ТУРБОВИНТОВАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА РАЗНЕСЕННОЙ ВИНТОВОЙ СХЕМЫ С ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИМИ РЕАКТИВНЫМИ И ВИНТОВЫМИ ТИПАМИ ТЯГ ВОЗДУШНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
TURBOPROP POWER PLANT WITH OFFSET ROTORS AND AIRCRAFT ALTERNATING JET AND SCREW THRUSTS

В авиации используется турбореактивные или винтовые способы создания сил тяг для перемещения летательных аппаратов в воздушном пространстве с образованием в нем обратной реактивной газовой струи или воздушного потока.
Применение воздушно-реактивных двигателей и их модификаций основано на перепаде давления между противоположными сторонами, создаваемого в газогенераторе в результате теплового расширения продуктов сгорания и сопутствующих газов при их одностороннем истечении с образованием высокоскоростной реактивной струи, обладающей кинетической энергией, часть которой используется внутренней турбиной для привода воздушного компрессора, необходимого для беспрерывного окисления топлива и внутреннего охлаждения, а остальная часть теплового внутреннего давления газов используется для образования силы тяги, мощность которой зависит от скорости и поперечной площади истекающей струи как производная противоположного перепада давления.
Самолеты с тепловыми реактивными двигателями обладают высокоскоростными характеристиками, но в то же время требуют удлиненной взлетно-посадочной полосы из-за недостаточной мощности силы тяги для обеспечения крутого или вертикального взлета и посадки с применением этих характеристик в самолетах легкого типа.
Воздушный винт преобразует подведенным крутящим моментом окружающий воздух в опорный реактивный поток большего диаметра, чем поперечный размер реактивной струи, образованной в результате теплового повышения давления, но с меньшими скоростными характеристиками в виду аэродинамических и эксплуатационных ограничений винта, при этом мощность или сила тяги повышается из-за большего количества отбрасываемого воздуха при увеличенном поперечном сечении реактивного воздушного потока.
Винтовой движитель применяется в дозвуковой авиации с укороченной взлетно-посадочной полосой в вертолетах и самолетах вертикального взлета и посадки.
Увеличение мощности и скорости винтового движителя вторым соосно установленным винтом не дает существенного положительного результата из-за взаимного негативного влияния их друг на друга с практическим результатом закручивания воздушного потока в противоположную сторону без прироста силы тяги.
Наибольшее распространение получения крутящего момента для воздушного винта получил способ его снятия с кинетической струи, образованной тепловым источником реактивного двигателя дополнительной силовой турбиной, установленной после турбины газогенератора на выходе струи и соединенной с ним через редуктор, причем окружные скорости концов лопаток турбин и концов лопастей винта соизмеримы между собой, ограниченные предельной скоростью звука.
Известен принцип обратимости винта или турбины, когда один и тот же винт лопастями или лопатками преобразует подводимый крутящий момент в воздушный или водный поток из окружающей среды и, наоборот, энергию потока преобразует в отводимый крутящий момент, например несущий винт вертолета с противоположным действием в режиме авторотации, турбина гидроаккумулирующей электростанции.
Сущность состоит в том, что преобразование высокоскоростной реактивной струи воздушно-реактивного двигателя или его прототипов в мощный, но низкоскоростной воздушный поток винтового движителя с соответствующими изменениями в тяговых показателях осуществляется лопастями воздушного винта путем поочередного перекрытия обратимой частью лопастей газовой струи с тем же принципом снятия крутящего момента, как это производится турбиной при ее одновременном многолопаточном и полном перекрытии струи в проточной части двигателя и с передачей крутящего момента через центральную часть винта остальной части лопастей винта, находящихся в окружающем воздушном пространстве с образованием ими же ввиду их обратимости реактивного опорного или тягового воздушного потока тем же образом, как он формируется неразделенным винтом в отличие от процесса промежуточной трансформации крутящего момента через трансмиссию и редуктор при снятии его тяговой турбиной, причем цикл процесса обратимости лопастей при противоположной смене направления нагрузок на их противоположные стороны совершается за один оборот винта.
Или по другому из-за отношения винтов и турбин к одному классу осевых лопаточных машин и выполняемой работы по снятию и отдаче крутящего момента сущность состоит в том, что соединение тяговой турбины с двигателем выполнено с возможностью одновременного или синхронного перекрытия лопатками реактивной газовой струи и части окружающего воздушного пространства с отбором кинетической энергии из реактивной струи и ее отдачи этой части воздушного пространства с образованием параллельного воздушного потока одного направления, что делает ненужным промежуточную трансформацию потоков или крутящего момента между этими устройствами преобразования энергии винтовыми поверхностями различного назначения, находящихся в однородной среде, или между турбиной и винтом, при этом промежуточная деталь в виде лопасти или лопатки может изменить конструкцию и принять другое специфическое название из-за двойной выполняемой функции по приему и отдаче энергии при расформировании одного газового потока с формированием другого воздушного потока, например турбовоздушного винта двухстороннего действия или переходного турбовинтового.
Сущность состоит в том, что при частичном и одновременном расположении винта или турбины в кинетической струе реактивной тяги и воздушной окружающей среде с боковым снятием и противоположной отдачей крутящего момента размещение второго винта целесообразнее устанавливать с противоположной смежной стороны струи с тем же боковым последовательным снятием крутящего момента с кинетического потока, что и при соосном его расположении с первым, но с захватом большей сметаемой ими площади окружающего пространства с другой стороны и соответственно с большей эффективностью созданной силы тяги без взаимного отрицательного влияния друг на друга в этом воздушном пространстве.
Сущность состоит в том, что переход с винтового вида тяги на реактивный и наоборот осуществляется вводом или выводом винтовых поверхностей устройств в зону или из зоны действия реактивной струи при их подвижном соединении между собой с частичным или полным перемещением винтов в окружающее воздушное пространство с той же обратной зависимостью частичного или полного перекрытия ими реактивной струи.
Лопастное отдельное поочередное пересечение реактивной струи требует смещение оси вращения воздушного винта относительно оси вращения внутренних турбин двигателя с открытостью корпуса для возможности взаимодействия струи и винтовых элементов устройств, при этом зазор, образованный между плоскостью вращения винта и выходным торцом корпуса или сопла, имеет увеличенный размер по сравнению окружным зазором между турбиной и корпусом из-за возможного осевого биения винта при противоположной смене нагрузки на обратимые лопасти, при этом утечка рабочего тела исключается или минимизируется из-за инерции высокоскоростной струи, т.к. чтобы избежать контакта с лопастями винта, оно должно изменить направление на поперечное или обратное с проходом через боковой зазор в отличие от его прямолинейной утечки, минуя лопатки турбин, сквозь зазор между турбиной и корпусом без изменения направления движения, т.е. по инерции.
Противоположная смена нагрузок на противолежащие лопасти винта, находящихся в разных динамических средах или с переходом их из одной области направления действия сил в другую с противоположным действием, вызывает их колебания с дублированием в звуковом диапазоне, как это происходит с колесным лопаточным движителем при частичном погружении в воду с созданием касательной реактивной струи прямым действием отталкивающих лопаток с отличием, что принимающие и отдающие нагрузку лопасти винта пересекают газовые среды с различными динамическими характеристиками в поперечной плоскости относительно оси вращения с осевым восприятием нагрузок, имеющие возможность компенсации возникающих колебаний, в том числе в звуковом диапазоне, противоположным действием на них синхронным реагированием угла оси к поперечной плоскости вращения винтовых лопаток, тогда как прямые лопатки движителя при том же поперечном вращении относительно оси, относящиеся к центробежным лопаточным машинам, создают так же поперечные переменные нагрузки относительно оси без необходимости выравнивания их плоскости вращения и невозможности влияния на их ударное погружение в воду и возникающие при этом звуковые волны.
Между радиальными лопастями винта или удлиненными лопатками турбины образуется зазор, увеличивающийся к периферии с возможной утечкой сквозь нее непреобразованной энергии реактивной струи, для предотвращения которой применяется принцип частичного совмещения плоскостей вращения смежных винтов в зоне их взаимодействия со струей с взаимным вхождением лопастей в межлопаточное пространство друг друга или с перекрытием их при параллельном совмещении с поочередным чередующем пересечением реактивной струи и с увеличением частоты пересечений без увеличения частоты оборотов винтов, приводящее к уменьшению утечки рабочего тела через межлопаточное пространство при сохранении мощности воздушного потока, при этом струя после снятия с нее части кинетической энергии разделяющим винтовым устройством преобразуется в часть этого потока, и не исключается одновинтовой многолопастный или турбинный вариант с перекрытием их друг друга без пропуска между ними непреобразованной кинетической энергии струи.
Частичное совмещение плоскостей вращения винтов или турбин в зоне их совместного действия лопастей одностороннего направления в струе ведет к необходимости объединения винтов синхронизирующей связью при их противоположном вращении, осуществляемого, например, по принципу синхронизации коленчатых и распределительных валов в поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с дополнительной промежуточной шестерней и с дополнительной необходимостью защиты механизмов синхронизации от перегрева из-за нахождения струи повышенной температуры между этими винтовыми устройствами преобразования энергии, например заключением их в термостойкий кожух аэродинамического профиля с внутренним охлаждением или проведения через обходной путь.
Выход из строя лопастей винтов по каким-либо причинам не приводит к неисправности реактивного двигателя с возможностью продолжения полета на реактивной тяге в отличие от турбовинтового одноосевого варианта двигателя расположением тяговой турбины в закрытой проточной части, которая при поломке воздушного винта после снятия с нее тяговой нагрузки бесконтрольно увеличит обороты с последующим разрушением двигателя ввиду жесткости конструкций лопаток без возможности перехода на реактивный способ создания силы тяги, чем повышается безопасность полетов.
Взаимодействие лопастей осевой лопаточной машины непосредственно с горячими газами реактивной струи предопределяет их толкающий принцип создания тяги, при этом чередующее взаимодействие с газами струи и воздуха разной температуры автоматически исключает их перегрев, тогда как охлаждение тяговой турбины, установленной полностью в горячей струе, требует дополнительного прогона охлаждающего воздуха через двигатель с соответствующим увеличением потребляемой энергии турбокомпрессором.
Разнесенные воздушные винты обладают большей эффективностью, чем соосные, из-за работы в невозмущенной среде и отсутствия негативного влияния друг на друга в виде экранирования одним винтом воздушного потока другого винта при увеличенном лобовом сопротивлении, что в предлагаемом случае осуществляется автоматически частичным нахождением лопастей всех винтов в кинетической струе, приобретением крутящего момента в отличие от сложности передачи и трансформации крутящего момента, снятого всеми лопатками турбины или всеми уменьшенными лопастями винта, воздушным винтам, тем более разнесенной схемы.
Различные композиции воздушных винтов или открытых турбин двигателя и летательного аппарата между собой возможны при подвижности их соединений и открытости реактивной струи и позволяют в полете менять эксплуатационные характеристики силовой движительной установки от создания силы тяги, превышающей массу самолета при вертикальном взлете и посадке, где приводом винтов разнесенной схемы является кинетическая энергия струи с последующим переходом на реактивный принцип полета при выводе винтов из реактивной струи и поворота двигателя для горизонтального полета, где сила тяги образуется в результате высокоскоростного истечения реактивной струи из двигателя в отличие от известных СВВП с поворотными двигателями вместе с воздушными винтами этого узкого назначения, которые для вертикального взлета и горизонтального полета используют один вид тяги ввиду конструктивной сложности вывода турбины привода винта из закрытой проточной части турбовоздушного двигателя.
Ввод и вывод винтовых преобразовательных поверхностей устройства в реактивную струю двигателя осуществляется поперечным способом при относительном параллельном или поворотном смещении двигателя и винтов между собой с постепенным перекрытием винтами реактивной струи, исключающее начальное ударное взаимодействие с соответствующим плавным переходом с одного вида тяги на другой с наращиванием или снижением мощности, которое впоследствии может изменяться и осевым смещением винтов вдоль струи с возможностью фиксации баланса между частично используемых тяговых сил, тогда как у СВВП такой функции нет, а поворот двигателя осуществляет плавное изменение направления силы тяги с вертикального на горизонтальное и наоборот, а не переход с одного вида тяги на другой.
Безостановочное изменение режимов работы трансформируемой силовой установки самолета в полете от мощного винтового до реактивного скоростного с возможностью изменения направления силы тяги общим поворотом позволит исключить взлетно-посадочные полосы с сопутствующим скоростным приближением к земле и осуществлять приземление аналогично вертолетному взлету и посадке и в то же время сохранять возможность использования прежнего самолетного способа взлета и посадки в отличие от вертолета с его только горизонтально расположенными несущими винтами и с небольшим развитием горизонтальной силы тяги, создаваемой перекосом лопастей.
Раскрытие сущности продолжается с помощью наглядных изображений, где на фиг.1 - принципиальная схема турбовинтовой двигательной установки, на фиг.2 - оптимальный одномоторный двухвинтовой вариант, на фиг.3 - установка с параллельными винтами и раздельными направляющими лопатками, фиг.4 - установка с частично совмещенными винтами с общими направляющими решетками, фиг.5 - положение установки при вертикальном старте и приземлении, фиг.6 - полет на выведенной реактивной тяге, на фиг.7, 8, 9 (прямоугольные проекции) - самолет с толкающими параллельными винтами с общим приводом от реактивной струи теплового источника, фиг.10, 11, 12 - винтовой вариант установки частично совмещенной схемы, фиг.13, 14, 15 - самолет в положении установок в момент вертикального взлета или посадки, фиг.16, 17, 18 - самолет на реактивной тяге с выведенными и скрытыми винтовыми устройствами, фиг.19, 20, 21 - вариант малогабаритного самолета с вертикальным расположением пары частично совмещенных винтов.
Фиг.1. Турбовинтовая переключающаяся силовая установка 1 разнесенной схемы состоит из параллельного ряда воздушно-реактивных двигателей 2 и последовательного ряда воздушных обратимых винтов 3 с зоной частичного перекрытия 4 друг друга, установленных между собой в шахматном порядке с пересечением 5 плоскостями 6 вращения винтов 3 реактивной струи 7 двигателей 2.
Высокоскоростной газовый напор выходной струи 7 воздушно-реактивных двигателей 2 на чередующие поверхности лопастей 8 смежных винтов 3, находящихся в общей совмещенной зоне 4, сообщает им крутящий момент, реализуемый другой частью обратимых лопастей 8, находящихся в окружающем воздушном пространстве, в воздушный поток 9, реакция на ускорение которого образует силу тяги винтового движителя 3 с присоединением к нему ослабленной реактивной струи 7.
Центральные винты 3 в отличие от крайних получают крутящий момент одновременно от двух реактивных струй 7 с образованием общего воздушного потока 9, усиленного в средней части, что устраняется при их кольцевой замкнутости, требующие большего количества двигателей 2 и винтов 3.
Отличительным моментом от частично совмещенной сметаемой винтовой зоны двухвинтового вертолета разнесенной схемы является то, что в данном случае в этой зоне образуется крутящий момент с положительным влиянием винтов друг на друга в виде более полного отбора энергии с реактивной струи, а не реализуется с негативным влиянием винтов друг на друга при образовании ими воздушного реактивного тягового или несущего потока.
Фиг.2. Наиболее оптимальный вариант установки 1 состоит из одного центрально-расположенного реактивного двигателя 2 и двух разнесенных и частично совмещенных винтов 3, получающих равнозначный крутящий момент в совмещенной зоне 4 с перекрытием 5 одной действующей на них кинетической энергии струи 7 двигателя 2.
Между воздушными винтами 3 в их центральной части расположен синхронизирующий механизм 10 с промежуточной шестерней 11 противоположного вращения одного из винтов, связанной с другим кинематической связью 12 одностороннего вращения в виде цепной или ременной передачи для равномерного противоположного вращения разнесенных винтов 3 при поочередном вхождении лопастей 8 с противоположных сторон в реактивную струю двигателя 2, что в винтах соосной схемы осуществляется центральным редуктором без цели предотвращения аварий отсутствием взаимно пересекаемой зоны при параллельном вращении противоположного направления.
Фиг.3. Двухвинтовой или двухтурбинный (двойное винтовое устройство) параллельный вариант разнесенной схемы с последовательным чередующим перекрытием реактивной струи двигателя 3 лопастями или лопатками 8 обоих винтов или турбин (винтовых лопаточных машин) 8, максимально возможный отбор кинетической энергии из которой вместо синхронизирующих механизмов обеспечивают конструктивные отличия винтов 3 или турбин между собой, такие как разные диаметры, размеры лопастей 8, их угол атаки, применение индивидуальных направляющих лопаток 13 и 14 радиально-смещенного положения по примеру направления газовой струи в проточной части двигателя 3 неподвижными лопатками 15 на лопатки 16 турбин 17 газогенератора 18 и т.д., что исключит одновременное двойное перекрытие струи лопастями 8 обоих винтов 3 с последующим свободным истечением кинетической струи, при этом возможное неравенство тяговых сил параллельных винтов 3 со склонностью к повороту компенсируется второй симметричной установкой 1.
Фиг.4. Частично совмещенный плоскостями вращения двухвинтовой вариант разделенной подвижно силовой установки 1 с образованием отдельных двигательной 19 и винтовой 20 части лопаточной машины с объединяющим их процессом равномерно чередующего пересечения реактивной струи двигателя 2 лопастями 8 обоих винтов 3 с общими направляющими лопатками 21 параллельного расположения и синхронизирующим механизмом 10 с коническим шестернями 22 и поперечным валом 23.
Тепловое давление воздуха и продуктов горения в камере сгорания 24 уравновешивается с одной стороны действием на лопатки компрессора 25 и переднюю часть камеры 24, с другой - сопротивлением истекающей реактивной струи, перепад которой образует силу тяги, которая по ходу движения через неподвижные направляющие лопатки 15 и подвижные лопатки 16 турбины 17 отдает часть энергии турбокомпрессору 25 с увеличением сопротивления истечению с последующим проходом через общие направляющие лопатки 21 и с завершающим взаимодействием на лопасти 8 винтов 3, что с одной стороны еще больше увеличивает сопротивление уходящей струи со снижением образованной ею силы тяги, но с другой стороны продолжающее движение лопастей 8 по кругу вызывает реакцию окружающей воздушной массы с образованием реактивного воздушного потока уже от винтов 3, первоисточником которой является высокоскоростная реактивная струя от теплового повышения давления в камере сгорания 24, поэтому взаимодействие струи с окружающим воздухом через обратимые лопасти 8 винтов 3 является ступенью преобразования мощности воздушных потоков и сравнима с автомобильной коробкой передач, переход в которых на повышенную передачу осуществляется устранением сопротивления истечению из сопла высокоскоростной реактивной струи из двигателя 2 путем смещения относительно его частично совмещенных винтов 3 с выводом их из реактивной струи, осуществимого при их шарнирном соединении частей 19 и 20, при этом в случае их непредвиденного аварийного выхода в любом случае остается первоначальный реактивный тип тяги.
Фиг.5. Вертикальный взлет и посадка осуществляется по известному принципу СВВП поворотом двигательной 19 и винтовой частью 20 или полностью установкой 1 относительно летательного аппарата 26, в частности его крыла с перенаправлением винтовой силы тяги на противодействие силы тяжести аппарата 26 с отличием, что из-за непосредственного снятия крутящего момента с кинетической реактивной струи винтами 3 они располагаются в нижней части летательного аппарата 26 в сравнении от верхнего расположения несущих винтов вертолета или тяговых винтов СВВП, что снижает устойчивость положения смещением центра приложения сил тяг относительно центра тяжести с необходимостью компенсации в виде балансировки лопастями винтов 3, при этом сметаемая площадь двумя разнесенными винтами 3 от одного двигателя 2 больше, чем от одного винта 3, что увеличивает устойчивость большей площадью опоры или поперечным сечением опорного воздушного потока.
Механизм синхронизации 10 частично совмещенных винтов 3 осуществлен на основании примерного равенства получаемого крутящего момента от одной реактивной струи синхронно работающими двигателями или другими устройствами 27, соединенными или объединенными с винтами 3 с одной стороны и с другой соединенными между собой сравнивающей связью в обход теплового потока струи в виде электрической, электронной, электромагнитной, гидравлической или пневматической с возможностью самостоятельной корректировки положения винтов 3 между собой или управлять степенью их взаимодействия с реактивной струей.
Фиг.6. После вертикального взлета и набора высоты летательного аппарата 26 с помощью частично совмещенных винтов или турбин лопаточной винтовой машины 3 осуществляется их выведение из потока кинетической струи реактивного двигателя 2 путем его поворота с переходом на реактивный принцип движения с возможностью исключения винтового вида тяги, которая может использоваться как источник подъемной силы при самовращении воздушных винтов 3 от набегающего окружающего воздуха по примеру осуществления полета автожира.
Фиг.7, 8, 9 (прямоугольные проекции). Взаимно уравновешивающее расположение двух толкающих силовых установок 1 на самолете (летательном аппарате) 26 с параллельным расположением разнесенных частично совмещенных винтов 3 неравномерной тяги при последовательном взаимодействии с приводной кинетической струей реактивного двигателя 2.
Фиг.10, 11, 12. Вариант одномоторного самолета 26 с двухвинтовой 3 частично совмещенной уравновешенной и разнесенной схемы силовой установки 1 с возможностью взлета с короткой полосы.
Фиг.13, 14, 15. Положение элементов силовых установок 1 с направлением винтовой и реактивной силы тяги на противодействие веса в момент взлета или посадки воздушного летательного аппарата 26.
Фиг.16, 17, 18. Скрытие винтов 3 установки 1 в фюзеляже летательного аппарата 26 при полете на реактивной тяге двигателя 2.
Даже при сопоставимости веса частично совмещенных винтов 3 с устройствами их расположения и скрытия в сравнении с дополнительными подъемными двигателями у СКВП представленный вариант обладает преимуществами в виде отсутствия на борту дополнительного запаса топлива, отсутствия необходимости в запуске дополнительных двигателей во время окончания или начала полета, процесс регулирования взлетной или посадочной силы тяги осуществляется более плавным и надежным способом постепенного или частичного ввода-вывода в реактивную струю винтов 3 при стабильно работающем двигателе 2 в отличие от изменения режимов работы подъемных двигателей с вероятностью их остановки в этот момент.
Фиг.19, 20, 21. Вертикальное расположение разнесенных частично совмещенных винтов 3 одномоторной установки 1 на одном крыле малогабаритного моноплана, что при центральном размещении винтов 3 на оси турбовинтового двигателя такой способ увеличения мощности тяги трудновыполним, т.к. потребуется удвоить число двигателей и использовать биплан или увеличить размах крыльев.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Евгений Иванович Ружицкий. Европейские самолеты вертикального взлета. http://lib.rus.ec/b/250901
2. Гидроаккумулирующая электростанция. http://dic.academic.ru/contents.nsf/bse/
3. Лопаточная машина http://dic.academic.ru/
4. Новиков В.Н. Основы устройства и конструирования летательных аппаратов. 1991 г.