ВЕРТИКАЛЬНАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАРЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА В ВОЗДУХЕ
VERTICAL AERODYNAMIC PIPE FOR SIMULATION OF FREE FLOATING OF A PERSON IN AIR

Изобретение относится к устройствам воспроизведения свободного парения в воздухе, а именно к вертикальным аэродинамическим трубам замкнутого рециркуляционного типа, и может быть использовано как для тренировки спортсменов, так и в качестве развлекательного аттракциона.
Известны различные конструкции установок типа вертикальных аэродинамических труб, предназначенных для воспроизведения свободного падения человека в воздухе (RU 162175, опубл. 27.05.2016; RU 2516947, опубл. 20.05.2014; RU 2389528, опубл. 20.05.2010; RU 2381147, опубл. 10.02.2010), многие из которых решают задачи повышения эффективности терморегулирования в вертикальных полетных камерах установок либо направлены на повышение коммерческой ценности за счет уменьшения высоты и упрощения конструкций.
Однако существующие аэродинамические трубы, которые используются как для тренировки спортсменов, так и в качестве развлекательного аттракциона, прежде всего не должны доставлять дискомфорт, оказывать негативное влияние на здоровье как самих пользователей, так и окружающих по причине высокого уровня вибрации и возникающих резонансных явлений, вызывающих шум при работающих механизмах таких установок.
Кроме того, особое внимание необходимо уделять безопасности пользователей, находящихся внутри полетной камеры во время тренировок и выполнения сложных трюков.
В большинстве современных аэродинамических труб с целью снижения шума поток проходящего воздуха расширяют и замедляют сразу после полетной камеры. Однако, если расширять воздушный поток слишком быстро, то он будет разделяться и станет турбулентным, а не ламинарным, что приведет к ухудшению рабочих параметров всей системы и увеличению расхода энергии. Кроме того, ухудшение качества воздушного потока приведет к тому, что имитация свободного падения не будет адекватной. Увеличение высоты аэродинамической трубы может решить эту задачу, но при этом снизить ее эффективность.
Однако минимизация высоты при максимальном торможении воздушного потока после полетной камеры является необходимым условием коммерческого успеха.
Таким образом, экономически выгодная установка должна быть относительно невысокой и малошумной.
В уровне техники не известны конструкции аэродинамических труб с небольшими вертикальными размерами и низким уровнем шума и вибрации.
Наиболее близкой по своей технической сущности к настоящему изобретению является конструкция устройства для имитации затяжного прыжка с парашютом с вертикальной аэродинамической трубой замкнутого рециркуляционного типа, содержащая воздухообменную систему, верхнюю и нижнюю горизонтальные воздуховодные каналы, два боковых воздуховодных канала, узлы основных вентиляторов, а также центральный канал с вертикальной полетной камерой и страховочной сеткой (RU 2458825, опубл. 20.08.2012).
Регулирование воздушного потока осуществляется основными нагнетательными вентиляторными узлами с помощью открытия или закрытия соответствующих впускных или выпускных жалюзи (воздухообменных заслонок) и является причиной распространения шума и вибрации во внешнее пространство, особенно на максимальных режимах работы аэродинамической трубы, которые невозможно заглушить, что доставляет дискомфорт и пагубно влияет на здоровье.
Узлы основных вентиляторов также являются источниками интенсивного шума и вибрации, т.к. шумо- и виброизоляции их не предусмотрены.
Появлению шума и вибрации способствует также скоростное движение воздушного потока по воздуховодным каналам, выполненным из листового проката, что способствует появлению дополнительных резонансных явлений, увеличивающих уровень вибрации и шума. Вибро- и шумопоглощающие элементы отсутствуют.
Страховочная сетка набрана из плетеных шнуров с низким аэродинамическим сопротивлением и предназначена для опоры пользователя и снижения аэродинамического сопротивления. Однако такая конструкция сетки не обеспечивает необходимые демпфирующие свойства при резком приземлении и тем более падении пользователя, находящегося в полетной камере, что может привести к травмированию пользователя, не обеспечивая его безопасность. В конструкции прототипа не предусмотрены средства смягчения силы удара пользователя в аварийных ситуациях.
Недостатки прототипа - высокий уровень шума и вибрации в процессе эксплуатации аэродинамической трубы, а также недостаточная безопасность пользователя при резком приземлении или падении на страховочную сетку полетной камеры.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание комфортных и безопасных условий эксплуатации вертикальной аэродинамической трубы.
Технический результат заключается в снижении уровней вибрации и шума, а также в обеспечении безопасной эксплуатации вертикальной аэродинамической трубы.
Технический результат достигается за счет того, что в вертикальной аэродинамической трубе для воспроизведения свободного парения человека в воздухе, содержащей воздухообменную систему, верхнюю и нижнюю горизонтальные воздуховодные каналы, два боковых воздуховодных канала, узлы основных вентиляторов, а также центральный канал с полетной камерой и страховочной сеткой, корпус аэродинамической трубы состоит из корпусов отдельных узлов, снабженных элементами жесткости, и размещен внутри ферменной конструкции, которая установлена на виброопорах, содержащих слои демпфирующих материалов, армированных высокопрочной сеткой.
Между фланцами корпусов отдельных узлов установлены вибропоглощающие прокладки, гасящие низкочастотные колебания, воздухообменная система аэродинамической трубы, размещенная в верхнем горизонтальном воздуховодном канале, содержит симметрично расположенные патрубки подвода наружного и отвода нагретого воздуха.
Причем патрубок отвода нагретого воздуха выполнен в виде диффузора с шумопоглощающими перегородками, образующими расширяющиеся радиальные каналы, а патрубок подвода наружного воздуха выполнен в виде цилиндрической детали с верхним перфорированным участком, на котором установлено основание цилиндрического стакана с образованием кольцевого зазора между их внутренними поверхностями с нанесенным шумопоглощающим покрытием.
Страховочная сетка рабочей камеры снабжена системой натяжных тросов и выполнена с возможностью двухэтапной упругой амортизации при падении пользователя с помощью разрывных элементов, установленных внутри пружин.
Кроме того, в одном из дополнительных вариантов изобретения узлы основных вентиляторов, размещенные в боковых воздуховодных каналах, снабжены спрямляющими лопатками, при этом моторамы указанных узлов установлены на виброамортизаторах.
Конструктивные особенности корпусов отдельных узлов, выполненных с ребрами жесткости, так же как и гасящие низкочастотные колебания межфланцевые прокладки, позволяют существенно снижать уровень вибрации корпуса аэродинамической трубы.
Виброопоры, на которые установлена ферменная конструкция, обладают свойством гасить вибрацию, т.к. их конструкция содержит слои материалов с разными демпфирующими свойствами, армированные высокопрочной сеткой.
Причем каждая виброопора изготовлена с заданными характеристиками, исходя из максимального снижения уровня вибрации, которая может возникнуть в каждой точке ферменной конструкции в зависимости от скорости основного воздушного потока и частоты вращения электродвигателей основных вентиляторов.
При монтаже аэродинамической трубы в каждом конкретном случае по результатам расчетов и замеров уровня вибрации задают определенный набор слоев виброопоры, чтобы уровень вибрации не превышал существующие нормы, а уровень шума воспринимался как комфортный. Конструкция виброопор обеспечивает максимальное поглощение и уменьшение передачи вибрации как непосредственно на конструкцию аэродинамической трубы, так и во внешнее пространство.
При открытии заслонок воздухообмена в прототипе происходит распространение шума основного воздушного потока во внешнее пространство, окружающее аэродинамическую трубу, а система шумоглушения входных и выходных воздушных потоков отсутствует, поэтому размещение воздухообменной системы аэродинамической трубы в верхнем горизонтальном воздуховодном канале, которая содержит симметрично расположенные патрубки подвода наружного и отвода нагретого воздуха, в сравнении с прототипом имеет существенные преимущества.
Конструкция патрубка отвода нагретого воздуха по настоящему изобретению позволяет нагретому воздуху расширяться при прохождении в диффузоре. Далее, проходя вдоль радиальных расширяющихся шумоглушащих каналов, поток воздуха максимально гасит скорость своего движения, снижая уровень шума.
Конструкция патрубков подвода наружного воздуха позволяет осуществлять забор наружного воздуха с помощью регулируемых вентиляторов в кольцевой зазор в нижней части патрубка, проходя через перфорированный участок и поворачиваясь на угол 180 град. Звуковая волна, двигаясь от вентилятора вверх, частично гасится шумопоглощающим покрытием, меняет направление на 180 град и теряет свою энергию, проходя через кольцевой зазор, и гасится до приемлемого уровня.
Конструкция страховочной сетки обеспечивает двухэтапную упругую амортизацию при падении пользователя. На первом этапе при падении пользователя со средним весом 80 кг с высоты 6 метров сетка амортизирует тело пользователя за счет упругости натяжных тросов и упругих эластичных втулок. Натяжные тросы переплетены между собой перпендикулярно и образуют прочный каркас. Такая система позволяет регулировать степень натяжения тросов, их прогиб и общую жесткость конструкции.
В случае превышения нагрузочных усилий, например, при падении пользователя с большим весом или с большой высоты, осуществляется второй этап амортизации, на котором срабатывает предохранительный узел, содержащий разрывной элемент, закрепленный внутри пружины, на которой закреплен трос. Тогда эффективная амортизация будет осуществляться посредством пружин, внутри которых рвется этот элемент. Усилие растяжения пружины выбирается с учетом поглощения значительных растягивающих усилий, достаточных для смещения страховочной сетки в направлении падения пользователя. Сетка при этом сохраняет недеформированное состояние и смягчает удар, обеспечивая максимальную безопасность пользователя.
Узлы основных вентиляторов размещены в боковых воздуховодных каналах и снабжены спрямляющими лопатками, а моторамы указанных узлов установлены на виброамортизаторах, что дополнительно обеспечивает снижение вибрации и шума.
Изобретение проиллюстрировано следующими фигурами.
На фиг. 1 показан общий вид аэродинамической трубы, размещенной в ферменной конструкции в изометрии.
На фиг. 2 аэродинамическая труба показана в разрезе, на котором представлены узлы, составляющие корпус аэродинамической трубы, стрелками показаны направления движения воздушных потоков.
Фиг. 3 иллюстрирует конструкцию виброопор.
На фиг. 4а представлен патрубок отвода нагретого воздуха в разрезе, на фиг. 4б - вид сверху патрубка по фиг. 4а.
На фиг. 5 показан патрубок подвода наружного воздуха в разрезе.
На фиг. 6 представлена конструкция страховочной сетки.
На фиг. 7 - разрывной элемент страховочной сетки а) до разрыва, б) после разрыва.
Фиг. 8 иллюстрирует состояние пружины и натяжного троса страховочной сетки после разрыва разрывного элемента.
На фиг. 9 показан узел основного вентилятора с моторамой, установленной на виброамортизаторах.
Устройство по настоящему изобретению содержит следующие элементы:
1 - верхний горизонтальный воздуховодный канал;
2 - нижний воздуховодный канал;
3, 4 - боковые вертикальные обводные воздуховодные каналы;
5 - центральный канал;
6 - вертикальная полетная камера;
7 - верхняя коллекторная камера;
8 - нижняя коллекторная камера;
9 - поворотное колено;
10 - переходный стакан;
11 - конфузор;
12 - диффузор;
13 - патрубок подвода наружного воздуха;
14 - патрубок отвода нагретого воздуха;
15 - основной вентилятор;
16 - электродвигатель основного вентилятора;
17 -спрямляющие лопатки основного вентилятора;
18 - виброамортизаторы;
19 - страховочная сетка;
20 - стойки ферменной конструкции;
21 - ребра жесткости корпусов;
22 - виброопоры;
23 - межфланцевые вибропоглощающие прокладки;
24 - узел крепления виброопоры;
25 - упор виброопоры;
26 - слой демпфирующего материала;
27 - армирующая сетка;
28 - слой материала-гасителя высокочастотных колебаний;
29 - фундамент;
30 - шумопоглощающие перегородки патрубка отвода нагретого воздуха;
31 - звукопоглощающее покрытие;
32 - радиальные каналы;
33 - цилиндрическая деталь патрубка 13;
34 - перфорированный участок детали 33;
35 - цилиндрический стакан патрубка 13;
36 - основной воздушный поток;
37 - наружный воздух;
38 - нагретый воздух;
39 - шумопоглощающее покрытие;
40 - угловой участок страховочной сетки 19;
41 - натяжные тросы;
42 - пружины;
43 - эластичная втулка;
44 - разрывной элемент пружины 42;
45 - моторама узла основного вентилятора.
Далее описана работа устройства в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения.
Работа аэродинамической трубы по настоящему изобретению осуществляется следующим образом.
Для обеспечения воздухообмена внутри аэродинамической трубы через патрубки 13 осуществляют подвод наружного воздуха 37 в основной воздушный поток 36. Воздух 37 всасывается в кольцевой зазор между наружной стороной стенки цилиндрической детали 33 и внутренней стороной стенки цилиндрического стакана 35 патрубка 13 с помощью регулируемых вентиляторов (не обозначены), проходит через перфорированный участок 34 в верхней части патрубка 13, разворачиваясь на угол 180 град, далее проходит через внутреннее пространство детали 33, ограниченное ее стенками и попадает в канал 1 (фиг. 5). Звуковая волна, двигаясь от вентилятора вверх, поглощается шумопоглощающим покрытием 39, расположенным на внешней поверхности стенок стакана 35, меняет направление на 180 град, теряет свою энергию, проходя через кольцевой зазор, и гасится до приемлемого уровня.
При включении электродвигателя 16 основного вентилятора 15 обоих боковых каналов 3 и 4 создается перепад давления, под действием которого воздушный поток, поступающий через патрубки 13, движется вниз через переходные стаканы 10 к поворотному колену 9 и меняет направление с вертикального на горизонтальное (угол примерно 90°). При этом спрямляющие лопатки 17 основных нагнетательных вентиляторов 15 обеспечивают ламинарное течение потока 36 по направлению к нижней коллекторной камере 8, создавая при этом безвихревое перемещение воздуха по направлению к нижней коллекторной камере 8 (фиг. 2). Корпуса узлов аэродинамической трубы представляют собой опорные конструкции и являются источниками виброаккустической активности, поэтому равномерное течение воздушного потока 36 способствует снижению виброакустических явлений внутри воздухообводных каналов 3, 4.
Кроме этого, основной вентилятор 15 с изменяемой частотой вращения, являясь динамической системой, как создает дополнительную вибронагрузку с изменяемой частотой колебаний на сам узел вентилятора 15, так и передает эти колебания на соседние корпуса узлов. Для снижения этого явления моторамы 45 узлов основных вентиляторов 15 установлены на опорные виброамортизаторы 18 (фиг. 9).
Моторама 45 представляет собой корпус с вмонтированным в него основным вентилятором 15, спрямляющими лопатками 17 и электродвигателем 16. Спрямляющие лопатки 17 расположены равномерно по длине окружности с шагом образующей дуги не менее 30 град. Количество лопаток составляет не менее 11-ти. Основная функция спрямляющих лопаток 17 - обеспечение ламинарного течения воздушного потока 36. Кроме того, они осуществляют передачу нагрузок на опорные виброамортизаторы 18, связывая таким образом между собой в единую жесткую конструкцию узел основного вентилятора 15. Такая конструкция обеспечивает в случае необходимости быстрый монтаж и демонтаж моторамы 45 в аэродинамической трубе.
Спектр собственных частот всех корпусов узлов может быть представлен набором масс и жесткостей, а виброактивность в целом аэродинамической трубы при этом будет определяться уровнями этих спектральных колебаний на резонансных частотах, поэтому наличие ребер жесткости 21 корпусов узлов, а также межфланцевые вибропоглощающие прокладки 23 способствуют снижению уровня колебаний на резонансных частотах.
Далее воздушные потоки с боковых воздуховодных каналов 3 и 4 движутся по каналам нижней коллекторной камеры 8 и вновь разворачиваются на угол 90 град, смешиваясь в конфузоре 11. В результате плавного сужения проходного сечения конфузора 11 происходит выравнивание полей скоростей и ускорение движения воздушного потока до значений порядка 50 м/сек (180 км/ч и более), обеспечивающих поддержку пользователя в вертикальной полетной камере 6 в свободном парящем состоянии.
Скорость воздушного потока внутри полетной камеры 6 может регулироваться автоматически либо по команде оператора с использованием системы управления преобразователями частоты (не показаны) регулируемых электродвигателей 16 основных вентиляторов 15.
При прохождении воздушного потока вдоль стенок каналов 3 и 4, развороте его в поворотных коленах 9, коллекторных камерах 7 и 8 и т.д., происходит увеличение внутренних потерь на трение, что соответственно приводит к существенному нагреву воздуха (например, свыше 35°С). Нагретый воздух 38, поднимаясь по центральному каналу 5, делится в верхней коллекторной камере 7 на два противоположных потока.
Система воздухообмена осуществляет отвод части нагретого воздуха 38 через патрубки 14 (фиг. 4), расположенные в верхнем горизонтальном воздуховодном канале 1, с помощью регулируемых вентиляторов (не обозначены). Нагретый воздух 38, проходя через диффузорную часть патрубка 14, снижает скорость и движется вдоль его стенок со звукопоглощающим покрытием 31 (например, из самовспенивающегося самотвердеющегося пенополиуретана) и разделяется на потоки, выходящие через расширяющиеся радиальные каналы 32 вдоль шумопоглощающих перфорированных перегородок 30, выполненных, например, из жесткого пенополиуретана. При этом скорость воздушного потока 36 в сравнении с первоначальной снижается примерно в три раза, также как и уровень шума.
Практика показывает, что указанных мер недостаточно для того, чтобы снизить вибрацию (примерно до 2 мм/с) и шум (примерно до 60 дб), т.е. до приемлемых уровней, поэтому предусмотрены множественные виброопоры 22, закрепленные под ферменной конструкцией 20, внутри которой размещена аэродинамическая труба, по опорному периметру фундамента 29 (фиг. 1).
Каждая виброопора 22 состоит из слоев 26, 28 материалов с демпфирующими свойствами и армирующей сетки 27 (фиг. 3). Армирующая сетка может быть выполнена из различных материалов, например, металла, полимерных материалов или стекловолокна, обеспечивающих как прочностные характеристики, так и улучшающие показатели вибропоглощения и вибродемфирования.
Такими материалами могут служить вибродемфирующая резина, армированная металлической нержавеющей сеткой, может также использоваться композиционный пластик, армированный сеткой из стекловолокна с полимерной прослойкой. При этом размер ячеек может составлять до 10 толщин нитей армирующего материала.
Заявляемая конструкция виброопор 22 обеспечивает дополнительное снижение уровня вибрации до 2-2,5 мм/с.
Создание комфортных условий эксплуатации аэродинамической трубы предусматривает безопасность пользователя, который совершает трюки внутри полетной камеры 6 (фиг. 6, 7, 8). Конструкция страховочной сетки создает безопасные условия для пользователя. При падении пользователя на страховочную сетку 19 срабатывают предохранительные узлы, включающие разрывные элементы 44, закрепленные внутри пружин 42, на которых закреплены натяжные тросы 41. При разрыве указанных элементов 44 эффективная амортизация удара будет осуществляться посредством пружин 42, сетка 19 при этом сохранит недеформированное состояние и смягчит удар, не причинив вреда пользователю.