Силовая установка для воздушного судна


 


Владельцы патента RU 2462398:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный технический университет" (RU)

Гибридная силовая установка для воздушного судна содержит высокотемпературные твердооксидные топливные элементы, катодные полости которых на выходе герметичными каналами последовательно соединены с газовыми полостями теплообменника, камерой дожигания и микротурбиной. Микротурбина имеет выходной вал, соединенный с центробежным компрессором. На входе катодные полости последовательно соединены с воздушными полостями теплообменника и компрессора. Силовая установка содержит реактивное сопло, соединенное с выходным каналом микротурбины, и воздушный винт, соединенный с синхронным электродвигателем. Электродвигатель содержит сверхпроводящие элементы, охлаждаемые в роторе жидким водородом. Электродвигатель подключен через инвертор к топливным элементам. Последовательно соединены между собой герметичными каналами резервуар с жидким водородом, ротор электродвигателя, инвертор и испаритель, соединенный со входом анодных полостей топливных элементов, которые на выходе герметично соединены с камерой дожигания. Достигается снижение удельного веса силовой установки и повышение ее экономичности, что позволяет использовать ее в качестве основной на воздушном судне. 1 ил.

 

Изобретение относится к авиационным силовым установкам, а более конкретно - к устройству гибридных силовых установок с электроприводом, работающим от твердоксидных топливных элементов, предназначено для воздушных судов.

Известны энергетические установки для различных транспортных средств, использующие электрохимические генераторы (ЭХГ) постоянного тока с низкотемпературными кислородно-водородными топливными элементами и химический реактор для получения водорода, работающий на растворе щелочи и измельченном алюминии (см. патент РФ №2267836 С2 по классу Н01М 8/06 за 2006 г.). В качестве электрохимического генератора могут использоваться щелочные, твердополимерные или фосфорно-кислые водородные топливные элементы. Наличие химического реактора для получения водорода и системы хранения исходных веществ обуславливают высокую массу энергетической системы. Для подготовки и подачи реагентов в ЭХГ затрачивается часть генерируемой энергии, при этом не используется тепло, выделяющееся в ЭХГ, что предопределяет низкий полный КПД установки.

Указанные недостатки частично устранены в известной гибридной вспомогательной силовой установке (ВСУ) для воздушного судна (см. патент США №6834831 В2 по классу B64D 33/00 за 2004 г.), состоящей из блока высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), катодные полости которых на выходе герметичными каналами последовательно соединены с газовыми полостями теплообменника, камерой дожигания и микротурбиной, которая имеет выходной вал, соединенный с центробежным компрессором и электрогенератором, а на входе катодные полости последовательно соединены с воздушными полостями теплообменника и источником атмосферного воздуха. Источник топлива последовательно через теплообменник и реформатор соединен с входом анодных полостей ТОТЭ, а на выходе анодные полости соединены через газовые каналы теплообменника с камерой дожигания. Топливный элемент имеет электрическую связь с бортовой электрической сетью воздушного судна через инвертор, а электрогенератор напрямую соединен с электрической сетью воздушного судна.

Недостатками рассматриваемой схемы являются высокая удельная масса основных элементов системы: топливного элемента (1,89 кг/кВт), реформера, инвертора и генератора, а также получение полезной мощности только в виде электроэнергии для бортовой сети воздушного судна. При этом для преобразования получаемой электрической мощности в полезную мощность, например, на валу воздушного винта летательного аппарата требуется электродвигатель. Удельная масса современных традиционных электродвигателей, электрогенераторов составляет 4…15 кг/кВт, что делает невозможным использование данной гибридной ВСУ в качестве основной для воздушного судна. Применение данной гибридной ВСУ оправдано только на широкофюзеляжных магистральных авиалайнерах в качестве бортового источника электроэнергии при продолжительности полетного цикла более 4 часов.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей известной силовой установки с целью обеспечения возможности ее использования в качестве основной силовой установки воздушного судна.

Указанный технический результат достигается тем, что в силовой установке, содержащей высокотемпературные твердооксидные топливные элементы, катодные полости которых на выходе герметичными каналами последовательно соединены с газовыми полостями теплообменника, камерой дожигания и микротурбиной, которая имеет выходной вал, соединенный с центробежным компрессором, а на входе катодные полости последовательно соединены с воздушными полостями теплообменника и компрессора, согласно заявленному изобретению, силовая установка содержит реактивное сопло, соединенное с выходным каналом микротубины, и воздушный винт, соединенный с синхронным электродвигателем, содержащим сверхпроводящие элементы, охлаждаемые в роторе жидким водородом, причем электродвигатель подключен через инвертор к топливным элементам, при этом последовательно соединены между собой герметичными каналами резервуар с жидким водородом, ротор электродвигателя, инвертор и испаритель, соединенный со входом анодных полостей топливных элементов, которые на выходе герметично соединены с камерой дожигания.

На приведенном чертеже изображена принципиальная схема силовой установки с твердооксидными топливными элементами для воздушного судна.

Силовая установка для воздушного судна имеет резервуар с жидким водородом 1, соединенный герметичными теплоизолированными каналами с полостями короткозамкнутого ротора синхронного электродвигателя 2 с объемными диамагнитными высокотемпературными сверхпроводящими (ВТСП) элементами, в качестве которых могут использоваться элементы из YBCO керамики, висмутовой керамики или любых других ВТСП элементов. Насос для перекачки жидкого водорода (не показан) имеет привод от ротора электродвигателя 2 и объединен с ним в едином корпусе. Ротор электродвигателя 2 имеет гидравлическую связь с помощью герметичных теплоизолированных каналов с трансформатором инвертора 3, регулятором расхода 4, испарителем 5 и входом анодных полостей ТОТЭ 6. Испаритель 5 может быть конструктивно совмещен с радиатором тиристоров инвертора 3 или с полостями наружного корпуса ТОТЭ 6. В ТОТЭ электролитом может быть иттрий (Y2O3), стабилизированный оксидом циркония (ZrO2), материалом анода является керамический Ni/8YSZ, а катода - стронций дурманил манганит лантана (Sr дурманил LaMnO3). Могут быть использованы любые другие известные сочетания материалов на основе проводящих ионы кислорода керамики. Анодные полости ТОТЭ на выходе с помощью герметичного трубопровода последовательно соединены с камерой дожигания 7 и микротурбиной 8, которая имеет механическую связь с центробежным компрессором 9 и электростартером 10. Микротурбина может быть центростремительной или осевой. Система подачи атмосферного воздуха в катодные полости ТОТЭ 6 включает в себя последовательно соединенные между собой герметичным трубопроводом воздухозаборник 11, воздушный фильтр 12, компрессор 8, противоточный теплообменник 13. Катодные каналы ТОТЭ 6 на выходе соединены с камерой дожигания 7 через теплообменник 13. Выходной канал микротурбины 8 соединен с реактивным соплом 14. Топливный элемент 6 имеет электрическую связь с инвертором 3, а инвертор - с электродвигателем 2. При этом инвертор 3 и электродвигатель 2 соединены с бортовой электрической сетью воздушного судна. Ротор электродвигателя 2 соединен напрямую с валом воздушного винта 15. Камера дожигания 7 соединена отдельным герметичным трубопроводом с водородным каналом инвертора 3 через регулятор расхода 16.

При установившемся режиме работы жидкий водород из резервуара 1 подается по герметичному теплоизолированному каналу в полости ротора электродвигателя 2, а затем, проходя инвертор 3, охлаждает его трансформатор и через регулятор расхода 4 попадает в испаритель 5, где он нагревается и переходит в газообразное состояние. При этом регулятор расхода 16 полностью закрыт.Из испарителя 5 водород попадает на анод топливного элемента 6, где происходит его электрохимическое окисление и образование водяного пара. Водяной пар и неиспользованный водород поступают в камеру дожигания 7, где происходит дожигание водорода. В камеру дожигания 7 воздух поступает из катодных полостей топливного элемента 6 через теплообменник 13. Из камеры дожигания 7 нагретый газ поступает в микротурбину 8, а затем выбрасывается в атмосферу через сопло 14, создавая дополнительную тягу. Сжатый воздух подается в топливный элемент 6 с помощью одноступенчатого центробежного компрессора 9, приводимого в действие микротурбиной 8. Очистка воздуха, прошедшего воздухозаборник 11, происходит в фильтре 12, а необходимая температура достигается с помощью теплообменника 13. Постоянное напряжение, вырабатываемое топливным элементом 6, преобразуется в переменное напряжение инвертором 3 и подается на электродвигатель 2, выходной вал которого вращает воздушный винт 15 воздушного судна. Часть электрической мощности от инвертора 3 может передаваться в бортовую сеть воздушного судна. При работе в режиме запуска напряжение от бортовой сети воздушного судна подается на электростартер 10, осуществляющий запуск микротурбины 8, и на электродвигатель 2, осуществляющий привод водородного насоса и воздушного винта 15. Водород подается напрямую в камеру дожигания 7 через регулятор расхода 16. После достижения устойчивой работы камеры дожигания 7 отключается электростартер 10. При достижении необходимой частоты вращения микротурбины 8 и расчетных параметров воздуха на входе в топливный элемент 6 выполняется плавное закрытие регулятора расхода 16 и открытие регулятора расхода 4 в положение, соответствующее расчетному расходу топлива, электродвигатель 2 отключатся от бортовой сети воздушного судна и полностью потребляет электрическую мощность от топливного элемента 6.

Предлагаемая схема силовой установки допускает использование электродвигателя с ВТСП элементами в роторе и инвертора, обладающих в несколько раз меньшими размерами и массой, а также более высоким КПД по сравнению с традиционными электродвигателями и инверторами при одинаковой электрической мощности, что снижает общий удельный вес силовой установки и позволяет использовать ее в качестве основной на воздушном судне.

Предлагаемая силовая установка для воздушного судна в сравнении с существующим уровнем техники обладает рядом преимуществ. Удельный расход топлива предлагаемой силовой установки с оптимальными параметрами в 4.0…9.7 раз ниже удельного расхода топлива поршневых двигателей и роторно-поршневых двигателей, наиболее распространенных в настоящее время на воздушных судах, оснащенных силовыми установками мощностью 15…100 кВт. Использование электродвигателя и твердооксидных топливных элементов практически полностью исключает выбросы вредных веществ в атмосферу и существенно снижает уровень шума силовой установки по сравнению с поршневыми двигателями.

Силовая установка для воздушного судна, содержащая высокотемпературные твердооксидные топливные элементы, катодные полости которых на выходе герметичными каналами последовательно соединены с газовыми полостями теплообменника, камерой дожигания и микротурбиной, которая имеет выходной вал, соединенный с центробежным компрессором, а на входе катодные полости последовательно соединены с воздушными полостями теплообменника и компрессора, отличающаяся тем, что силовая установка содержит реактивное сопло, соединенное с выходным каналом микротурбины, и воздушный винт, соединенный с синхронным электродвигателем, содержащим сверхпроводящие элементы, охлаждаемые в роторе жидким водородом, причем электродвигатель подключен через инвертор к топливным элементам, при этом последовательно соединены между собой герметичными каналами резервуар с жидким водородом, ротор электродвигателя, инвертор и испаритель, соединенный со входом анодных полостей топливных элементов, которые на выходе герметично соединены с камерой дожигания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к титановому материалу для сепаратора твердополимерного топливного элемента, обладающего низким контактным сопротивлением, который может быть использован для автомобилей и маломерных электрогенерирующих систем.

Изобретение относится к твердооксидному элементу, к способу его получения. .

Изобретение относится к конструкции блочных электрохимических устройств с твердым электролитом и может быть использовано, например, в качестве электрохимического генератора, электролизера и т.п.
Изобретение относится к полимерным мембранам, основанным на композициях, включающих интерполиэлектролитные комплексы, содержащие полианилин в форме эмеральдина и Nation® (DuPont) или МФ-4СК (ОАО Пластполимер, Россия, Санкт-Петербург), или их аналоги, а также к способу получения полимерных мембран, предназначенных для применения в низкотемпературном или высокотемпературном полимерном топливном элементе.

Изобретение относится к технологии получения перфторсульфокатионитовых мембран и могут быть использованы при изготовлении мембранно-электродных блоков, применяемых в топливных элементах различного типа, в том числе в портативных электронных устройствах и т.д.

Изобретение относится к технологии получения газопроницаемых мембран, которые могут быть использованы в топливных элементах (ТЭ) при повышенных температурах эксплуатации (100°С и выше), метанольных ТЭ, электролизерах воды низкого и высокого давления и др.

Изобретение относится к энергетике и электрохимии, в основном касается выработки электроэнергии за счет прямого электрохимического окисления твердофазного органического топлива и, более конкретно, относится к топливному элементу, содержащему твердый оксид.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердым электролитам с проводимостью по катионам рубидия, и может быть использовано в различных электротехнических устройствах, работающих в области высоких температур, использующих в качестве рабочего вещества рубидий или рубидийсодержащие материалы.

Изобретение относится к газодиффузионным электродам для электрохимических устройств. .

Изобретение относится к мембранно-электродным модулям и топливным элементам, обладающим повышенной мощностью, а также к способу изготовления мембранно-электродного модуля.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электромеханическим системам, повышающим эффективность работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). .

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электростанциях с комбинированным парогазовым циклом. .

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на тепловых электрических станциях. .

Изобретение относится к двигателям. .

Изобретение относится к электростанции комбинированного цикла. .

Изобретение относится к теплоэнергетике. .

Изобретение относится к энергетическим установкам, в частности к турбодетандерным установкам, в которых используется потенциал давления природного газа магистральных газопроводов в системах газораспределительных станций (ГРС) при расширении нагретого газа в турбодетандере.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в энергетических парогазовых установках бинарного типа. .

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в энергетических парогазовых установках (ПГУ) бинарного типа. .

Изобретение относится к авиастроению, более конкретно к направляющему устройству (100) для элемента гондолы турбореактивного двигателя и самой гондоле. .
Наверх