RU2492116C1

RU2492116C1 - Aircraft power plant built around fuel elements

Info

Publication number: RU2492116C1
Application number: RU2012103819/11A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Геннадиевич Братухин; Леонид Самойлович Яновский; Александр Иванович Пекарш; Алексей Витальевич Байков; Владимир Валентинович Разносчиков; Игорь Сергеевич Аверьков; Наталья Ивановна Олесова
Priority date: 2012-02-06
Filing date: 2012-02-06
Publication date: 2013-09-10
Also published as: RU2012103819A

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to aircraft engineering. Proposed power plant comprises propeller, motor, battery of solid-oxide fuel elements and battery temperature regulator. Aforesaid propeller is fitted on motor shaft. Said motor is connected with said battery that generates electric power for said motor. Battery of fuel elements has hydrogen feed inlet, air feed inlet and anode and cathode gas outlets. Operating temperature regulator comprises compressor and turbine fitted on common shaft. Said controller is equipped with air intake while turbine is provided with controlled nozzle. Said working temperature regulator incorporates additionally the afterburner chamber, heat exchanger and mixer. Said heat exchanger is furnished with bypass channel to bypass a portion of air over said heat exchange. Said turbine also has bypass channel to bypass a portion of gases over said turbine.

EFFECT: higher efficiency.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к самолетам с электрическим приводом воздушного винта, использующим в качестве источника электрической энергии топливные элементы.The invention relates to aircraft, in particular to aircraft with an electric propeller, using fuel cells as a source of electrical energy.

Использование топливных элементов в качестве источника электрической энергии и электродвигателя в качестве привода винта или вентилятора самолета имеет ряд преимуществ перед традиционными газотурбинными установками: широкий диапазон регулирования мощности, более высокий КПД, улучшение экологических показателей, снижение шума, благодаря отсутствию подвижных узлов в главном элементе силовой установки - батарее топливных элементов.The use of fuel cells as a source of electrical energy and an electric motor as a propeller or fan drive for an aircraft has several advantages over traditional gas turbine units: a wide range of power control, higher efficiency, improved environmental performance, noise reduction due to the absence of moving units in the main element of the power plant - battery of fuel cells.

Известна вспомогательная силовая установка для самолета, содержащая реактор-конвертор, батарею топливных элементов, блоки хранения и подачи топлива, соединенные с реактором-конвертором, дожигатель, турбину, на валу которой установлены компрессор и электрогенератор. Реактор-конвертор, вырабатывающий синтез-газ, выполнен совмещенным с батареей топливных элементов, генерирующих электрическую энергию. Канал генерации синтез-газа соединен с каналами подачи топлива или кислорода и промежуточным газовым каналом подачи синтез-газа в топливные элементы, а отводные каналы анодных и катодных газов соединены с дожигателем (патент РФ №2434790, МПК B64D 41/00, опубл. 27.11.2011). Данное техническое решение обеспечивает повышение мощности и снижение расхода топлива вспомогательной силовой установки.Known auxiliary power unit for an aircraft containing a reactor converter, a fuel cell battery, fuel storage and supply units connected to the converter reactor, an afterburner, a turbine, on the shaft of which a compressor and an electric generator are installed. The reactor-converter producing syngas is made combined with a battery of fuel cells generating electric energy. The synthesis gas generation channel is connected to the fuel or oxygen supply channels and the intermediate gas supply channel of the synthesis gas to the fuel cells, and the exhaust channels of the anode and cathode gases are connected to the afterburner (RF patent No. 2434790, IPC B64D 41/00, publ. 27.11. 2011). This technical solution provides increased power and reduced fuel consumption of the auxiliary power plant.

Известна также энергетическая установка для самолета с использованием топливных элементов (патент РФ №2391749, МПК B64D 41/00, опубл. 10.06.2010). Установка содержит батарею высокотемпературных твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), вырабатывающих электричество посредством электрохимической реакции между водородом и кислородом при повышенных рабочих температуре и давлении, и снабжена системой подачи топлива. Система подачи окислителя энергетической установки содержит компрессор для сжатия атмосферного воздуха и использует в качестве окислителя кислород воздуха. На одном валу с компрессором установлена выходная турбина, соединенная с химическим реактором трубопроводом для отвода газа от химического реактора, и дополнительная турбина, на валу которой установлен электрогенератор для выработки дополнительного электрического тока. Данное изобретение повышает массовую производительность топливных элементов.Also known is a power plant for an aircraft using fuel cells (RF patent No. 2391749, IPC B64D 41/00, publ. 06/10/2010). The installation contains a battery of high-temperature solid oxide fuel cells (SOFC) that generate electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen at elevated operating temperatures and pressures, and is equipped with a fuel supply system. The oxidizer supply system of a power plant contains a compressor for compressing atmospheric air and uses air oxygen as an oxidizing agent. An output turbine is installed on one shaft with a compressor, connected to a chemical reactor by a pipeline for removing gas from the chemical reactor, and an additional turbine, on the shaft of which an electric generator is installed to generate additional electric current. This invention improves the mass productivity of fuel cells.

Недостатки указанных силовых установок связаны с ограниченными возможностями по поддержанию температуры батареи топливных элементов на неизменном уровне при изменении внешних условий полета и при регулировании мощности. Основным узлом рассматриваемых силовых установок является батарея топливных элементов. Важным условием работы батареи на базе ТОТЭ является необходимость поддержания температуры ТОТЭ на уровне, пригодном для их эффективной работы (850-1000°C). При изменении высоты полета и скорости полета изменяются температура окружающей среды и температуры реагентов (воздуха и горючего). Кроме того, при регулировании мощности изменяется тепловыделение внутри батареи ТОТЭ: при минимальной мощности наблюдается минимум тепловыделения; при максимальной мощности тепловыделение достигает максимума. В упомянутых технических решениях не предусмотрена возможность независимого регулирования температуры воздуха на входе в батарею ТОТЭ. Температура батареи ТОТЭ, таким образом, может поддерживаться в основном за счет изменения коэффициента избытка воздуха по отношению к горючему. При перегреве батареи ТОТЭ имеется возможность снять избыточное тепло за счет некоторого увеличения коэффициента избытка воздуха, насколько это может позволить согласованная работа турбины и компрессора. При переохлаждении имеется возможность уменьшить в определенных пределах коэффициент избытка воздуха, но не ниже единицы иначе часть горючего будет выбрасываться неиспользованным. На режимах пониженных мощностей будет реализован минимальный коэффициент избытка воздуха, температура которого будет всегда ниже рабочей температуры батареи ТОТЭ. Это означает, что при уменьшении тепловыделения в батареи на режимах пониженных мощностей тепловые потери в батарее не будут скомпенсированы, и температура батареи будет падать. Таким образом, данный способ поддержания температуры батареи ТОТЭ не обеспечивает широкого диапазона регулирования мощности и накладывает ограничения по высоте и скорости полета. Другим недостатком известных технических решений является отсутствие утилизации энергии газов после турбины.The disadvantages of these power plants are associated with limited capabilities to maintain the temperature of the fuel cell battery at a constant level when changing external flight conditions and when adjusting power. The main unit of the considered power plants is the fuel cell battery. An important condition for the operation of a battery based on SOFC is the need to maintain the temperature of SOFC at a level suitable for their effective operation (850-1000 ° C). When changing the flight altitude and flight speed, the ambient temperature and the temperature of the reagents (air and fuel) change. In addition, when regulating power, the heat dissipation inside the SOFC battery changes: at minimum power, a minimum of heat dissipation is observed; at maximum power, heat dissipation reaches a maximum. The mentioned technical solutions do not provide for the possibility of independent regulation of the air temperature at the inlet of the SOFC battery. Thus, the temperature of the SOFC battery can be maintained mainly by changing the coefficient of excess air with respect to fuel. When the SOFC battery overheats, it is possible to remove excess heat due to some increase in the coefficient of excess air, as far as the coordinated operation of the turbine and compressor allows. During subcooling, it is possible to reduce, within certain limits, the coefficient of excess air, but not lower than unity; otherwise, part of the fuel will be emitted unused. At low power modes, the minimum coefficient of excess air will be realized, the temperature of which will always be lower than the operating temperature of the SOFC battery. This means that if the heat dissipation in the batteries decreases at low power modes, the heat losses in the battery will not be compensated, and the battery temperature will drop. Thus, this method of maintaining the temperature of the SOFC battery does not provide a wide range of power control and imposes restrictions on altitude and flight speed. Another disadvantage of the known technical solutions is the lack of energy recovery of gases after the turbine.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является самолет с электрическим приводом воздушного винта, в котором в качестве источника электрической энергии используются топливные элементы (патент США №6568633, НКИ 244/59, опубл. 27.05.2003). Силовая установка содержит электродвигатель в качестве привода воздушного винта, батарею топливных элементов в качестве источника электрической энергии, источник водорода, воздухозаборник, устройство подачи воздуха. Данная силовая установка позволяет создавать тягу, используя батарею топливных элементов.Closest to the claimed technical solution is an aircraft with an electric propeller, in which fuel cells are used as a source of electrical energy (US patent No. 6568633, NKI 244/59, publ. 05.27.2003). The power plant contains an electric motor as a propeller drive, a fuel cell battery as an electric energy source, a hydrogen source, an air intake, and an air supply device. This power plant allows you to create traction using a battery of fuel cells.

Недостатком данного технического решения является невозможность удерживать температуру батареи на заданном уровне при снижении ее мощности. Это особенно важно при использовании высокотемпературных ТОТЭ. Недостатком также является отсутствие утилизации энергии газов после батареи топливных элементов для случая, когда в качестве них выступают высокотемпературные ТОТЭ. В указанной установке предусматривается возможность охлаждения батареи топливных элементов посредством вспомогательного воздушного контура. Такое решение требует установки дополнительного компрессора для охлаждающего контура.The disadvantage of this technical solution is the inability to keep the battery temperature at a given level while reducing its power. This is especially important when using high-temperature SOFC. The disadvantage is the lack of energy recovery of gases after the battery of fuel cells for the case when they are high-temperature SOFCs. In this installation, it is possible to cool the fuel cell battery by means of an auxiliary air circuit. This solution requires the installation of an additional compressor for the cooling circuit.

В основу изобретения положено решение следующих задач:The invention is based on the following tasks:

- повышение эффективности работы авиационной силовой установки на базе топливных элементов путем поддержания рабочей температуры в батарее ТОТЭ на неизменном уровне, где оптимальная рабочая температура ТОТЭ составляет 950°C;- improving the efficiency of the aviation power plant based on fuel cells by maintaining the operating temperature in the SOFC battery at a constant level, where the optimal SOFC operating temperature is 950 ° C;

- обеспечение возможности регулирования мощности силовой установки от нуля до максимума во всем полетном диапазоне высот и чисел Маха.- providing the ability to control the power of the power plant from zero to maximum in the entire flight range of altitudes and Mach numbers.

Для достижения этого технического результата авиационная силовая установка на базе топливных элементов содержит электродвигатель, батарею топливных элементов с двумя входами, источник водорода, устройство подачи воздуха с воздухозаборником и устройство поддержания рабочей температуры батареи топливных элементов. Электродвигатель электрически связан с батареей топливных элементов. Один из входов батареи топливных элементов связан с источником водорода, а другой - с устройством подачи воздуха.To achieve this technical result, an aircraft power plant based on fuel cells contains an electric motor, a fuel cell battery with two inputs, a hydrogen source, an air supply device with an air intake, and a device for maintaining the operating temperature of the fuel cell battery. The electric motor is electrically connected to the fuel cell battery. One of the inputs of the fuel cell battery is connected to a hydrogen source, and the other to an air supply device.

Новым в изобретении является то, что силовая установка дополнительно снабжена компрессором в устройстве подачи воздуха. Батарея топливных элементов выполнена в виде батареи ТОТЭ и снабжена выходами анодного и катодного газов. Устройство поддержания рабочей температуры батареи топливных элементов выполнено в виде теплообменника, размещенного в линии, соединяющей компрессор с батареей топливных элементов, смесителя, газовой турбины, установленной на одном валу с компрессором, и камеры дожигания. Выход компрессора, соединен с входом теплообменника, а через перепускной канал - с одним из входов смесителя, другой вход которого связан с выходом теплообменника, а выход - с входом батареи топливных элементов. Вход камеры дожигания соединен с выходами анодного и катодного газов батареи топливных элементов, а выход через теплообменник связан с входом газовой турбины.New in the invention is that the power plant is additionally equipped with a compressor in the air supply device. The fuel cell battery is made in the form of a SOFC battery and is equipped with anode and cathode gas outputs. The device for maintaining the operating temperature of the fuel cell battery is made in the form of a heat exchanger placed in a line connecting the compressor to the fuel cell battery, a mixer, a gas turbine mounted on the same shaft with the compressor, and an afterburner. The compressor output is connected to the input of the heat exchanger, and through the bypass channel to one of the inputs of the mixer, the other input of which is connected to the output of the heat exchanger, and the output to the input of the fuel cell battery. The afterburner input is connected to the anode and cathode gas outputs of the fuel cell stack, and the output through a heat exchanger is connected to the gas turbine inlet.

Новым также является то, что устройство поддержания рабочей температуры батареи топливных элементов снабжено регулируемым соплом, вход которого газодинамически связан с выходом газовой турбины, а турбина снабжена перепускным каналом с возможностью перепуска газа с выхода теплообменника на вход регулируемого сопла.Also new is that the device for maintaining the operating temperature of the battery of fuel cells is equipped with an adjustable nozzle, the input of which is gasdynamically connected to the output of the gas turbine, and the turbine is equipped with a bypass channel with the possibility of bypassing gas from the output of the heat exchanger to the input of the adjustable nozzle.

Повышение эффективности работы авиационной силовой установки достигается тем, что в заявленной силовой установке появляется возможность изменять температуру воздуха на входе в батарею в широком интервале температур. Последнее достигается тем, что теплообменник располагается перед турбиной и предусмотрен перепуск воздуха через теплообменник. Максимальная температура воздуха при этом может превышать рабочую температуру батареи ТОТЭ на 200°C что необходимо на режимах малой мощности батареи ТОТЭ. Минимальная температура может быть ниже рабочей температуры батареи ТОТЭ на 400°C что требуется на режимах максимальной мощности и при больших скоростях полета.Improving the efficiency of the aircraft power plant is achieved by the fact that in the claimed power plant it is possible to change the temperature of the air at the inlet of the battery in a wide temperature range. The latter is achieved by the fact that the heat exchanger is located in front of the turbine and air bypass through the heat exchanger is provided. In this case, the maximum air temperature may exceed the operating temperature of the SOFC battery by 200 ° C, which is necessary in the low power modes of the SOFC battery. The minimum temperature may be lower than the operating temperature of the SOFC battery by 400 ° C, which is required at maximum power modes and at high flight speeds.

Эффективность работы силовой установки повышается также за счет того, что появляется возможность утилизировать энергию анодных и катодных газов ТОТЭ путем дожигания их в камере дожигания. Продукты дожигания в свою очередь используются в качестве горячего агента в теплообменнике и рабочего тела в газовой турбине и сопле. А для регулирования мощности турбины дополнительно предусмотрен перепуск газов мимо турбины и применение регулируемого сопла. Регулируемое сопло позволяет изменять степень понижения давления на турбине и утилизировать остаточную энергию газов после турбины путем их расширения до скорости звука и создания дополнительной тяги.The efficiency of the power plant is also increased due to the fact that it becomes possible to utilize the energy of the anode and cathode gases of SOFC by burning them in the afterburner. Afterburning products, in turn, are used as a hot agent in the heat exchanger and as a working fluid in a gas turbine and nozzle. And to regulate the power of the turbine, an additional gas bypass of the turbine and the use of an adjustable nozzle are additionally provided. An adjustable nozzle allows you to change the degree of pressure reduction on the turbine and utilize the residual energy of the gases after the turbine by expanding them to the speed of sound and creating additional thrust.

Таким образом, решены поставленные в изобретении задачи: повышение эффективности работы авиационной силовой установки на базе топливных элементов, путем поддержания рабочей температуры в батарее ТОТЭ на неизменном уровне, и обеспечение возможности регулирования мощности силовой установки от нуля до максимума во всем полетном диапазоне высот и чисел Маха, по сравнению с известными аналогами.Thus, the tasks of the invention have been solved: increasing the efficiency of the aviation power plant based on fuel cells by maintaining the operating temperature in the SOFC battery at a constant level and providing the ability to control the power of the power plant from zero to maximum in the entire flight range of altitudes and Mach numbers , in comparison with known analogues.

Настоящее изобретение поясняется последующим подробным описанием авиационной силовой установки и ее работы со ссылкой на чертежи, представленные на фиг.1-4, гдеThe present invention is illustrated by the following detailed description of the aircraft power plant and its operation with reference to the drawings shown in figures 1-4, where

на фиг.1 схематично изображена силовая установка на базе батареи ТОТЭ и устройство поддержания ее рабочей температуры;figure 1 schematically shows a power plant based on a SOFC battery and a device for maintaining its operating temperature;

на фиг.2 изображен график высотно-скоростных характеристик силовой установки, зависимости максимальной мощности батареи ТОТЭ от высоты полета и числа Маха, где цифрой 1 обозначены высотно-скоростные характеристики при высоте 0 км; цифрой 2-3 км; цифрой 3-6 км; цифрой 4 -9 км;figure 2 shows a graph of the altitude and speed characteristics of the power plant, the dependence of the maximum power of the SOFC battery on the flight altitude and Mach number, where the number 1 denotes altitude and speed characteristics at an altitude of 0 km; the number of 2-3 km; the number 3-6 km; 4-9 km;

на фиг.3 изображен график с дроссельной характеристикой, где высота=0 км, число Маха=0;figure 3 shows a graph with a throttle characteristic, where height = 0 km, Mach number = 0;

на фиг.4 изображен график сравнения дроссельных характеристик (фиг.3) заявленной силовой установки и известного двигателя АИ-20.figure 4 shows a graph comparing the throttle characteristics (figure 3) of the claimed power plant and the known engine AI-20.

Авиационная силовая установка (см. фиг.1) содержит воздушный винт1, установленный на валу электродвигателя 2. Электродвигатель 2 соединен с батареей 3 ТОТЭ. Батарея 3 ТОТЭ имеет вход 4 для подачи водорода, вход 5 для подачи воздуха и выходы 6,7 анодного и катодного газов соответственно. Устройство- поддержания рабочей температуры батареи 3 содержит компрессор 8 и турбину 9, установленные на одном валу. Компрессор 8 снабжен воздухозаборником 10, а турбина 9 снабжена регулируемым соплом 11. В состав устройства для поддержания рабочей температуры входят также камера 12 дожигания, теплообменник 13 и смеситель 14. Теплообменник 13 снабжен перепускным каналом 15, установленным с возможностью перепуска части воздуха в обход теплообменника 13. Турбина 9 также снабжена перепускным каналом 16 для перепуска части газов в обход последней.The aircraft power plant (see figure 1) contains an air screw1 mounted on the shaft of the electric motor 2. The electric motor 2 is connected to the battery 3 SOFC. The SOFC battery 3 has an input 4 for supplying hydrogen, an input 5 for supplying air, and outputs 6.7 of the anode and cathode gases, respectively. A device for maintaining the operating temperature of the battery 3 comprises a compressor 8 and a turbine 9 mounted on one shaft. The compressor 8 is equipped with an air intake 10, and the turbine 9 is equipped with an adjustable nozzle 11. The device for maintaining the operating temperature also includes a afterburner 12, a heat exchanger 13 and a mixer 14. The heat exchanger 13 is equipped with a bypass channel 15 that is installed with the possibility of bypassing part of the air to bypass the heat exchanger 13 The turbine 9 is also equipped with a bypass channel 16 for bypassing part of the gases bypassing the latter.

Авиационная силовая установка, размещенная на летательном аппарате, создает тягу с помощью воздушного винта 1, который приводится в движение от электродвигателя 2. Электрическая энергия для питания электродвигателя 2 вырабатывается батареей 3 ТОТЭ, в которых происходит непосредственное преобразование химической энергии топлива в электрическую энергию. Температура в батарее 3 поддерживается на неизменном уровне. Диапазон приемлемых рабочих температур для ТОТЭ составляет 850-1000°C. Рабочую температуру ТОТЭ целесообразно принять равной 950°C. В качестве топлива используется водород, который подается в батарею 3 из топливного бака (не показан) на вход 4.An aircraft power plant located on an aircraft creates thrust using an air screw 1, which is driven by an electric motor 2. Electric energy for powering an electric motor 2 is generated by a SOFC battery 3, in which the chemical energy of a fuel is directly converted to electrical energy. The temperature in the battery 3 is maintained unchanged. The acceptable operating temperature range for SOFC is 850-1000 ° C. The operating temperature of SOFC should be taken equal to 950 ° C. Hydrogen is used as fuel, which is supplied to the battery 3 from a fuel tank (not shown) at input 4.

Воздух забирается из окружающего пространства через воздухозаборник 10, после чего сжимается в компрессоре 8. Компрессор 8 приводится в движение с помощью газовой турбины 9. Рабочим газом для турбины 9 служат продукты дожигания анодного и катодного газов, выходящих из батареи 3. Анодный газ представляет собой смесь остатков водорода с водой, которая генерируется в анодной полости батареи 3 в ходе электрохимических реакций. Катодный газ представляет собой обедненный воздух. Около 80% водорода используется в батарее 3 в процессе электрохимических реакций. Дожигание анодного и катодного газов осуществляется в камере 12 дожигания. Продукты дожигания поступают в теплообменник 13, где используются для прогрева определенной части воздуха, выходящего из компрессора 8, после чего они поступают на турбину 9. Для регулирования мощности турбины 9 используется регулируемое сопло 11, а также перепускной канал 16, который перепускает часть газов в обход турбины 9. Сопло 11 позволяет изменять степень понижения давления в турбине 9. Перепускной канал 16 позволяет изменять расход газов через турбину 9.Air is taken from the surrounding area through the air intake 10, and then compressed in the compressor 8. The compressor 8 is driven by a gas turbine 9. The working gas for the turbine 9 is the afterburning products of the anode and cathode gases leaving the battery 3. The anode gas is a mixture hydrogen residues with water, which is generated in the anode cavity of the battery 3 during electrochemical reactions. Cathode gas is depleted air. About 80% of hydrogen is used in battery 3 in the process of electrochemical reactions. The afterburning of the anode and cathode gases is carried out in the afterburning chamber 12. Afterburning products enter the heat exchanger 13, where they are used to heat a certain part of the air leaving the compressor 8, after which they enter the turbine 9. To regulate the power of the turbine 9, an adjustable nozzle 11 is used, as well as a bypass channel 16, which bypasses part of the gases bypassing turbines 9. Nozzle 11 allows you to change the degree of pressure reduction in the turbine 9. Bypass channel 16 allows you to change the flow of gases through the turbine 9.

Поддержание неизменной температуры в ТОТЭ осуществляется по двум механизмам. Основной механизм заключается в изменении температуры воздуха на входе в батарею 3. Это достигается за счет перепуска части воздуха по перепускному каналу 15 в обход теплообменника 13. Дополнительно для указанной цели может быть использована коррекция коэффициента избытка воздуха по отношению к водороду за счет регулирования мощности и степени сжатия компрессора 8.Maintaining a constant temperature in SOFC is carried out by two mechanisms. The main mechanism is to change the air temperature at the inlet of the battery 3. This is achieved by passing part of the air through the bypass channel 15 bypassing the heat exchanger 13. Additionally, for this purpose, the correction of the coefficient of excess air relative to hydrogen can be used due to the regulation of power and degree compressor compression 8.

Расположение теплообменника 13 перед турбиной 9, позволяет обеспечить потребную температуру воздуха на входе в батарею 3 при изменении мощности батареи 3 в широком диапазоне (вплоть до нуля). Максимально потребная температура воздуха на входе в батарею 3 после смесителя 14 составляет 1400 К (при нулевой мощности батареи 3) и позволяет поддерживать температуру в батарее 3 на уровне 1223 К (950°C), компенсируя тепловые утечки и прогрев водорода внутри батареи 3. Температура газов после камеры 12 дожигания составляет 1400-1600 К. После теплообменника 13 температура газов понижается до уровня 1200- 1300 К. Энергии газов с температурой 1200-1300 К достаточно для получения необходимой мощности на турбине 9. Неиспользованная энергия газов после турбины 9 реализуется при расширении в сопле 11, создавая дополнительную тягу.The location of the heat exchanger 13 in front of the turbine 9, allows you to provide the required temperature at the inlet to the battery 3 when changing the power of the battery 3 in a wide range (up to zero). The maximum required temperature at the inlet to the battery 3 after the mixer 14 is 1400 K (at zero power of the battery 3) and allows you to maintain the temperature in the battery 3 at the level of 1223 K (950 ° C), compensating for thermal leaks and heating of hydrogen inside the battery 3. Temperature of gases after the afterburning chamber 12 is 1400-1600 K. After the heat exchanger 13, the gas temperature decreases to the level of 1200-1300 K. The energy of gases with a temperature of 1200-1300 K is enough to obtain the necessary power on the turbine 9. Unused gas energy after the turbine 9 real zuetsya the expansion in the nozzle 11, creating an additional thrust.

Для данного технического решения проведены расчеты «стендового» режима, получены высотно-скоростные (см. фиг.2) и дроссельные характеристики (см. фиг.3) во всем предполагаемом диапазоне высот и скоростей его работы. Ключевыми моментами предлагаемого технического решения являются: способность работать в диапазоне высот от 0 до 11 км при числах Маха от 0 до 0.9 и регулирование мощности батареи 3 ТОТЭ в диапазоне от 0 до максимума. При этом осуществляется поддержание температуры батареи 3 ТОТЭ на неизменном уровне (950°C) при всех условиях работы. На фиг.4 приводится сопоставление дроссельной характеристики заявленной силовой установки и известного двигателя АИ-20. Из этого сравнения видно, что заявленная силовая установка позволяет обеспечить глубокое дросселирование вплоть до нулевой мощности.For this technical solution, the calculations of the "bench" mode, obtained high-speed (see figure 2) and throttle characteristics (see figure 3) in the entire expected range of heights and speeds of its operation. The key points of the proposed technical solution are: the ability to work in the altitude range from 0 to 11 km with Mach numbers from 0 to 0.9 and the regulation of the power of the battery 3 SOFC in the range from 0 to maximum. At the same time, the temperature of the SOFC battery 3 is maintained at a constant level (950 ° C) under all operating conditions. Figure 4 shows a comparison of the throttle characteristics of the claimed power plant and the known engine AI-20. From this comparison it is seen that the claimed power plant allows for deep throttling up to zero power.

Выполнение авиационной силовой установки в соответствии с заявленным техническим решением также позволяет: повысить эффективность использования топлива на 20% по сравнению с традиционными газотурбинными силовыми установками; обеспечить работу силовой установки в диапазоне высот от 0 до 11 км и чисел Маха от 0 до 0.9; обеспечить высокие экологические показатели; обеспечить снижение шума, где основной элемент установки, батарея 3 ТОТЭ, работает бесшумно благодаря отсутствию в ее конструкции подвижных частей.The implementation of the aircraft power plant in accordance with the stated technical solution also allows you to: increase fuel efficiency by 20% compared with traditional gas turbine power plants; to ensure the operation of the power plant in the range of heights from 0 to 11 km and Mach numbers from 0 to 0.9; ensure high environmental performance; provide noise reduction, where the main element of the installation, the SOFC battery 3, operates silently due to the absence of moving parts in its design.

Claims

1. An aviation power plant based on fuel cells, comprising an electric motor, a battery of fuel cells with two inputs, a hydrogen source, an air supply device with an air intake and a device for maintaining the operating temperature of the fuel cell battery, where the electric motor is electrically connected to the fuel cell battery, one of the battery inputs the fuel cell is connected to a hydrogen source, and the other to an air supply device, characterized in that the air supply device is equipped with a compressor, battery The fuel cell is made in the form of a solid oxide fuel cell battery and is equipped with anode and cathode gas outputs, and the device for maintaining the operating temperature of the fuel cell battery is made in the form of a heat exchanger placed in the line connecting the compressor to the fuel cell battery, mixer, gas turbine mounted on one a shaft with a compressor, and a afterburner, and the compressor output is connected to the input of the heat exchanger, and through the bypass channel to one of the inputs of the mixer, the other input of which connected to the output of the heat exchanger, and an output - to the input of the fuel cell stack, the input afterburning chamber is connected to the outputs of the anode and cathode gas of the fuel cell stack, and exit through the heat exchanger is connected to the input of the gas turbine.

2. The aircraft power plant according to claim 1, characterized in that the device for maintaining the operating temperature of the fuel cell battery is equipped with an adjustable nozzle, the input of which is gasdynamically connected to the output of the gas turbine, and the turbine is equipped with a bypass channel with the possibility of bypassing gas from the output of the heat exchanger to the input of the adjustable nozzle .