RU2542842C2 - Aircraft electromechanical power plant - Google Patents

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to aircraft engineering, particularly, to hybrid aircraft power plant designs. Aircraft electromechanical power plant consists of group of screws each one of which is rotated via reducing gear from electric motors being fed from high=power electrical power plant with one internal combustion engine. The power plant is made with possibility of accumulator charging and feeding cruise screw electric motors by generators powered by horizontal air screws rotating in autorotation mode under incoming high-speed air flow.

EFFECT: higher flight safety, lower expenditures connected with aircraft equipment operation.

6 dwg

Description

Область техники, к которой относиться изобретение.The technical field to which the invention relates.

Изобретение относиться к силовой двигательной установке воздушных судов с приводом винтов во вращательное движение, создающей тягу движения самолетов, вертолетов.The invention relates to a power propulsion system of aircraft with propulsion of the propellers in rotational motion, creating thrust for the movement of aircraft, helicopters.

Уровень техникиState of the art

Аналогом изобретения является привод винтов самолета ТУ114, вертолета МИ12,26, автожиров.An analogue of the invention is the propeller drive of the TU114 aircraft, MI12.26 helicopter, gyroplanes.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

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. The invention is economically advantageous for aircraft with a take-off weight of over 100 tons and using two or more propellers from electric motors for takeoff to drive the propellers into rotational motion.

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.The essence of the invention consists in the following and is aimed at solving a specific technical problem: a) combined use for moving forward, take-off from take-off and landing of mid-flight and horizontal propellers, and for vertical take-off and landing of horizontal large-diameter screws of 28 m, creating a pulling force upwards, rotationally driven by high-power electric motors powered by: GTU6 electric power plant operating from one drive electric motor or from onboard generators, each rotor of which is mounted on a common motor shaft and rotates from autorotation of horizontal screws under the influence of an incoming air stream; b) the use of an electric power plant as a fuel for a driving engine, feeding electric motors of electromechanical screw drives, liquefied gas, its mixture with hydrogen (produced directly on the sea by airborne seaplane installations); c) reducing the weight of the aircraft due to the use of electric motors to drive screws having less weight compared to internal combustion engines, and, accordingly, an increase in carrying capacity; d) the creation of high reliability of the drive due to the separate rotation of the axes of the planetary gear reducer sustainers. Since if one gearbox line fails, the other will provide traction for movement e) ensure flight safety, landing and take-off of the aircraft by using, if necessary, marching and horizontal propellers or marching propellers with simultaneous free rotation of horizontal propellers in autorotation mode from incoming air flow or spin up to 200 rpm before takeoff.

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.As a result of solving this technical problem, it will be significant: a) the cost of building aircraft is reduced, since the cost of electric motors is lower than aircraft engines (the cost of valve jet electric motors is 40-60% lower than similar collector or asynchronous electric motors); b) the cost of transporting and operating aircraft with a take-off weight of 100 tons or more, using 2 or more propellers driven by electric motors, has been reduced due to the use of the GTU 4 or GTU 6 electric power plant with one D30 drive motor for powering electric motors or the use of onboard electric generators; c) increased traffic safety in flight mode, since during acceleration for take-off and landing, the propulsion engine and take-off propulsion system will be used with horizontal propellers, while horizontal propellers rotating with autorotation from the air stream will provide a planning landing when the motors stop.

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).To confirm the correctness of the possible replacement of internal combustion engines by an electric motor in the propeller drive, we carry out the following calculation: we determine the engine torque for the known propulsion system of the TU-114 aircraft (take-off weight of 170 tons) and the engine of the MI-26 helicopter (take-off weight of 56 tons). According to these torques, we determine an electric motor with a similar torque: 1) as an analogue of a power marching propulsion system, we take the propulsion system of a TU-114 aircraft with a four-blade propeller with a diameter of 5.6 m, with a flight speed of 736 rpm (vertical plane of rotation) engine of 15,000 hp, 8300 rpm. 2) As a power propulsion system for vertical take-off of an aircraft, we take the propulsion system from a MI 26 helicopter with an eight-blade horizontal rotor rotor with a diameter of 28 m, engine power of 8500 kW, 8300 rpm. The determination of the torque is made from the power formula for uniform rotational motion (see the appendix).

Расчеты и формулы.Calculations and formulas.

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.1) We determine the torque on the axis of the TU114 engine according to the formula Mkr. = N: w (N is power, w is the angular speed, n is the number of engine revolutions in min), while w = (P × p): 30, where p = 8300 rpm, then w = (3.14 × 8300): 30 = 868.7 rpm. N = 15000 l.c., Mcp. = (15000 × 75 kg m / s): 868.7 rpm = 1295 kg m. The front engine screw takes 54.4% of the power N, the rear 45.6% of the power N, then for the front screw M = 8160 hp, the rear screw N = 6840 hp, then for the front screw Mkr. = (8160 × 75 kg · m / s): 868.7 r / s = 704.5 kg · m, for Micr. = (6840 × 75 kg · m / s): 868.7 r / s = 590 kg · m. We approximately determine the gear ratio of the gearbox from the engine to the TU-114 screw, 8300 rpm: 736 rpm = 11, MKR. at the output from the gearbox to the screw, we obtain so by multiplying Mkr. dv. gear ratio: 1295 kg · m × 11 = 14603 kg · m, then for the front screw MKR = 704.5 × 11 = 7749.5 kg · m, for the rear screw MKR = 590 kg · m × 11 = 6490 kg Using the selection method according to the catalog, we select a direct current motor DA30 4-400, U = 6000 V, N = 250 kW, n = 600 rpm, MKR = 6000 kg · m, which separately ensures rotation of each screw through a planetary gearbox. It is also possible to use an electric motor Мкр. = 10,000 kg · m with high torque, but these electric motors are not suitable for revolutions.

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.2) We determine the torque of the drive motor for the eight-blade propeller gearbox with a diameter of 28 m of the MI26 helicopter, according to the formula Mcp. = N: w, with w = (P × p): 30, where p = 8300 rpm, w = (3 , 14 × 8300): 30 = 868.7 hp, N = 11400 hp, then MKR = (11400 × 75 kg · m): 868.7 r / s = 984 kg · m. Gear ratio from email. motor to propeller with gearbox is 62.5. Then, at the outlet from the gearbox, Mkr. = 984 kgm × 62.5 = 61537.5 kgm. To replace the MI-26 drive motor with email. the engine is applicable electric motor DA30 4-400, U = 6000 V, N = 250 kW, n = 500 rpm, MKR. = 10000 kg · m, the gear ratio between the moments is 61537.5: 10000 = 6, we define MKR. at the exit from the gearbox, MKR. = 0.85 × 10000 kg · m × 7.1 = 60350 kg · m, the number of revolutions of the screw from this el. engine 500 rpm: 7.1 = 70 rpm. In terms of email. the engine does not match, but if its supply voltage is increased to 10,000 V, then its characteristics will be close to those required. To ensure only autorotation mode and MKR. suitable motor N = 500 kW, n = 1800 rpm, U = 660 V, MKR. = 4807 nm Through a gearbox with a gear ratio of 12.5, we determine the revolutions on the screw axis 1800 rpm: 12.5 = 144 rpm and MKR = 0.85 × 4807 × 12.5 = 51074 n.m = 5107 kg m

Осуществление изобретения.The implementation of the invention.

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 м³ сжиженный 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.As electric motors for mid-flight propellers and vertical take-off propellers, it is more expedient to use valve reactive electric motors of the required power with a speed of up to 10,000 rpm (abroad they are produced with a power of 250 kW). Power supply of electric motors is provided from a gas turbine power plant GTU-4 or GTU-6 through voltage converters, if necessary. In this case, fuel is required only for the D-30 drive motor. This ensures the economic operation of aircraft of this type. It is also possible to modernize domestic electric motors using power semiconductors to turn them into valve jet electric motors. The design of the aircraft allows you to place liquefied gas in pipes of composite materials with a volume of up to 15,000 m ³ . For storage of liquefied gas, it is possible to use gas tankers used on Russian railways. Hydrogen obtained from water by electrolysis must also be used as fuel; it is possible to replenish its reserves directly into the sea. For this, hydrogen production facilities must be installed in the aircraft hull. Their type and the required amount can be determined during the design of the aircraft. After take-off, the horizontal rotation screws are switched to autorotation (free rotation from the incoming air flow) and from them the rotation of the generator rotor, made according to the type of jet reactive, which will produce electricity for the main propeller motors and in this case there will be no fuel consumption by the electric power drive installation. The autorotation mode of the propellers will provide a safe flight for landing in case of disabling the propeller propeller drives in an emergency.

ЧертежиBlueprints

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 м², 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. FIG. 1 on three sheets (left, middle, right) top view of the aircraft with the arrangement of vertical and horizontal propeller propellers. 2) FIG. 2 on three sheets is a side view of an aircraft with propulsion system propellers. In FIG. 1, 2 it is indicated: an aircraft with dimensions 96 × 40 × 20 m, draft 1.5 m, deck area 3240 m ² , displacement 1170 tons, weight 80 tons, 1 - hull, 2 - front wing, 3 - rear wing, 4 - air control wheels, 5 - marching engines with vertical screws, 6 - engines with horizontal screws (vertical take-off), 7 - autorotation screws.

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.Appendix (reference materials): 1) Calculation of power for rotational motion according to the reference book “Technical Mechanics” NN Pashkova, 2) kinematic diagram of a single-stage gear reducer, 3) extract from the catalog of electric motors, 4) extract from the catalog of electric power plants.

Claims (1)

Электромеханическая силовая установка воздушного судна, состоящая из группы винтов с приводом каждого во вращательное движение через редуктор от электродвигателей, питающихся от электроэнергетической установки большой мощности с одним приводным двигателем внутреннего сгорания, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью зарядки аккумуляторов и питания электродвигателей маршевых винтов от генераторов, работающих от вращающихся в режиме авторотации горизонтальных воздушных винтов при набегающем скоростном воздушном потоке. Electromechanical power plant of an aircraft, consisting of a group of propellers with each rotationally driven through a gearbox from electric motors powered by a large-capacity electric power plant with one internal combustion engine, characterized in that it is capable of charging batteries and powering the propeller motors from marching generators working from rotating in the autorotation mode of horizontal propellers with an oncoming high-speed air stream.

Images