Экзоскелетный двигатель

Экзоскелетный двигатель ( ESE ) — это концепция проектирования турбомашин . Современные газотурбинные двигатели имеют центральные вращающиеся валы и вентиляторные диски и изготовлены в основном из тяжелых металлов. Им требуются смазанные подшипники и интенсивное охлаждение горячих компонентов. Они также подвержены серьезному дисбалансу (или вибрациям), который может вывести из строя всю ступень ротора , склонны к много- и малоцикловой усталости и подвержены катастрофическому отказу из-за разрыва диска от высоких растягивающих нагрузок, что, следовательно, требует тяжелых защитных устройств. . Чтобы устранить эти ограничения, концепция ESE выворачивает традиционную конфигурацию наизнанку и использует конструкцию ротора барабанного типа для турбомашин, в которой лопатки ротора прикреплены к внутренней части вращающегося барабана, а не радиально наружу от вала и дисков. конструкции можно использовать несколько барабанных роторов В многокатушечной .

Дизайн

По сути, конфигурация барабанного ротора ESE обычно состоит из четырех концентрических барабанов или оболочек с открытым концом:

• внешняя оболочка (корпус двигателя), которая одновременно поддерживает подшипники корпуса барабанного ротора и сдерживает его,
• корпус барабанного ротора, который вращается внутри подшипников и несет на себе лопатки компрессора и турбины,
• статический корпус статора , поддерживающий направляющие лопатки,
• полая статическая внутренняя оболочка, обеспечивающая путь потока через центр двигателя.

материалы, не обладающие высокой прочностью на разрыв, например керамические материалы В конструкции ESE вращающиеся лопасти находятся преимущественно в радиальном сжатии, а не в радиальном растяжении, а это означает, что для их конструкции можно использовать . Керамика хорошо ведет себя в ситуациях сжимающей нагрузки, когда хрупкое разрушение сведено к минимуму, и обеспечивает большую эффективность работы за счет более высоких рабочих температур и меньшего веса двигателя по сравнению с металлическими сплавами , которые обычно используются в компонентах турбомашин. Конструкция ESE и использование композитных материалов также могут сократить количество деталей, уменьшить или исключить охлаждение и привести к увеличению срока службы компонентов. Использование керамики также будет полезным для гиперзвуковых двигательных установок, где высокие температуры торможения могут превышать пределы традиционных материалов для турбомашин.

Полость внутри внутренней оболочки можно было использовать несколькими различными способами. В дозвуковых приложениях вентиляция центральной полости набегающим потоком потенциально может способствовать значительному снижению шума; в то время как в сверхзвуковых -гиперзвуковых приложениях он может использоваться для размещения прямоточного или прямоточного воздушно-реактивного двигателя (или других устройств, таких как импульсно-детонационный двигатель ) как часть турбинного двигателя с комбинированным циклом . Такое расположение могло бы уменьшить общую длину двигательной установки и тем самым значительно снизить вес и сопротивление.

Обобщенные потенциальные преимущества

От Чамиса и Бланксона:

• Устранение напряжений в дисках и отверстиях
• Используйте подшипники с низкими нагрузками.
• Увеличьте скорость ротора
• Уменьшить толщину аэродинамического профиля
• Увеличьте границы трепетания
• Минимизировать/устранить требования к сдерживанию
• Увеличение массового расхода
• Уменьшите вес на 50 процентов
• Уменьшить температуру турбины при той же тяге.
• Снижение выбросов
• Обеспечить более высокую тяговооруженность.
• Улучшить удельный расход топлива
• Увеличение срока службы лопаток при малоцикловой и многоцикловой усталости.
• Уменьшить диаметр двигателя
• Уменьшите количество деталей
• Снизить стоимость обслуживания
• Минимизация/устранение требований к уплотнению и охлаждению
• Минимизировать/устранить потери потока на лопастях, износ лопастей и корпуса
• Свободный сердечник для комбинированных турбореактивных циклов
• Уменьшить шум
• Ускорить интеграцию самолета и двигателя
• Минимизация/устранение чувствительными к зазубринам проблем с материалами,

Проблемы

Одной из основных проблем является конструкция подшипников, поскольку не существует известных систем смазывания, которые могли бы справиться с величиной скорости, встречающейся на ESE; фольгированные и магнитные подшипники В качестве возможных решений этой проблемы были предложены .

• Подшипники из фольги являются бесконтактными и перемещаются на тонкой пленке воздуха, которая создается гидродинамически за счет скорости вращения, чтобы подвешивать и центрировать вал. Недостатками системы фольги являются высокий пусковой крутящий момент, необходимость использования механических подшипников для опускания/подъёма и соответствующего оборудования для позиционирования, а также высокие температуры, создаваемые этой системой.
• Для системы магнитных подшипников большого диаметра, необходимой для ESE, жесткость и радиальный рост после раскрутки являются проблемами, с которыми придется столкнуться. Радиальный рост достаточной величины приведет к проблемам со стабильностью, и потребуется система позиционирования магнитных полюсов для поддержания соответствующих зазоров для работы системы. Эта система позиционирования потребует высокоскоростного обнаружения и позиционирования. Пассивный магнитный ламинат и его крепежные детали потребуют высокой структурной целостности, чтобы противостоять чрезвычайно высоким силам инерции, и, скорее всего, приведут к увеличению веса.

Хотя обе системы подшипников теоретически соответствуют требованиям применения в экзоскелетах, ни одна из технологий в настоящее время не готова к эксплуатации в практических размерах. Развитие технологии подшипников из фольги показывает, что для создания подшипников из фольги такого диаметра может потребоваться 20 лет, а магнитные подшипники кажутся слишком тяжелыми для этого применения и также столкнутся с длительной технологией. программа развития.

См. также

• Указатель авиационных статей
• Компоненты реактивных двигателей
• Список авиационных двигателей