РОТОРНЫЙ ВИХРЕДВИЖИТЕЛЬ "СЕРВИД-М"
"SERVID-M" ROTARY SWIRL PROPULSOR

Изобретение относится к вентиляторостроению и предназначено к применению в качестве аэродвижителя транспортных средств, особенно для таких, которые без применения рулей должны иметь возможность перемещения в трех измерениях.
Известны движители, содержащие ротор с лопастями и распределитель их циклового поворота в виде шестерен-сателлитов, обкатывающих через промежуточные шестерни солнечную шестерню диаметром в два раза меньшую. Например, КРЫЛЬЧАТЫЙ ДВИЖИТЕЛЬ Мурыгина, а.с. №510407, Кл. В63Н 1/10. Здесь шесть консольных лопастей, управляемые планетарным механизмом распределителя, совершают колебательные движения по повторяемому циклу и создают тягу.
Прототипом заявленного устройства может служить ВИБРОДВИЖИТЕЛЬ "СЕРВИД", описанный автором в технической газете "МАСТЕР" №63 за 1998 г., стр.9-12. Этот движитель имеет также планетарный распределитель, содержащий солнечную неподвижную шестерню и периферийные шестерни-сателлиты, в два раза большие диаметром, которые обкатывают солнечную шестерню через промежуточные шестерни любого диаметра. Шестерни-сателлиты соединены с лопастями двухстороннего аэродинамического профиля. За один оборот ротора они поворачиваются на пол-оборота, то есть попеременно работают двумя сторонами. Этот факт имеет двойной недостаток, так как, во-первых, двухсторонний аэродинамический контур мало эффективен с точки зрения аэродинамики, а, во-вторых, попеременная изгибающая нагрузка на лопасть ведет к ее повышенному износу.
Целью настоящего изобретения является создание аэродвижителя - роторного вихредвижителя "СЕРВИД М", лишенного недостатков прототипа, с широким фронтом воздушного потока, с односторонней работой лопастей, с корректировкой их фазового положения, с возможностью изменения направления воздушного потока в трех координатах.
Для достижения указанной цели механизм распределителя, помещенный внутри ведущего диска, снабжен секторными шестернями, зубья которых зацеплены с зубьями реек шатунов, шарнирно установленных на качалке, которая со смещением оси посажена на подшипник сдвоенной втулки, закрепленной в корпусе подшипника главного вала. При вращении ротора пальцы ведущего диска стенками отверстий, которые больше диаметров пальцев на величину двойного смещения оси качалки, приводят ее в колебательное вращение, приводящее к возвратно-поступательным движениям шатунов. Рейки шатунов поворачивают секторные шестерни за один оборот ротора один раз на 90 градусов по направлению его вращения и один раз в противоположном направлении. Таким образом, секторные шестерни, связанные с лопастями, обеспечивают последним попеременную установку во флюгерное и маховое положение, создавая направленный воздушный поток, при этом лопасти работают одной стороной, то есть выполнены с односторонней рабочей поверхностью. Для предотвращения вибрации центры масс лопастей совпадают с осью их колебаний. Для корректировки изменения скорости поворота лопастей оси секторных шестерен могут быть смещены. Для увеличения числа свобод перемещения, рама установлена на оси привода с возможностью поворота.
На фиг.1 роторный вихредвижитель изображен в плане.
На фиг.2 разрез по "А-А" на фиг.1.
На фиг.3 - вариант установки секторной шестерни со смещением.
На фиг.4 разрез по "Б-Б" на фиг.1 - конструкция лопасти с односторонней рабочей поверхностью.
На фиг.5 - диаграмма положения лопастей в разных фазах.
На фиг.6 - пример применения роторного вихредвижителя "СЕРВИД-М" на "летающем мотороллере".
Роторный вихредвижитель состоит из рамы 1 со стойками 2, в подшипниках 3 которых установлен главный вал 4, через коническую передачу 5 соединенный с двигателем 6. Главный вал несет ротор, состоящий из опорных 7 и ведущих 8 дисков. Между дисками размещены лопасти 9 с односторонней рабочей поверхностью 10. Верхняя обшивка 11 допасти имеет цилиндрическую форму. Верхняя и нижняя обшивки соединены нервюрами 12 и стрингерами 13. Труба-лонжерон 14, предпочтительно квадратного сечения, осью поворота проходит через центр массы лопасти. Конструкция лопасти допускает значительную нагрузку, которая ограничена ее длиной, при расчетном достижении которой лопасти объединяются в секции и соединяются между собой четырехгранными законцовками валиков 15 в подшипниковых опорах 16. Замыкающий секцию опорный диск снабжен шипами 17. При значительном числе секций ведущие диски устанавливаются с двух сторон. В ведущем диске расположен механизм распределителя, который состоит из сдвоенной втулки 18, одна цилиндрическая поверхность которой крепится в отверстии кронштейна стойки и фиксируется винтом 19. Паз 20 в кронштейне позволяет поворачивать сдвоенную втулку на некоторый расчетный угол. Вторая цилиндрическая поверхность сдвоенной втулки смещена на эксцентриситет " " и на нее установлен подшипник 21 качалки 22, которая имеет стенку с отверстиями 23. Через отверстия проходят пальцы 24, закрепленные на стенках 25 ведущего диска. Для возможности передачи вращения диаметры отверстия и пальца разнятся на величину удвоенного эксцентриситета " ". По периферии на качалке шарнирно установлены шатуны 26, в пазах которых размещены рейки 27 и опорные поверхности 28 для зубьев и опорных поверхностей секторных шестерен 29, оси которых установлены в подшипниковых втулках 30 и со стороны лопастей заканчиваются четырехгранниками 31, ответными квадратным отверстиям труб-лонжеронов лопастей. Для корректировки меняющейся скорости поворота секторных шестерен, последние могут быть установлены со смещением " " относительно осей поворота лопастей. Рама 1 может быть снабжена опорным роликом 32.
Роторный вихредвижитель работает, создавая воздушный поток рабочей поверхностью лопастей, которые в процессе вращения ротора качаются вокруг своих осей. Для компактности в районе рамы лопасть располагается вдоль потока, то есть во флюгерном положении. И далее, по мере поворота ротора, лопасть поворачивается против его вращения и через половину оборота устанавливается перпендикулярно к создаваемому потоку. За последующие пол-оборота лопасть вращается уже в сторону вращения ротора и устанавливается в исходное флюгерное положение. Таким образом, за оборот ротора по отношению к нему каждая лопасть поворачивается на 90° и обратно. Этот поворот определяется эксцентриситетом сдвоенной втулки, который должен равняться рабочей длине основной окружности зубчатой поверхности секторной шестерни. Возможны некоторые расчетные отклонения, когда лопасть в конце полуоборота ротора не должна становиться против создаваемого потока.
Работа роторного вихредвижителя иллюстрируется диаграммой на фиг.5. При вращении ротора - показано стрелкой на фиг.2 - качалка 22 увлекается пальцами 24 и приходит в колебательное вращение, так как пальцы обкатывают отверстия в стенке качалки, вместе с тем вращаясь с ротором. Колебания передаются шатунам 26, которые, смещаясь на величину колебания в этой фазе, смещают каждый свою рейку 24 на определенную величину, и зубья рейки поворачивают секторную шестерню 29 на соответствующий угол. На такой же угол поворачивается лопасть, если не была произведена корректировка поворота смещением оси секторной шестерни. В последнем случае секторная шестерня меняет свой радиус зацепления в процессе поворота, то есть меняется ее угловая скорость, и поворот лопасти в этой фазе может быть большим или меньшим в зависимости от смещения оси секторной шестерни.
Скорость перемещения рейки шатуна относительно секторной шестерни не постоянна, так как составляющая окружной скорости шарнира, соединяющего шатун с качалкой и приводящая шатун к возвратно-поступательному движению, меняется по синусоидальному закону. Это способствует повышению функциональности работы лопасти, так как при правильной установке сдвоенной втулки 18, лопасти во флюгерной зоне (I на фиг.5) и в зоне III ортоптерного (прямо машущего) движения имеют меньшую скорость поворота вокруг осей труб-лонжеронов, чем в переходных зонах II и IY, то есть мало меняют свое положение относительно качалки.
Переходную зону II можно определить как зону работы лопасти "по самолетному", так как в этой зоне лопасть перемещается как самолетное крыло с меняющимся углом атаки. Переходную зону IY можно назвать «центробежной». В этой зоне наружная кромка лопасти в процессе поворота имеет скорость больше внутренней, что способствует радиальному выбросу воздуха под действием центробежной силы. Соответственно эта зона значительно влияет на увеличения общей тяги.
2
3
На фиг.5 пунктиром обозначена площадь J, определяемая движением одной лопасти за цикл, то есть за один оборот ротора. Графическим интегрированием эту площадь можно выразить зависимостью ее от диаметра D вращения лопастей. Если умножить эту площадь на длину L лопасти, на количество лопастей К в роторе и на число оборотов n ротора в секунду, то определится объем V воздуха, выбрасываемый ротором за секунду. По результатам графического интегрирования J=1,5 D, тогда при L=1,5D и К=4×2, V=4,5Dn.
Как известно, тяга определяется скоростью выброса воздуха и его массой ("…это произведение веса воздуха, который проходит через площадь вращения винта за одну секунду, на скорость струи за винтом, деленное на ускорение силы тяжести" академик В.Пыщнов, статья "На воздушной подушке"). Очевидно,, что "секундный вес воздуха" "СЕРВИДа-М" значительно больше, чем у известных аэродвижителей, то есть так же больше и его тяга. Итак, при усредненной окружной скорости центров тяги лопастей v=0,65πDn=2Dn, тяга, создаваемая двухсекционным роторным вихредвижителем при массовой плотности воздуха 0,125, равна:
3
3
2
Y=ρVv=0,125×4,5Dn×2Dn=1,125 Dn.
Необходимая при этом мощность двигателя определяется по известной формуле N=Y v/η.
Роторный вихредвижитедь может быть применен на любом транспортном средстве (аэросани, аэролодка и т.п.). В качестве примера, на фиг.6 изображен "летающий мотороллер". Здесь два "СЕРВИДа-М", соединенные общим валом, установлены по бортам. Достаточно мощный двигатель (95 кВт) установлен на раму мотороллера и через передачу соединен с бортовыми роторными вихредвижителями. В выключенном положении вихредвижители своим весом опущены в положение, показанное на фиг.6 пунктиром. При включении двигателя на начальных оборотах развивается некоторая тяга, которая достаточна для движения мотороллера. Если пилот притормаживает мотороллер и добавляет обороты двигателя, возросшее сопротивление движению заставляет рамы с вихредвижителями перейти в горизонтальное положение, развивается тяга, превышающая вес пилота с мотороллером, и следует вертикальный подъем. Далее, изменением положения тела, пилот приводит в несовпадение центр тяги и центр масс, в результате чего мотороллер перемещается в нужном направлении. Для удобства на колонку руля мотороллера установлен щит, поэтому при повороте руля встречный поток, набегая на щит, поворачивает машину. Используя вышеприведенные формулы, можно определить, что для "летающего мотороллера", изображенного на фиг.6, Y=207 кг, а N=93 кВт.
Роторный вихредвижитель "СЕРВИД-М" при необходимости можно использовать и как мощный широко поточный вентилятор.