ВИХРЕВОЙ ДВИЖИТЕЛЬ
VORTEX PROPELLER

Область техники.
Изобретение относится к механике, к двигателям, более конкретно к реактивным двигателям без газовых турбин, и может быть использовано в конструкции движителей для транспортных средств, передвигающихся в воздухе, воде и других текучих средах.
Изобретение может найти применение в авиации, водном транспорте.
Уровень техники.
Известны двухконтурные реактивные двигатели (ДТРД), у которых тяга создается в двух контурах: газотурбинном и вентиляторном (втором) контуре. При отсутствии во втором контуре форсажной камеры создание тяги в нем включает: засасывание воздуха из окружающей среды во входном устройстве, сжатие его вентилятором (или компрессором), прокачивание через воздушный тракт кольцевого сечения второго контура и реализацию тяги путем расширения потока в выходном сопле (См. А.Л.Клячкин. Теория воздушно-реактивных двигателей. "Машиностроение", М., 1969 г., стр.17-19). Вентиляторный контур обычно содержит входное устройство (иногда - общее с газотурбинным контуром), компрессор (вентилятор) и выхлопное сопло. Вентиляторный контур содержит также один или несколько венцов спрямляющих лопаток, расположенных за вентилятором и предназначенных для выпрямления закрученного на вентиляторе потока. (См. В.А.Шульгин. Двухконтурные ТРД малошумных самолетов. стр.150).
Такой способ является дополнительным к турбореактивному способу создания тяги, но мог бы использоваться и в качестве самостоятельного. Однако в существующем виде способ характеризуется недостаточной эффективностью, поскольку он использует только наружную кольцевую площадь миделя двигателя, в то время как внутренняя площадь кольца занята конструкцией двигателя, и при этом не используется энергия окружающей среды.
Известны автономные вентиляторные движители (АВД), содержащие вентилятор, расположенный в гондоле, снабженной выпрямляющими лопатками. При этом вентилятор приводится от воздушной турбины, работающей от сжатого воздуха, отбираемого от компрессора основного ДТРД. Таких АВД может быть несколько, питаемых от одного ДТРД. Более того, два или больше ДТРД могут подавать сжатый воздух в один общий воздуховод, от которого приводятся несколько АВД (См. ЕР 1331378 А2, F02C 1/02, 2003 г.).
Таким образом, в известном решении, по мнению авторов, достигается снижение уровня шума, создаваемого силовой установкой (СУ), содержащей ДТРД. Эффект создается за счет того, что отдельные АВД позволяют значительно увеличить степень двухконтурности ДТРД, за счет этого понизить уровень шума, создаваемого СУ, и значительно повысить транспортную эффективность самолета с силовой установкой из ДТРД.
Однако АВД в упомянутом патенте сложны по конструкции из-за наличия корпуса, турбины, приводного вала, редуктора и самого вентилятора, имеют значительную массу, что снижает достигаемый эффект. Кроме того, им присущи и недостатки, характерные для ДТРД.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является разработка такого движителя для силовых установок с ДТРД, который бы был прост по конструкции, имел уменьшенную массу и повышенную надежность.
Кроме того, движитель должен обеспечивать значительное увеличения степени двухконтурности ДТРД и соответственно повысить характеристики силовой установки: топливную эффективность, уровень шума и др.
Более того, движитель должен легко устанавливаться на любых агрегатах самолета.
Согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что вихревой движитель выполнен в виде обтекаемой пустотелой гондолы, выполняющей роль корпуса, внутренняя поверхность гондолы представляет собой воздушный тракт, состоящий из сообщающихся последовательно расположенных входного устройства, выполненного в виде конфузора, диффузора, вихревой камеры и выходного устройства; кроме того, гондола снабжена устройством для подачи сжатого воздуха вовнутрь воздушного тракта, выполненным в виде сопел, сообщающихся с источником сжатого воздуха, расположенных в передней части гондолы по всему периметру ее поперечного сечения, и направленных под углом к оси воздушного тракта таким образом, чтобы закручивать находящийся в нем воздух в одном направлении, создавая вихрь.
Кроме того, устройство для подачи сжатого воздуха снабжено коллектором, выполненным в гондоле, сообщающимся с соплами, и снабженным устройством подсоединения к трубопроводу подачи сжатого воздуха от внешнего источника сжатого воздуха, а устройство подсоединения выполнено в виде патрубка с соединительным устройством, сообщающегося с коллектором и снабженного управляемым клапаном для регулирования и перекрытия подачи воздуха, при этом гондола снабжена тормозным устройством, выполненным в виде поворотных створок, перекрывающих воздушный тракт.
Более того, диффузор выполнен в передней своей части в виде конуса с углом конусности, равным 2-10°, а в задней части выполнен в виде расширяющегося криволинейного раструба, при этом выпускные окна сопел выполнены на его поверхности, а воздушный тракт может быть выполнен с дополнительным диффузором, расположенным между диффузором и вихревой камерой.
Такое выполнение вихревого движителя позволяет создать универсальный движитель для транспортного средства, обладающий малой массой, простотой конструкции и высокой эффективностью.
Изобретение поясняется чертежом.
Фиг.1. показывает принципиальную схему вихревого движителя с частичным продольным вырывом по его оси.
Осуществление изобретения
В соответствии с изобретением вихревой движитель реализуется следующим образом.
Вихревой движитель выполняется в виде обтекаемой пустотелой гондолы, выполняющей роль корпуса. Внутренняя поверхность гондолы представляет собой воздушный тракт, состоящий из сообщающихся последовательно расположенных входного устройства, выполненного в виде конфузора, диффузора, вихревой камеры и выходного устройства. Гондола снабжена устройством для подачи сжатого воздуха вовнутрь воздушного тракта, выполненным в виде сопел, сообщающихся с источником сжатого воздуха. Сопла расположены в передней части гондолы по всему периметру ее поперечного сечения и направлены под углом к оси воздушного тракта таким образом, чтобы закручивать находящийся в нем воздух в одном направлении, создавая вихрь.
В вихревом движителе могут быть использованы известные источники сжатого воздуха. Так, в качестве источников могут быть использованы баллоны со сжатым воздухом, расположенные в гондоле. Могут также использоваться и внешние источники сжатого воздуха: компрессоры, газогенераторы. В авиации, на самолетах целесообразно использование турбинных газогенераторов или газотурбинных реактивных двигателей с устройствами отбора воздуха от компрессоров.
Устройство для подачи сжатого воздуха снабжено коллектором, выполненным в гондоле, сообщающимся с соплами, и снабженным устройством подсоединения к трубопроводу подачи сжатого воздуха от внешнего источника сжатого воздуха.
Целесообразно диффузор выполнять в передней своей части в виде конуса с углом конусности, равным 2-10°, а в задней части - в виде расширяющегося криволинейного раструба. При этом выпускные окна сопел выполнены на поверхности криволинейного раструба.
Целесообразно выполнять воздушный тракт с дополнительным диффузором, расположенным между диффузором и вихревой камерой. Гондола также снабжена выходным устройством, выполненным с выхлопным соплом и спрямляющим аппаратом.
Кроме того, устройство подсоединения может быть выполнено в виде патрубка с соединительным устройством, сообщающегося с коллектором и снабженного управляемым клапаном для регулирования и перекрытия подачи воздуха. При этом патрубок выполняется со штуцером и накидной гайкой, обеспечивающей соединение с трубопроводом подачи воздуха. Патрубок целесообразно снабдить управляемым клапаном, выполненным в виде поворотной заслонки, снабженной управляемым приводом.
Вихревой движитель может быть снабжен тормозным устройством, выполненным в виде поворотных створок, перекрывающих воздушный тракт и выполненных на гондоле в области вихревой камеры.
Гондола может быть снабжена устройствами крепления ее к конструкции транспортного средства. Устройства крепления могут быть выполнены любым известным способом, например в виде продольных уголковых профилей, выполненных по контуру конкретного узла транспортного средства (например, пилона), и установленных на внешней поверхности гондолы.
Пример реализации изобретения представлен на Фиг.1.
Вихревой движитель выполнен в виде обтекаемой пустотелой гондолы 1, выполняющей роль корпуса. Внутренняя поверхность гондолы представляет собой воздушный тракт, состоящий из сообщающихся последовательно расположенных входного устройства 2, выполненного в виде конфузора, диффузора 3, дополнительного диффузора4, вихревой камеры 5 и выходного устройства 6. Дополнительный диффузор 4 выполняется с углом конусности 6-10° и служит для улучшения вихреобразования.
Движитель снабжен устройством для подачи сжатого воздуха от турбогазогенератора вовнутрь воздушного тракта. Устройство выполнено в виде коллектора 10, сообщающегося с трубопроводом 9, связанным с устройством отбора воздуха от турбогазогенератора. Устройство также снабжено соплами 11, выполненными в хвостовой части диффузора 3 по всему его периметру. Трубопровод снабжен устройством регулирования подачи сжатого воздуха (не показано).
Устройство подачи воздуха внутрь вихревой камеры выполнено в виде сопел большого диаметра, равных 0,5-0,9 от максимальной высоты продольного сечения диффузора, расположенных на торцевой поверхности диффузора и направленных под углом 10-60° к оси воздушного тракта, так чтобы закручивать проходящий воздух в вихрь в вихревой камере.
Сопла 11 выполнены таким образом, что ось каждого сопла составляет угол 12 (при виде на поверхность тракта движителя) с осью гондолы 16. Угол 12 может для различных движителей быть равным 10-60°. В диаметральной плоскости угол наклона выпускных сопел может составлять -5-+10° с линией, параллельной оси гондолы 16. При этом выпускные окна сопел расположены на торцевой поверхности диффузора.
Целесообразно диффузор 3 выполнять в передней своей части в виде конуса с углом конусности, равным 2-10°, а в задней части - в виде расширяющегося криволинейного раструба. При этом выпускные окна сопел располагаются на поверхности криволинейного раструба.
Вихревая камера 5 выполнена цилиндрической, предназначена для стабилизации создаваемого вихревого потока и может иметь длину, равную 0,5-3 своего диаметра, в зависимости от мощности создаваемого вихревого потока.
В хвостовой части гондолы расположено выходное устройство 6, включающее выхлопное сопло и спрямляющее устройство 7. Спрямляющее устройство выполнено в виде радиальных стенок, связанных между собой кольцевой вставкой 8.
При работе движителя на земле (при отсутствии движения транспорта) вдув высокоэнергетичных струй воздуха эжектирует окружающий воздух и создает прокачку его через тракт движителя. При этом каждая струя действует как отдельный эжектор, благодаря чему повышается коэффициент эжекции. Все вместе вдуваемые по окружности тракта движителя струи ускоряют и закручивают входной поток 13, создавая тем самым вихрь 14. Вихрь 14 стабилизируют в вихревой камере 5. Вихрь 14 создает в прокачиваемом потоке разрежение по оси тракта, тем самым способствует увеличению эжекции окружающего воздуха. Вихревой поток выпрямляется и ускоряется в выходном устройстве 6 на радиальных спрямляющих стенках 7 и в сопле, создавая тягу.
При движении транспортного средства вихрь 14 закручивает поступающий в тракт воздушный поток, создавая разрежение в центральной области гондолы. Разрежение уменьшает сопротивление воздушного тракта и способствует увеличению расхода воздуха через движитель. В этом случае тяга создается за счет эжектирующих струй и импульса дополнительных поступающих масс.
Выполненный вышеописанным образом вихревой движитель является автономным (АВД) и может быть установлен в любой части транспортного средства, куда можно подвести воздух. При этом каждый АВД может питаться отдельным газогенератором или несколько (2 и больше) ABД могут питаться через общий трубопровод от одного или двух, трех и более газогенераторов. Такая силовая установка имеет повышенные характеристики за счет увеличения степени двухконтурности: меньший расход топлива, меньшая масса конструкции, высокая надежность, пониженные показатели по шуму.
Все это приводит к повышению безопасности полетов, повышению транспортной эффективности самолетов, водного транспорта.
Предложенный вихревой движитель может быть выполнен из металла (алюминиево-магниевые, титановые сплавы) или из композитных материалов существующими технологиями.