Экзоскелет двигатель

Экзоскелетный двигатель (ESE ) - это концепция в конструкции турбомашин. Современные газотурбинные двигатели имеют центральные вращающиеся валы и диски вентилятора и изготавливаются в основном из тяжелых металлов. Для них требуются подшипники со смазкой и интенсивное охлаждение горячих компонентов. Они также подвержены серьезному дисбалансу (или вибрациям), который может привести к разрушению всей ступени ротора, склонны к многоцикловой и малоцикловой усталости, а также к катастрофическим отказам из-за разрывов диска от высоких растягивающих нагрузок, следовательно, требуются тяжелые защитные устройства. Чтобы устранить эти ограничения, концепция ESE переворачивает традиционную конфигурацию наизнанку и использует конструкцию ротора барабанного типа для турбомашин, в которой лопасти ротора прикреплены к внутренней части вращающегося барабана, а не радиально наружу от вала и дисков. В конструкции с несколькими золотниками можно использовать несколько барабанных роторов.

• 1 Дизайн
• 2 Обобщенные потенциальные преимущества
• 3 Проблемы
• 4 Ссылки

По сути, конфигурация барабан-ротор ESE обычно состоит из четырех концентрические барабаны или оболочки с открытым концом:

• внешняя оболочка (корпус двигателя), которая поддерживает подшипники для корпуса барабана-ротора и ограничивает его,
• корпус барабана-ротора, который вращается внутри подшипников и несет лопатки компрессора и турбины,
• статический статор кожух, поддерживающий направляющие лопатки,
• полый статический внутренний кожух, обеспечивающий путь потока через центр двигателя.

В конструкции ESE вращающиеся лопасти в основном испытывают радиальное сжатие, а не радиальное растяжение, что означает, что материалы, не обладающие высокой прочностью на растяжение, такие как керамические материалы, могут быть использованы для их строительства. Керамика хорошо себя ведет в ситуациях сжимающей нагрузки, когда хрупкое разрушение сведено к минимуму, и может обеспечить 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 могут также уменьшить количество деталей, уменьшить или исключить охлаждение и привести к увеличению срока службы компонентов. Использование керамики также было бы выгодным признаком для гиперзвуковых силовых установок, где высокие температуры торможения могут выходить за пределы традиционных материалов турбомашин.

Полость во внутренней оболочке может использоваться несколькими 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 ПВРД или ГПВР (или других устройств, таких как импульсный двигатель) как часть газотурбинный двигатель с комбинированным циклом. Такое расположение могло бы уменьшить общую длину силовой установки и тем самым значительно снизить вес и сопротивление.

От Chamis and Blankson:

• Устранение напряжений в диске и в отверстии
• Используйте подшипники с низким напряжением
• Увеличьте скорость ротора
• Уменьшите толщину аэродинамического профиля
• Увеличьте границы флаттера
• Минимизируйте / исключите требования к сдерживанию
• Увеличить высокий массовый расход
• Уменьшить вес на 50 процентов
• Уменьшить температуру турбины для той же тяги
• Уменьшить выбросы
• Увеличить удельная тяга
• Улучшить удельный расход топлива
• Увеличить малоцикловый и многоцикловый усталостный ресурс лопастей
• Уменьшить диаметр двигателя
• Уменьшить количество деталей
• Снижение затрат на обслуживание
• Минимизация / устранение требований к уплотнению и охлаждению
• Минимизация / устранение потерь потока лопастей, износа лопастей и корпуса
• Свободный сердечник для комбинированной турбореактивной струи циклов
• Снижение шума
• Ускорение полета Интеграция с двигателем
• Минимизация / устранение проблем с зазубринами материалов

Одна из основных проблем заключается в конструкции подшипников, поскольку отсутствуют известные системы смазки который может справиться с величиной скорости, встречающейся в ESE; фольга и магнитные подшипники были предложены в качестве возможных решений этой проблемы.

• Подшипники из фольги не контактируют и перемещаются по тонкой воздушной пленке, которая создается гидродинамически за счет скорости вращения, чтобы подвешивать и центрировать вал. Недостатки фольгированной системы включают высокий пусковой крутящий момент, необходимость установки / снятия механических подшипников и связанного с ними оборудования для позиционирования, а также высокие температуры, создаваемые этой системой.
• Для большого диаметра Система магнитных подшипников, необходимая в ESE, жесткость и радиальный рост после раскрутки - это проблемы, с которыми придется столкнуться. Радиальный рост достаточной величины может привести к проблемам со стабильностью, и потребуется система позиционирования полюса магнита для поддержания соответствующих зазоров для работы системы. Эта система позиционирования потребует высокоскоростного считывания и позиционирования. Пассивный магнитный ламинат и его монтажное оборудование потребуют высокой структурной целостности, чтобы противостоять чрезвычайно высоким инерционным силам, и, скорее всего, вызовут увеличение веса.

Хотя обе системы подшипников теоретически удовлетворяют требованиям экзоскелетного применения, ни одна из технологий в настоящее время не является готов к эксплуатации в практичных размерах. Развитие технологии подшипников из фольги указывает на то, что создание подшипников из фольги для такого диаметра может занять 20 лет, а магнитные подшипники кажутся слишком тяжелыми для этого применения, а также требуют длительной программы развития технологий.