Движитель с соосными винтами и обтекателем
PROPULSOR DEVICE WITH COAXIAL SCREWS AND FAIRING

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к конструкциям воздушных винтов, работающих по соосной схеме в кольцевом обтекателе. Предложенная конструктивная схема может быть применена также в судостроении при проектировании соосных гребных винтов.
Винты, вращающиеся в противоположном по отношению друг к другу направлении и расположенные соосно, широко применяются, как в вертолетостроении (множество вертолетов ОКБ им. Н.И. Камова построены именно по соосной схеме), самолетостроении (Ту-95), так и в судостроении. Такая схема компоновки позволяет компенсировать реактивный момент от вращения винта, преимуществом так же является меньшие габариты конструкции по сравнению с традиционной компоновкой.
Примером такой компоновки является патент № RU 2496681 C1 от 27.10.2013, опубл. 27.10.2013, БИ №30, в котором соосные несущие винты вертолета имеют различный диаметр, при этом нижний винт имеет меньший в 1,8-2,2 раза диаметр и обороты в 1,8-2,2 раза большие, чем верхний винт. Преимуществом такой конструкция является большее влияние эффекта «воздушной подушки» за счет увеличения индуктивной скорости отбрасывания, что позволяет применять вертолеты при поисковых работах на больших высотах в горной местности.
Недостатком такой конструкции является значительные концевые потери, вследствие чего снижение КПД.
Для повышения эффективности работы воздушных и гребных винтов применяется размещение винта в кольцевом обтекателе. Такие кольцевые обтекатели нашли применение как в авиастроении, так и в судостроении. Применение обтекателя позволяет увеличить до 20% КПД, в сравнении с винтом без обтекателя. Повышение достигается за счет снижения концевых потерь, а так же увеличения скорости протекания воздуха (или жидкости в случае гребного винта) через диск винта.
Примером применения такой конструкции является судовой воздушный движительный комплекс (патент № RU 2454352 C2 от 15.06.2012, опубл.20.03.2012, БИ №8), включающий направляющую насадку и соосно к ней расположенное на приводном валу внутри насадки лопастное рабочее колесо, при этом на выходном участке направляющей насадки размещена спрямляющая круговая решетка, состоящая из плоских равномерно расположенных по кругу радиальных лопаток с симметричным профилем. Преимуществом этой конструкции является эффективная работа движительного комплекса в условиях скошенного в горизонтальной плоскости потока за счет снижения потерь напора и соответственно повышение тяги, а также уменьшение вибрации рабочего колеса.
Недостатком конструкций такого типа является потери мощности на закручивание водного (или воздушного) потока, а значит и снижение КПД.
Известны конструкции соосных винтов, размещенных в кольцевом обтекателе. В таких конструкциях реализованы преимущества как соосных винтов, так и винтов в кольцевом обтекателе. Например, турбовентиляторный двигатель НК-95, считающийся самым экономичным авиационным двигателем, изготовлен именно с винтами, расположенными соосно в кольцевом обтекателе.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому техническому решению является конструкция винтокольцевого движителя «Беспилотного летательного аппарата» (патент № RU 2666493 от 07.09.2018, опубл.05.06.2020, БИ №16). Конструкция Беспилотного летательного аппарата состоит из четырех винтокольцевых движителей, каждый из которых представляет собой два винта противоположного вращения установленных на соосно расположенных электродвигателях, винты при этом установлены в кольце, внутренняя поверхность которого имеет аэродинамический профиль, при этом внутренний диаметр кольца определяется диаметром применяемых воздушных винтов с учетом зазора, который в паре винт - кольцо составляет от 0,45% до 1,5% от внутреннего диаметра кольца в плоскости установки винта, а габаритная высота кольца определена как 60% от его внутреннего диаметра.
Однако недостатком является то, что в рассмотренном винтокольцевом движителе задний винт работает в условиях закрученного возмущенного потока, при этом его поле скоростей отличается от поля скоростей потока переднего винта. Скорость потока, а соответственно и тяга винта будет значительно отличаться по длине лопасти. Размещение винтов в общем кольцевом обтекателе не позволяет «добрать» воздуха для эффективной работы заднего винта по всей длине лопасти, и часть винта работает «вхолостую», вследствие чего повышается требования к потребной мощности, что соответственно ведет к снижению КПД движителя.
Решаемой задачей изобретения является снижение потребной мощности при работе движителя, а также повышение тяги при одинаковых затратах энергии.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности движителя с соосными винтами и обтекателем путем повышения КПД за счет снижения потерь напора и соответственно повышения тяги.
Технический результат достигается тем, что в Движителе с соосными винтами и обтекателем, состоящем из пары, переднего и заднего винтов противоположного вращения, расположенных коаксиально в кольцевом обтекателе, имеющих привод от бесколлекторных электродвигателей каждый, согласно которому, кольцевой обтекатель выполнен в виде раздельных колец для каждого винта, при этом между кольцами выполнен зазор, причем оптимальное распределение мощностей между винтами, а также зазор, величина которого определена объемом походящего через него потока воздуха, подобраны в соответствии с весовым коэффициентом индуктивной скорости, рассчитанным по математическим формулам:
,
,
,
при этом оптимальное распределение значений весовых коэффициентов индуктивной скорости на передний винт составит 64%, а на задний винт составит 36% от суммарной индуктивной скорости потока, обеспечивающей минимальное значение отношения суммарной мощности на валах электродвигателей к развиваемой тяге движителя, где:
- тяга переднего винта,  - тяга заднего винта,  - скорость невозмущенного потока на входе,  - весовой коэффициент доли переднего винта в общей тяге, создаваемой непосредственно соосными винтами,  - весовой коэффициент тяги,  - суммарная индуктивная скорость (суммарная скорость подсасывания),  - весовой коэффициент доли индуктивной скорости переднего винта (суммарная тяга винта в кольце состоит из тяги, создаваемой кольцом и тяги, создаваемой непосредственно винтом),  - суммарная мощность,  - суммарная тяга.
Новизна
Предлагаемое техническое решение позволяет получить эффективный Движитель с соосно расположенными винтами в кольцевом обтекателе, благодаря наличию зазора в кольцевом обтекателе для подсоса дополнительного объема воздуха (или жидкости,) при этом оптимальное распределение мощностей между винтами, а также зазор между кольцами обтекателя подобраны в соответствии с весовым коэффициентом индуктивной скорости, рассчитанным исходя из формулы
,
при этом оптимальное распределение значений весовых коэффициентов индуктивной скорости на передний винт составит 64%, а на задний винт составит 36% от суммарной индуктивной скорости потока, что обеспечивает минимальное значение отношения суммарной мощности на валах электродвигателей к развиваемой тяги движителя, тем самым позволяя более эффективно работать заднему винту, что снижает потери тяги, то есть повышает КПД движителя, и соответственно повышает его экономичность и эффективность движителя в целом.
Для пояснения технической сущности рассмотрим чертежи:
на Фиг.1- представлен общий вид Движителя с соосными винтами и обтекателем;
на Фиг. 2 - представлены графики отношения мощностей на валах электродвигателей к тяге на винтах;
на Фиг. 3 - представлен график изменения весового коэффициента тяги винтов в зависимости от коэффициента индуктивной скорости,
где:
1 - передний винт;
2 - задний винт;
3 - кольцо переднего винта
4 - кольцо заднего винта;
5 - передний электродвигатель;
6 - задний электродвигатель;
7 - зазор в кольцевом обтекателе между передним и задним кольцом.
Для решения задачи и достижения заданного технического результата у движителя, включающего пару соосно расположенных винтов, передний 1, задний 2, электродвигателей переднего 5 и заднего 6 винтов и обтекатель выполнен в виде раздельных колец переднего 3 и заднего 4 винтов, при этом между кольцами выполнен зазор 7.
Предлагаемое изобретение «Движитель с соосными винтами и обтекателем, состоящий из пары, переднего 1 и заднего 2 винтов противоположного вращения, расположенных коаксиально в кольцевом обтекателе, состоящем из переднего 3 и заднего 4 раздельных колец, установленных с зазором, 7, при этом винты приводятся с помощью двух бесколлекторных электрических двигателей постоянного тока 5 и 6. Зазор 7 определен исходя из формулы .
Данное изобретение имеет некоторые особенности. Задний винт имеет большую крутку по сравнению с передним, что связано с его работой в более быстром потоке воздуха. Применение бесколлекторных электродвигателей позволяет распределять мощность между передним и задним винтами, для повышения экономичности движителя.
Движитель работает следующим образом.
Раскручиваясь от электродвигателя 5, передний винт 1 отбрасывает набегающий поток воздуха (или жидкости, в случае гребного винта) на задний винт 2, при этом индуктивная скорость отбрасывания больше индуктивной скорости подсасывания переднего винта 1. Задний винт 2 работает в потоке отбрасываемого от переднего винта 1 воздуха (или жидкости). Площадь уходящего от переднего винта потока обратно пропорциональна скорости потока, поэтому ускоренный от переднего винта 1 поток воздействует только на часть лопасти заднего 2 винта, в зоне ближе к оси вращения. Концевые участки лопастей заднего винта 2 начинают работать в условиях дефицита воздуха (или жидкости). Через зазор 7 между передним 3 и задним 4 кольцом обтекателя дополнительно к воздуху (жидкости) от переднего винта 1 подсасывается дополнительный объем воздуха (жидкости), что повышает тягу движителя в целом. Предварительно для оптимального распределения мощности между винтами производят подбор углов атаки лопастей переднего и заднего винтов и соответствующих им оборотов двигателей. Оптимальное распределение мощности между винтами, а также зазор 7, величина которого определена объемом проходящего через него потока воздуха (или жидкости), подобраны в соответствии с весовым коэффициентом индуктивной скорости с помощью предлагаемой математической модели, при этом оптимальное распределение значений весовых коэффициентов индуктивной скорости на передний винт составит 64%, а на задний винт составит 36% от суммарной индуктивной скорости потока, обеспечивающей минимальное значение отношения суммарной мощности на валах электродвигателей к развиваемой тяге движителя, тем самым позволяя более эффективно работать заднему винту, что снижает потери тяги, то есть повышает КПД движителя, и соответственно повышает его экономичность и эффективность движителя в целом.
Математическая модель соосного винта в кольцах с зазором, построенная с использованием импульсной теории и теории элемента лопасти определяет зазор между кольцами обтекателя подбором соотношения тяг переднего  и заднего  винтов в соответствии с весовым коэффициентом индуктивной скорости, рассчитанным по математическим формулам:
где  - скорость невозмущенного потока на входе,  - весовой коэффициент доли переднего винта в общей тяге, создаваемой непосредственно соосными винтами*,  - суммарная индуктивная скорость потока воздуха (суммарная скорость подсасывания),  - весовой коэффициент доли индуктивной скорости переднего винта (*суммарная тяга винта в кольце состоит из тяги, создаваемой кольцом и тяги, создаваемой непосредственно винтом).
Связь коэффициентов  и  определяется следующим выражением:
Суммарная мощность на валах винтов  определяется выражением
где .
Отношение суммарной мощности  на суммарную тягу , производимую непосредственно винтами, определяется соотношением:
Соотношения (1) и (4) позволяют провести оценку распределения значений индуктивных скоростей по переднему и заднему винту, обеспечивающих минимальное значение отношения . На Фиг. 2 пунктирной линией показано изменение величины  в зависимости, от коэффициента , сплошными линиями показано распределение мощности между передним и задним винтом. На Фиг. 3 показано изменение весового коэффициента тяги  между передним и задним винтом в зависимости от коэффициента индуктивной скорости .
В соответствии с расчетной моделью крайние значения мощности и тяги винтов соответствуют суммарным значениям для соосного винта в сплошном кольце без зазора.
Минимальное значение величины  достигается при . Расчетные величины, полученные при решении по предложенной математической модели приведены в таблице 1.
Таблица 1
<img file="00000026.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000008.jpg" he="6" wi="5" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000027.jpg" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000028.jpg" he="6" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000029.jpg" he="6" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000030.jpg" he="5" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000031.jpg" he="5" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000032.jpg" he="5" wi="11" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000033.jpg" he="5" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" />
<img file="00000034.jpg" he="5" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Приведенный на графике, Фиг. 3 - показано изменение соотношение  - весового коэффициента тяги, создаваемой непосредственно соосными винтами, между передним и задним винтом в зависимости от  - весового коэффициента доли индуктивной скорости переднего винта и свидетельствует о том, что повышение эффективности движителя с соосными винтами в раздельных кольцах может быть осуществлено за счет распределения весового коэффициента индуктивной скорости между винтами.
Величина зазора между кольцами определена объемом походящего через него потока воздуха (или жидкости), обеспечивая бездефицитную работу нижнего винта.
Проведенные расчеты свидетельствуют о возможности снижения потерь соосных винтов и показывают возможность практической реализации такой оптимизации, за счет распределения весового коэффициента индуктивной скорости в соотношении 64% на передний винт и 36 % на задний винт, в результате которой соосные винты в раздельных кольцах могут иметь преимущества по эффективности в сравнении с одиночным винтом в кольце. Снижение потребной мощности на валах электродвигателей может достигать 20% при одинаковой общей тяге.
По сравнению с известными аналогами заявляемое техническое решение имеет ряд технико-экономических преимуществ, при которых конструкция обтекателя выполнена в виде раздельных колец с зазором межу ними, причем оптимальное распределение мощностей между винтами, а также зазор, величина которого определена объемом походящего через него потока воздуха (или жидкости), подобраны в соответствии с весовым коэффициентом индуктивной скорости, рассчитанным по математическим формулам:
,
,
,
при этом оптимальное распределение значений весовых коэффициентов индуктивной скорости на передний винт составит 64% и на задний винт составит 36% от суммарной индуктивной скорости потока, обеспечивающей минимальное значение отношения суммарной мощности на валах электродвигателей к развиваемой тяге движителя, тем самым позволяя более эффективно работать заднему винту, что снижает потери тяги, то есть повышает КПД движителя, и соответственно повышает его экономичность и эффективность движителя в целом.