ВИНТОВОЙ ДВИЖИТЕЛЬ С ЦЕНТРОБЕЖНЫМ УСИЛИТЕЛЕМ
SCREW PROPULSOR

Изобретение относится к транспортным средствам с винтовыми движителями.
Винт относится к лопаточным движителям, создающим силу тяги поперечным перемещением окружающей среды, и характеризуется неравномерным созданием силы тяги, зависящей от окружной скорости лопастей, возрастающей от нуля в центре вращения до максимальной на концах, поэтому любая корректировка угла атаки лопастей в центральной осевой зоне не только не дает прирост тяги, но и может являться перепускной между областями пониженного и повышенного давления, разделенными плоскостью вращения винта.
Сила тяги винта в окружающей среде создается давлением на нее поверхностями лопастей с обратной реакцией массы в виде отбрасываемого воздушного или водного потока, сопротивление которого создает силу тяги винта, поэтому при увеличении сопротивления при изменении направления истекающего потока воздуха у поверхности земли величина тяги несущих винтов вертолета или подъемной силы крыльев самолета, экраноплана повышается и образуется эффект "воздушной подушки".
Последовательное увеличение числа лопастей или винтов не дает прямо пропорционального прироста тяги из-за взаимного влияния лопастей друг на друга в общей плоскости вращения с перемещением возмущенной среды между ними или вращением их в зоне повышенного и пониженного давления от предыдущего прохода.
Крутящийся момент винта требует обратной реакции об упор, который в самолетах одновинтовых и одномоторных схем создается естественным образом поперечной корректировкой положения элеронами несущих крыльев, а также при помощи второго соосного винта с противоположным вращением или при многомоторном варианте их взаимным межосевым гашением, а в наземных и водных транспортных средствах с винтовыми движителями реактивный момент гасится опорной поверхностью.
Нейтрализация реактивного момента несущего винта вертолета, не имеющего естественного упора, производится различными дополнительными способами и устройствами, отрицательно влияющими на эксплуатационные и технические характеристики конструкций, а именно:
одновинтовая схема обладает наибольшей возможной подъемной и несущей силой винта, но поперечная активная реактивная балка уменьшает ее величину, утяжеляет и усложняет конструкцию, ухудшает управление дальностью расположения рулевого винта и летные качества, препятствует маневрам вблизи земли;
- многовинтовая схема с разнесенными осями при взаимном гашении реактивного момента из-за большого диаметра несущих винтов и необходимости прочного соединения между осями громоздка, сложна в синхронном управлении лопастями винта дальностью расстояний между ними;
- соосная двухвинтовая схема вертолета наиболее проста и компактна с взаимным гашением реактивных моментов, но влияние двух несущих винтов друг на друга с возможностью их перехлеста ухудшает эксплуатационные и технические характеристики меньшей общей подъемной силой, чем при разнесенной схеме с увеличенным расстоянием между винтами для предотвращения перехлеста винтов.
Эффект "воздушной подушки" действует только у ровной поверхности земли или воды, исчезающий с набором высоты со снижением сопротивления реактивной воздушной струи и уменьшением подъемной силы, при этом сопротивление реактивному потоку, оказываемое корпусом вертолета, не влияет на подъемную силу винта из-за их замкнутости.
Гребные винты судов при повышении оборотов подвержены кавитации с потерей тяговых свойств и разрушающего действия на винты, объяснимые большей вязкостью воды по сравнению с воздухом с образованием высокой степени разрежения на всасывающей стороне лопастей с образованием пустоты и заполнением ее парами вскипающей воды, возникших вследствие замедленного движения окружающей водной среды, при котором она не успевает заполнять разреженную зону перед винтом.
Известны центробежные устройства в виде насоса, нагнетателя, компрессора, вентилятора и т.д., состоящие из радиально расположенных лопаток между диском и корпусом или между сплошными колесами с открытыми торцами образованных радиальных каналов, внутренние осевые, которые выполняют функции входных каналов, а внешние выпускные, которые при использовании их в качестве движителя оказываются малоэффективны из-за потерь, связанных с созданием однонаправленного реактивного потока, поэтому устройства используются для перемещения окружающей среды.
Вращение колес с лопатками, окружная скорость которых растет по мере удаления от центра вращения, вызывает центробежные силы заключенной среды между лопатками, перемещая ее с поворотом от входного осевого канала с созданием в ней зоны разрежения на периферию внешней окружности к выходным сечениям радиальных каналов с приобретением кинетической энергии в радиальном и окружном направлениях по ходу вращения ротора с взаимным или собственным гашением возникающей реактивной тяги как противоположным расположением выходных каналов, так и вращением их вокруг оси.
Сущность состоит в применении центробежного устройства в качестве усилителя винтового движителя.
Цель достигается одноосевым совмещением винтового движителя и центробежного устройства с объединением их впускных и выпускных зон, разграниченных плоскостью вращения винта, или совмещением их функциональных назначений.
Такая одноосевая комбинация винтового движителя и центробежного устройства, используемого в качестве усилителя винта с нелинейным взаимодействием рабочих тел с одной стороны винта, поступающего из общей окружающей среды с другой стороны винта, существенно влияет на эффективность винтового движителя, а именно:
центробежным устройством перекрывается непроизводительная центральная часть плоскости вращения винта с затруднением перепуска рабочего тела из зоны повышенного давления за винтом в разреженную зону перед винтом;
снижается лобовое сопротивление движителя при его поступательном движении путем создания в центральной зоне разрежения воздуха от осевого забора воздуха центробежным устройством или усилителем в отличие от использования обтекателя с его лобовым сопротивлением;
повышается давление в исходящем от винта реактивном потоке воздуха или воды от поступления в него дополнительного объема в зависимости от производительности центробежного усилителя с соответствующим повышением его эффективности;
создается эффект "воздушной подушки" радиально расходящимся потоком воздуха или воды с кинетической энергией от радиальных межлопаточных каналов центробежного усилителя с пересечением прямого реактивного потока среды от винта, тормозя его и тем самым увеличивая подъемную или тяговую силу винта, при этом эффект не исчезает при изменении высоты полета или от удаления экранирующей поверхности из-за жесткой связи винта и усилителя между собой, производящие свободно взаимодействующие разнонаправленные потоки рабочих тел;
синхронное вращение выпускных устройств центробежного усилителя и лопастей винта концентрирует взаимодействие создаваемых ими воздушных или водных потоков под каждой лопастью отдельно с возможностью корректировки их взаимного положения в зависимости от изменения режимов работы, например опережения с помощью центробежного регулятора, чем повышается эффективность винтового движителя;
- нейтрализация реактивного момента винта осуществляется обратным вращением рабочего колеса центробежного усилителя, находящиеся на одной оси, что исключает неэкономичное дублирование винта или использование рычага противодействия в виде дополнительной рулевой балки вертолета;
- с целью усиления одновинтовых движителей самолетов, экранопланов, судов на воздушной подушке и других подобных устройств без установки второго асинхронного вала с целью гашения реактивного момента и увеличения производительности, имеющие естественные средства гашения увеличенного реактивного момента в виде элеронов или опорной поверхности возможно из-за высоких оборотов совмещение винта и центробежного усилителя на одном валу, что упростит процесс модернизации действующей техники;
- закапотированный вариант исполнения повысит КПД предлагаемого движителя, т.к. он препятствует распространению давления в поперечном направлении от дополнительно поступающего к основному тяговому потоку винта дополнительного поперечного потока рабочего тела центробежного устройства более прочно, чем сопротивление образованной потоком поверхности из окружающей среды.
Энергетическая эффективность предлагаемого винтового движителя с центробежным усилителем по достижению силы тяги, достигаемая двумя последовательно установленными винтами, будет меньше, т.к. винтовая и центробежная пара работает по отдельности со своим рабочим телом с ее начальной нулевой скоростью, тогда как второй винт работает в отбрасываемом скоростном потоке первого винта с квадратной зависимостью сопротивления от скорости и мощности в кубической зависимости.
При расположении обоих впускных и выпускных каналов центробежного устройства, выполняющих противоположные функции перед винтом в разреженной зоне забора рабочего тела им из окружающей среды, произойдет переброска тела из центральной осевой зоны на периферию в сторону наибольшей активности винта, создавая перед ним повышенное давление за счет увеличенного объема воздуха или воды и динамическое взаимодействие с винтом, лопасти которого движутся по окружности, не совпадающей радиальным центробежным движением воздуха или воды, что приведет к увеличению сопротивления винта без увеличения силы тяги из-за его неизменяемой производительности при создании реактивного потока.
При расположении входных и выходных сторон центробежного устройства с противоположными назначению функциями по другую сторону винта в созданный им реактивный поток увеличение объема в одной части ведет к уменьшению равнозначного объема в другой части потока с движением рабочего тела по замкнутому кругу и взаимной компенсацией создаваемых давлений, при этом эффект "воздушной подушки" не возникает из-за связанности кольцевого движения рабочего тела с центробежным устройством, которое в свою очередь соединено с винтом.
При обратном по функциональному назначению одноосевом объединении центробежного устройства и винтового движителя, когда зона всасывания одного устройства является зоной создания давления другого устройства и наоборот, усиливающего эффекта на винт не произойдет из-за движения рабочих тел по кругу через центробежное устройство и винт в том или ином направлении.
Смещение центробежного устройства по оси в пределах расстояния между впускными и выпускными каналами или наоборот винта между ними с выдвижением впускного канала относительно плоскости вращения винта разграничит области забора окружающей среды и исключит влияние на момент возникновения кавитации возможностью заполнения разреженной зоны из окружающего внешнего пространства, а поступающий радиальный поток после винта с его усиливающей функцией снизит потребность в повышенных оборотах при достижении той же силы тяги винта.
Графические изображения
На фиг.1, 2, 3 изображен винтовой движитель с центробежным устройством со сплошным радиальным действием при нейтральном реактивном моменте, на фиг.4 винтовой уравновешенный движитель с центробежным избирательным усилением, на фиг.5, 6, 7 - винтовой неуравновешенный движитель с центробежным сплошным усилением, на фиг.8 - винтовой движитель с увеличенным реактивным моментом и со сплошным радиальным усилителем и внешним ограничительным устройством.
Фиг.1, 2, 3. На вертолете 1 соосной схемы оставлен верхний несущий винт 2 с центральным дополнением в виде полого цилиндра 3, а второй заменен на рабочее колесо 4 центробежного усилителя 5, сплошной корпус которого с одной стороны соединен с корпусом вертолета 1, другой входной частью входит в нижнюю часть пустотелого цилиндра 3 с возможностью герметичного вращения в ней, а в средней наибольшей части корпуса усилителя 5 в зоне выпускных каналов рабочего колеса 4 корпус имеет выходные отверстия 6 по окружности с управляемыми заслонками 7. Стрелками указаны направления взаимодействующих воздушных потоков.
Взлет и полет вертолета 1 одновинтовой схемы осуществляется по уравновешенной системе реактивных моментов двухвинтового варианта вертолета соосной схемы, где роль нижнего винта по гашению реактивного момента выполняет рабочее колесо 4 центробежного усилителя 5.
Несущий винт 2 создает опорный реактивный воздушный поток поперечной переброской воздуха через свою плоскость вращения с разделением потока на области низкого и высокого давления.
Осевой забор воздуха для центробежного усилителя 5 тоже производится из разреженной зоны над винтом 2 в месте наименьшей активности несущих лопастей 8 через закрепленный на винте 2 или валу 9 полый цилиндр 3, после которого поток воздуха производит радиальный поворот и получает кинетическую энергию от центробежных и окружных сил, проходя по каналам между вращающимися лопатками 10 с последующим выходом через отверстия 6 в корпусе усилителя 5 поперек опорному воздушному потоку винта 2, в результате взаимодействия которых оба создают сопротивление своему первоначальному движению с последующим общим движением, при этом повышение сопротивления в основном потоке несущего винта 2 повышает его несущие возможности.
Поступление дополнительного воздуха в опорный реактивный поток вызывает его увеличение в объеме с обратным действием на несущий винт 2, что дополнительно к экранирующему действию еще более увеличивает подъемную и несущую способность винта 2.
Поворот вертолета 1 может осуществляться как изменением частоты оборотов соосных валов 9 или 11, так и изменением производительности центробежного усилителя 5 частичным или полным перекрытием выходных отверстий 6.
Фиг.4. Винтовой движитель с избирательным действием центробежного усилителя.
В отличие от предыдущего варианта корпус центробежного усилителя 5 соединен через полый цилиндр 3, имеющий регулировочную заслонку 7 с лопастями 8 винта 2 и с валом 9 с сохранением наиболее эффективных выходных отверстий 6.
Вращение выходных отверстий 6 вместе с винтом 2 позволит более избирательно воздействовать на реактивную струю, создаваемую каждой лопастью 8 с ожидаемым повышением эффективности.
Фиг.5, 6, 7. Винт 2 и центробежный усилитель 5 установлены на одном валу 12 двигателя самолета 13.
К реактивному моменту винта 2 прибавлен реактивный момент усилителя 5, парируемый большим отклонением элеронов крыльев, как это происходит при замене винта на винт с большим числом лопастей 8 или с большей массой.
Эффективность применения центробежного усилителя 5 основана на высокой частоте оборотов двигателя и большей производительности центробежного принципа действия по сравнению с осевым.
Фиг.8. Отличительной особенностью от предыдущего варианта является вынос передней всасывающей части центробежного усилителя 5 от плоскости вращения винта 2 и установка внешнего окружного ограничителя 14 по границе вращения винта 2 в зоне
повышенного давления.
Смещение плоскостей забора окружающей среды винта 2 и центробежного
усилителя 5 в пространстве увеличит к ним свежий приток из внешней среды без взаимного влияния, а ограничитель 14 границ потока перераспределит дополнительное давление, возникающее от центробежного усилителя 5 в осевом направлении, что оправдывает его применение на винтовом движителе со ступенчатым увеличением потока, чем при использовании его в одинарном неизменяемом винтовом потоке.
Источники информации
1. Тиняков Г.А. Пилотирование вертолета. Москва. 1957 г., (http://scilib.narod.ru/index.html).
2. Центробежный компрессор. Из Интернета (http://www.new.turbinist.ru/).
3. Особенности аэродинамики вертолета соосной схемы (file://localhost/G:/папа/папа/aвиа/винт/Index09.mht).
4. Перспективность соосного закапотированного винтовентилятора не перечеркнута (http:/www.aviaport.ru/news/2010/04/08/).
5. О работе винта, помещенного в кольце. Кольцевое крыло. (http://www.stroimsamolet.ru/).
6. Лобовое сопротивление (http:// ru.wikipedia.org/wiki/Заглaвнaя_cтpaницa).
7. Юлиюс Мацкерле «Современный экономичный автомобиль» (attachment:/605/label2.gif).
(
8. Кавитация http://knowlg.com/).
9. Воздушный винт (http://ru.wikipedia.org/wiki/Зaглaвнaя_cтpaницa).