Экзоскелетный двигатель - Exoskeletal engine

В экзоскелетный двигатель (ESE) - это концепция в турбомашина дизайн. Текущий газовая турбина двигатели имеют центральные вращающиеся валы и диски вентилятора и изготавливаются в основном из тяжелых металлов. Для них требуются смазанные подшипники и требуется интенсивное охлаждение горячих компонентов. Они также подвержены серьезному дисбалансу (или вибрациям), который может полностью уничтожить ротор ступени, подвержены многоцикловой и малоцикловой усталости и подвержены катастрофическим отказам из-за разрывов диска от высоких растягивающих нагрузок, что, следовательно, требует использования тяжелых защитных устройств.^[1] 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. Несколько роторов барабана можно использовать в мульти-шпуля дизайн.

Дизайн

По сути, конфигурация барабан-ротор ESE обычно состоит из четырех концентрический открытые барабаны или гильзы:

• внешняя оболочка (кожух двигателя), которая поддерживает подшипники корпуса барабана-ротора и ограничивает их,
• корпус барабана-ротора, который вращается внутри подшипников и несет на себе лопатки компрессора и турбины,
• статический статор оболочка, поддерживающая направляющие лопатки,
• полая статическая внутренняя оболочка, которая обеспечивает прохождение потока через центр двигателя.^[1]

В конструкции ESE вращающиеся лопасти в основном подвергаются радиальному сжатию, а не радиальному растяжению, 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 условиях сжимающих нагрузок, когда хрупкое разрушение сводится к минимуму, и обеспечит большую эффективность работы за счет более высоких рабочие температуры и меньший вес двигателя по сравнению с металлическим сплавы 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.^[2] Использование керамики также может быть полезным для гиперзвуковой движение системы, где высокий застойные температуры могут выходить за рамки традиционных материалов для турбомашин.

Полость во внутренней оболочке может использоваться несколькими способами. В дозвуковых приложениях вентиляция центральной полости набегающим потоком потенциально может способствовать значительному снижению шума; пока в сверхзвуковой -гиперзвуковые приложения могут быть использованы для размещения прямоточный воздушно-реактивный двигатель или ГПВРД (или другие устройства, такие как двигатель с импульсной детонацией) в составе турбинного комбинированный цикл двигатель. Такая компоновка могла бы уменьшить общую длину двигательной установки и тем самым значительно снизить вес и сопротивление.^[1]

Обобщенные потенциальные преимущества

Из Чамис и Бланксон:^[1]

Вызовы

Одна из основных проблем заключается в конструкции подшипников, так как не существует известных систем смазки, которые могли бы справиться с величиной скорости, возникающей в ESE; фольга и магнитные подшипники были предложены как возможные решения этой проблемы.

• Подшипники из фольги бесконтактны и движутся по тонкой воздушной пленке, которая образуется гидродинамически скоростью вращения, чтобы подвешивать и центрировать вал. Недостатки фольгированной системы включают высокий пусковой крутящий момент, необходимость установки / снятия механических подшипников и соответствующего оборудования для позиционирования, а также высокие температуры, создаваемые этой системой.
• Для системы магнитных подшипников большого диаметра, требуемых в 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 полюсов 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 силам инерции, и, скорее всего, вызовут увеличение веса.^[2]

Хотя обе системы подшипников теоретически удовлетворяют требованиям экзоскелетного применения, ни одна из технологий в настоящее время не готова к эксплуатации в реальных размерах. Развитие технологии подшипников из фольги указывает на то, что для создания подшипников из фольги для такого диаметра может потребоваться 20 лет, а магнитные подшипники кажутся слишком тяжелыми для этого применения, а также требуют длительной программы разработки технологий.^[2]

Рекомендации