit onboard kleinen Volumenkapazität und damit eine kurze Flugzeit
Die nächste technische Lösung für den Prototyp angenommen, ist ein Antriebssystem HVA X-43C hypersonisch ramjet PW Firmen (Express Informationen №40 2002 CIAM, S. 6), die für einen Kohlenwasserstoffbrennstoff Turboanordnung mit einem Kraftstofftank umfasst, die eine Kreiselpumpe und eine Turbine auf der gleichen Welle mit der Kreiselpumpe angeordnet ist, wobei der Motor eine Verbrennungskammer, eine Vorrichtung zur Einspritzung und Zündung des Kraftstoffs und dem Wärmetauscher (regenerative Wärmetauscher), dessen Eingang an die ein Kohlenwasserstoff-Kraftstoff aus dem Kraftstofftank durch die Turbopumpeneinheit, die auf dem Motor zirkuliert, es kühlt und wärmt selbst verdampft wird. Die sich ergebende verdampfte Kraftstoff wird zu der Turbine der Turbopumpeneinheit zugeführt, die von der Pumpe erzeugte auf dem Differenzdruck erhitzt verdampfte Kraftstoff betrieben wird.
In der Luft, der Motor und der Brennstoff bei sehr hohen Temperaturen verbrannt wird, die man dem Kohlenwasserstoffbrennstoff verdampft aufzuheizen ermöglicht und einen Druckabfall für die Turbine erstellen. Jedoch erzeugt die bekannte technische Lösung ein Problem, das Starten des Motors, wenn der Motor nicht gestartet wird und der erste Teil des Kraftstoffs in den Wärmetauscher bei der Leerlaufturbopumpeneinheit nur bei niedrigem Druck, die eine Kraftstofftankunterdruckpumpe erzeugt. Gerade nach der Turbine ausgehend Kraftstoff gelangt in den Brennraum, wo die Zündung und Verbrennung mit zusätzlicher Wärmekammerwand.
Der Prozess der ersten Abschnitte der Kohlenwasserstoffbrennstoffheizung und die Förderung der Turbine der Turbopumpeneinheit ist unkontrollierbar, und ihre Dauer ist länger als 10 Sekunden. Während dieser Zeit kann die Geschwindigkeit des hypersonischen Flugzeugen reduziert werden, so dass die Motorbrennkammerwand eine Temperatur, bei welcher haben wird der Kraftstoff verdampft, so dass die Turbine der Turbopumpeneinheit, angetrieben durch einen Differenzdruck Kraftstoffdämpfe nicht die Pumpe zu aktivieren und liefert Kraftstoff an den Motor, dh Starten des Motors nicht passieren wird. Ferner können zusätzliche Instabilität in der ersten Brennstoffzufuhrabschnitte werden Vibrationen und SFA bzw. Kraftstoff in dem Tank und Rohrleitungen in der Trennperiode und der Booster bezdvigatelnogo Planungsvorrichtung erstellen. Daraus können wir davon ausgehen, dass es eine gewisse Wahrscheinlichkeit eines Flugzeugabsturzes ist. Die Wahrscheinlichkeit für einen erfolgreichen Start wird wachsen nur bei hohen Mach Flug mehr als 5,5, wenn die Brennkammerwand stark aufgewärmt ist. Jedoch kann die hohe Erwärmungstemperatur eine Notfallsituation, bis der Ausbrand der Brennraumwände zu erstellen.
Die vorgeschlagene Erfindung zielt auf die Schaffung des Antriebssystems mit dem Scramjet (Scramjet) mit dem Ziel, die die Wahrscheinlichkeit von störungsfreien Start-up und einen störungsfreien Betrieb Scramjet in einem weiten Bereich von Machzahlen von Flug erhöhen erlauben würde (von 2 und höher), ohne eine signifikante Zunahme des Gewichts des Antriebssystems und der Druck in dem Kraftstofftank für einen Kohlenwasserstoffbrennstoff.
Das technische Ergebnis ist die Zuverlässigkeit und verringern die Wahrscheinlichkeit einer Katastrophe hypersonisch Flugzeuge zu erhöhen.
Ein weiterer technischer Effekt ist die Leistung der Turbopumpeneinheit aufgrund der Tatsache zu reduzieren , daß der Kohlenwasserstoffbrennstoff in einen Dampfzustand erhitzt werden kann , und der Betrieb der Turbine der Turbopumpeneinheit zu starten.
Ein weiteres technisches Ergebnis ist , die Verwaltbarkeit Modus Verbrennung und der Verbrennungskammerwände gegen versehentliches Überhitzen zu schützen , zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vortriebs für Überschallflugzeuge , umfassend scramjet mindestens eine Brennkammer mit Brennstoff - Einspritzvorrichtungen, eine Zündvorrichtung und eine Wärmetauscheinheit zum Kühlen des Motors Kohlenwasserstoffbrennstoff bezogenen Ausgangs versehen ist mit eine Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung und die Kraftstoffzufuhr zum Motor, einen Kraftstofftank mit einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einer Turboeinheit, die eine Kreiselpumpe umfassend einen Eingang mit dem Ausgang des Kraftstofftanks und dem Auslass zu dem Einlass eines Wärmetauschers verbunden ist, und eine Turbine auf der gleichen Welle angeordnet eine Kreiselpumpe umfasst das Kraftstoffzufuhrsystem ferner eine eigenständige Schaltung ein unter Druck stehendes gasförmige Substanz zu der Turbine zur Versorgung, die mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in den Verbrennungsprozess kompatibel ist, wird der Ausgang mit dem Eingang der Turbine verbunden ist und der Eingang, als gasförmige Substanz, die mit dem Kohlenwasserstofftreibstoff kompatibel geliefert Wasserstoff.
Vorteilhafterweise enthalten die eigenständige loop Kugel Zylinder Hochdruckwasserstoff auf, über die der Wasserstoffdurchflusssteuerung und die nachfolgende Turbine der Turbopumpeneinheit, würde zum Einspritzen von Brennstoff, eine Zündeinrichtung und die Wärmetauschvorrichtung mit den Eingängen der Einrichtung parallel geschaltet werden.
Vorteilhafterweise ist der Zünder mit dem Eingang des Sauerstoffgas zugeführt.
Machbare und dass das Kraftstoffversorgungssystem des Verbrennungsmotors ferner einen externen Kreislaufsystem für Notfall Schutz der Überhitzung Brennkammerwände aufweist, welcher Eingang mit dem Ausgang des Wärmetauscheinrichtung verbunden würde, und Ausgabe durch Reihe geschaltet Ventilnotfallschutz und eine Düse außerhalb tamosferoy und andere verbunden geschlossene Schleife für die Kraftstoffverteilung in den Einzugszonen der Unterschall- und Überschallverbrennungsmodus, dessen Eingang auf die Freisetzung von Wärmeaustauschvorrichtungen verbunden werden würde, und Ausgabeeinrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff und die Zündung durch die parallelgeschalteten Ventil.
Nachfolgend wird nun die Erfindung beschrieben und der Zeichnung, die erfindungsgemäß pnevmogidroskhema Antriebssystem zeigt.
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Das vorgeschlagene Antriebssystem (DU) enthält scramjet 1, 2 mit einer Einrichtung 3 für die Kraftstoffeinspritzung vorgesehen mindestens eine Verbrennungskammer aufweist, wobei die Zündvorrichtung 4 Kraftstoff, dessen Eingang mit Sauerstoff versorgt, und die Wärmetauscheinrichtung den Motor Kohlenwasserstoffbrennstoff für die Kühlung. Das Antriebssystem enthält auch ein System Kraftstoff zu dem Motor ein Kraftstofftank 5 mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff ist und der Turbopumpeneinheit 6 zuzuführen, mit einer Kreiselpumpe 7 ein Eingang mit dem Ausgang des Kraftstofftanks 5 und eine Turbine 8, die auf der gleichen Welle 9 mit einer Kreiselpumpe gekoppelt mit 7 . Motor 1 wird durch Kohlenwasserstoff-Kraftstoff gekühlt, bevor die Verbrennung in der Vorrichtung Wärmeaustausch kommt. Wärmeaustauschvorrichtung durchgeführt wird, beispielsweise als "Hemd" mit Kanälen entlang der Wände der Verbrennungskammer 2 (in der Zeichnung als Probe Pfeile dargestellt entlang der Brennkammerwände 2), deren Eingang 10 mit dem Ausgang der Zentrifugalpumpe 7. Eingang 10 in dem entgegengesetzten Ende der Kammer angeordnet ist, 7 relativ zur Zündung des Verbrennungs 4. |
Die Vorrichtung 8 umfasst eine Kraftstoffeinspritzseitenpylonen 11 Kraftstoffinjektoren und eine zentrale pylon Brennstoffinjektoren 12 und ist mit dem Ausgang des Wärmetauscheinrichtung verbunden ist.
Das System Antrieb nach der Erfindung hat die Kraftstoffversorgungssystem weiterhin autonome Kreislauf für eine unter Druck stehende gasförmige Substanz zu der Turbine zuzuführen, die mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in den Verbrennungsprozess kompatibel ist. Als Material kompatibel mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in den Verbrennungsvorgang wird Wasserstoff verwendet, der auch die zweite Kraftstoffkomponente wird. Unabhängige Schaltung umfaßt Kugel Ballon 13 mit Hochdruckwasserstoff, der über die Steuerung 14, der Wasserstoffstrom und dem nachfolgenden Turbine 8 Turbopumpeneinheit parallel verbunden mit der Eingabevorrichtung 3 für die Kraftstoffeinspritzen (direkt Pylonen 11 und 12), die Eingangs Zündvorrichtung 4 und dem Einlaß 10 der Wärmeaustauschvorrichtung für ihre Kühlung und Schutz gegen koksootlozheniya.
Das Antriebssystem weist ein System von Brennstoff und äußeren geschlossenen Schleife 15, für die Notfall Schutz der Brennkammerwände 2 gegen Überhitzung, der Eingang an den Ausgang 16 des Wärmetauscheinrichtung gekoppelt ist, und Ausgangs durch aufeinanderfolgende Ventil 17, die Notfallschutz und die Düse 18 mit der Atmosphäre verbunden ist (außerhalb der Kammer Verbrennungs) und die andere äußere geschlossene Schleife 19 für die Kraftstoffverteilungsriemen Beschickung bei Unterschall- und Überschallverbrennungsmodus, wobei der Eingang mit dem Ausgang 16 des Wärmeaustauschvorrichtung und die Ausgabevorrichtung 3, die Kraftstoffeinspritzung (direkt Pylonen 11 und 12) und die Zündvorrichtung 4 parallel über die Ventile 20 und 21 verbunden.
Antriebssystem funktioniert wie folgt
Beim Starten des Motors 13 ein Hochdruck-Wasserstoffballon der Ballon tritt in die Turbine der Turbopumpeneinheit 8 6. Der Druck des Wasserstoffgases eine Turbine 8 antreibt, welche die Pumpe 7 wird gestartet, und Kohlenwasserstoff-Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 5 eingegeben wird in den Wärmetauscher 10 und weiter 3 ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung. Wasserstoffgasturbinenausgang 8 zusammen mit Sauerstoff wird dem Zünder 4, die Flamme durch Dienst erzeugt wird, brennbare Kohlenwasserstoffkraftstoff und Wasserstoff an den Pylonen 11 und 12, die den Motor startet.
Wasserstoff für die scramjet mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in den Verbrennungsprozess kompatibel und stabilisiert weiter den Verbrennungsprozeß mit Überschallverbrennungsmodus durch Interaktion der Wirbelzone der Vorrichtung 3 Kohlenwasserstoff - Kraftstoffeinspritzung mit der Aufgabe der Flamme des Zünders kommt 9. Der Wasserstoff zu dem Wärmetauscher zugeführt koksootlozheniyu in dem Pfad des Wärmetauschers verhindert
Kohlenwasserstoffbrennstoff und Wasserstoff über den Eingang 10 zu einem Wärmetauscher kommen, wo sie an gekühlten Wänden gelangt von der Brennkammer 2 sind durch ihre Wasch erwärmt, um das Gas in dem Austrittssammler am Ausgang gesammelten 16. Bei Überhitzung der Wände 7 der Verbrennungskammer, wenn die Brennkammerwand erwärmt, so dass es möglicherweise eine Notfallsituation aufgrund einer Beschädigung der Verbrennungskammerwände, betätigbares Ventil 17, den Notfallschutz und ein Teil des Kraftstoffs oder einer Kraftstoff auf die Verbrennungstemperatur der Wände der Kammer 2 wird über die Leitung Schaltung 15 durch die Düse 18 in die Atmosphäre unter Umgehung Kammern Trakts entladen abhängig sein 2. Verbrennung der Brennkammer 2 angehalten wird, und die Wände gekühlt werden.
In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und Höhe des Luftstroms in einem geschlossenen Kreislauf 19 zu beeinflussen, ein Kohlenwasserstoffkraftstoff aus dem Ausgang 16 kann eine Strömung zu den an Masten angeordneten Injektoren eingeben 11 Vorrichtung 3 für die Kraftstoffeinspritzung oder in zwei Ströme: einen Strom zu den Injektoren aus dem zentralen 12-polig und die Seitenwände 22, die andere - zu den Injektoren an den Seitenpylonen 11 und dann in der Verbrennungskammer verbrannt Trakts.
Wenn die Fluggeschwindigkeit auf Mach 4,5, öffnet das Signal Fluggeschwindigkeitssensor das Ventil 21 und die Kohlenwasserstoffbrennstoff beginnt ein Strom in die Verbrennungskammer zu fließen, und wird in den Verbrennungsmodus verbrannt Unterschall-
Mit zunehmender Luftgeschwindigkeit von Mach 5,5 bis ein Signal von der Fluggeschwindigkeitssensor öffnet beide Ventile 21 und 22 und die Kohlenwasserstoff-Brennstoff in den Brennraum fließt, in zwei Ströme, und wird in dem Überschallverbrennungsmodus verbrannt.
Gewichtszunahme des vorgeschlagenen Antriebssystems gegenüber dem Stand der Technik aufgrund der zusätzlichen Kugelzylindereinbau mit Hochdruckwasserstoff tritt nicht auf, da die Zusatzmasse Ballonkugel 2 durch Verringerung des Gewichts der Turbopumpeneinheit kompensiert und die Versorgungsleitungen auf Wasserstoff läuft besitz hohe Verarbeitbarkeit bei niedriger Temperatur. So wird es, da, wie oben erwähnt, im Stand der Technik, wobei die Turbine auf die Produkte der Brennstoffverdampfung und Zersetzung bei hoher Temperatur und Druck arbeitet. Daher wird für die Zufuhr von warmem Kraftstoff Zersetzungsprodukte aus dem Kühlsystem für die Turbine und direkt in die Verbrennungskammer nach der Turbine und erfordern isolierten Rohrsammler, dessen Masse wesentlich größer ist als der vorgeschlagene Antrieb. Ferner wird in dem vorgeschlagenen Antrieb Wasserstoff in die Brennkammer einzuführen intensivieren, um die Kraftstoffverbrennungsprozess und Triebwerksschub zu erhöhen. Dies verringert die Länge der Verbrennungskammer im Vergleich zu dem Prototyp, der das Gewicht eines vorgeschlagenen Antriebssystems reduziert, und durch Zug an der Wasserstoffverbrennung Erhöhung des relativen Gewichts des vorgeschlagenen Antriebssystems reduziert.
FORDERUNGEN
Das Antriebssystem für ein hypersoni Fahrzeug, umfassend scramjet mindestens eine Verbrennungskammer mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und einen Zünder vorgesehen ist, dessen Eingang mit Sauerstoff versorgt, und einen Wärmetauscher zum Kühlen des Motors Kohlenwasserstoffbrennstoff zugeordneten Ausgangs mit einer Vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung und die Kraftstoffzufuhr zum Motor, einen Kraftstofftank mit einem Kohlenwasserstoffbrennstoff und einer Turboeinheit, die eine Kreiselpumpe mit einem Eingang, der mit dem Ausgang des Kraftstofftanks und dem Auslass zu dem Einlass eines Wärmetauschers umfasst, und eine Turbine auf einer Welle angeordnet, mit einer Kreiselpumpe, wobei das Kraftstoffversorgungssystem ferner zum Zuführen zu der Turbine eines unter Druck stehenden gasförmigen Substanz, die eine Stand-alone-Schaltung umfasst, die mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in den Verbrennungsprozess kompatibel ist, wird der Ausgang mit dem Eingang der Turbine und dem Eingang der gasförmigen Substanz verbunden ist kompatibel mit dem Kohlenwasserstoff Kraftstoff Wasserstoff versorgt.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein autonomes Schaltungskugel Zylinder Hochdruckwasserstoff enthält, über die der Wasserstoffdurchflusssteuerung und die nachfolgende Turbine der Turbopumpeneinheit parallel mit den Eingängen der Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff und die Zündung des Wärmeaustauschvorrichtung.
Das Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei der Eingang mit dem Zünder Sauerstoffgas zugeführt wird.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoffzuführungssystem des Motors umfasst ferner eine äußere Überhitzung Schleife für Notfall Schutz der Brennkammerwände geschlossen, deren Eingang mit dem Ausgang des Wärmetauscheinrichtung verbunden ist, und einen Ausgang, der Reihe nach durch die Notfallschutzventil verbunden ist und mit der Düse verbunden Atmosphäre und anderen externen geschlossenen Kreislauf für die Kraftstoffverteilung Versorgungszonen bei Unterschall- und Überschallverbrennungsmodus, dessen Eingang mit dem Ausgang des Wärmetauscheinrichtung verbunden ist, und Ausgabevorrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff und die Zündung durch die parallelgeschalteten Ventil.
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Erscheinungsdatum 22.11.2006gg
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