Лопасть - ротор

Полезная модель относится к устройствам, реализующим эффект Магнуса, и направлена на максимально эффективное использование физического явления, возникающего при обтекании вращающегося тела (цилиндра) потоком воздуха.
Известно применение эффекта Магнуса в различных областях техники: судостроение, авиация, ветроэнергетика.
Известен самолет вертикального взлета и посадки (патент DE 10241608 2003-12-11, МПК В64С 23/08) с двумя коаксиально установленными роторами встречного вращения - сложны в изготовлении и эксплуатации, а наличие приводов к лопастям существенно увеличивает массу устройства.
Известен ветряной двигатель (авторское свидетельство СССР №10198, опубл. 1929.06.29, F03D 7/02) с лопастями в виде цилиндров, вращающихся вокруг своих осей.
Устройство сложное по конструкции и требует высокой квалификации при обслуживании и ремонте.
Для увеличения подъемной силы, обусловленной эффектом Магнуса, используют диски, устанавливаемые на лопасти:
- установленные с некоторым интервалом вдоль продольной оси плоской лопасти (патент РФ 2570741, опубл. 10.12.2015, МПК В64С 23/08) - недостаточная подъемная сила плоской лопасти;
- вращающиеся от собственных приводов с регулируемой скоростью вокруг продольной оси лопасти (заявка DE 102013005917 2014-10-02, МПК В63Н 9/02, авторское свидетельство СССР №4569, опубл. 29.02.1928, МПК В64С 23/02) - сложны в изготовление и управлении, а наличие приводов к дискам существенно увеличивает массу устройства.
Известно использование гребней (ребер), уменьшающих срыв потока с профиля лопасти (патент РФ 2376202, опубл. 20.12.2009, МПК В64С 27/467; патент РФ 2330988, опубл. 10.08.2008, МПК F03D 1/06). Недостатком подобных решений является в первом случае - малый прирост подъемной силы плоской лопасти и сложная геометрия гребня, а во втором - трудоемкость изготовления и установки гребней из-за сложной их формы.
Полезная модель направлена на повышение эффективности устройств при использовании эффекта Магнуса.
Для наилучшего распределения поперечно-движущей силы по длине цилиндрических лопастей-роторов (создающих подъемную силу, обусловленную эффектом Магнуса), вращаемых по продольной оси, через определенные или различные промежутки (секции) по длине лопасти-ротора установлены аэродинамические гребни. Секция образована несколькими сегментами, имеющими форму параллелограмма и собранными таким образом, что один продольный край сегмента является наружным и выступающим. Аэродинамические гребни, установленные по окружности между секциями и на законцовке лопасти-ротора, выполнены в форме сектора кольца. При этом передний и задний края аэродинамического гребня, образованные радиальными линиями, имеют заостренную кромку, а передний край (по направлению вращения лопасти-ротора) предыдущего гребня отклонен на угол и заходит под задний край последующего гребня с зазором, который может составлять от 0,5 до 6 толщин самого гребня.
Лопасть-ротор можно ставить на самолеты, вертолеты, надводные суда, ветрогенераторы. Лопасти-роторы, собранные в виде винта, используют, например, в качестве несущего винта вертолета; на ветрогенераторах.
Предложенная конструкция лопастей-роторов обеспечивает необходимую подъемную силу, при этом несложна в изготовлении.
Полезная модель поясняется рисунками:
на фиг. 1 - общий вид лопасти-ротора;
на фиг. 2 - развертка секции лопасти-ротора;
на фиг. 3 - зазор между гребнями.
Лопасть-ротор 1 (фиг. 1) представляет собой круговой цилиндр, разбитый по длине на секции 2. Секции 2 образованы несколькими (от 1 до 24) продольными сегментами 3. Развертка сегмента 3 представляет собой параллелограмм (фиг. 2). Сегменты расположены таким образом, что передний (выступающий) край каждого предыдущего заходит на задний край каждого последующего по направлению вращения лопасти-ротора. Передний (выступающий) край сегментов имеет тупую или закругленную кромку.
Между секциями 2 лопасти-ротора 1, а также на ее законцовке установлены аэродинамические гребни 4, выступающие за диаметр лопасти-ротора на высоту h. Число аэродинамические гребней, установленных по окружности, может быть от 2 до 8. Аэродинамический гребень 4 представляет собой сектор кольца. Передний и задний края аэродинамического гребня, образованные радиальными линиями, имеют заостренную кромку (фиг. 3), при этом передний край (по направлению вращения лопасти-ротора) предыдущего гребня отклонен на угол и заходит под задний край последующего гребня с зазором, который может составлять от 0,5 до 6 толщин самого гребня.
Высота h гребня; количество аэродинамических гребней по окружности и по длине лопасти-ротора; количество секций и составляющих их сегментов принимаются исходя из требуемой грузоподъемности и/или скорости летательного аппарата или устройства. Длина секций, диаметр и длина самой лопасти-ротора также обусловлены требуемыми характеристиками устройств. Причем, чем больше диаметр лопасти, тем выше грузоподъемность и меньше скорость, и наоборот. Части лопасти-ротора, расположенные ближе к центру винта, практически не участвуют в создании подъемной силы, поэтому эти секции будут короче, количество гребней при этом увеличится, установленное при этом большее количество гребней принудительно заставит работать эту часть лопасти-ротора. Круглая форма лопастей - роторов значительно уменьшает вибрацию, передающуюся на летательный аппарат или устройство, т.к. круглое сечение равномерно воспринимает нагрузки со всех сторон и потому менее подвержено разно-переменным нагрузкам.
Выступающий край сегмента секции с тупой или закругленной кромкой за счет геометрической формы (параллелограмм) самого сегмента и относительно оси вращения винта, находится под одним и тем же углом к встречному потоку воздуха, равномерно захватывая воздух по всей длине кромки сегмента и снижая скорость отбрасывания воздуха центробежными силами наружу, что положительно сказывается на подъемной силе. При этом можно уменьшить угол α° по отношению к общему потоку воздуха до 45° для эффективного захвата потока воздуха, т.к. при таком расположении сегмента воздух не отбрасывается под действием центробежных сил на периферию (наружу (к концу)) секции, а наоборот направляется вдоль выступающего края сегмента секции внутрь к началу секции, тем самым снижает скорость потока воздуха и увеличивает ее подъемную силу. Чем меньше угол α по отношению к общему потоку воздуха при вращении винта, тем равномернее или эффективнее по своей длине кромка сегмента захватывает поток воздуха.
При небольших диаметрах лопасти-ротора большое количество сегментов в секции не создает необходимую подъемную силу, т.к. близкорасположенные выступающие кромки сегментов, из-за большего угла между кромкой сегмента начала секции и кромкой конца секции следующего сегмента, создают ненужное завихрение в концевой части секции, что отрицательно сказывается при создании подъемной силы.
Закругленные или тупые кромки краев сегментов работают на увеличение подъемной силы. А заостренные кромки аэродинамических гребней устраняют ненужное местное завихрение. Воздух, проходя через зазор между гребнями с большой скоростью, дополнительно тормозит отбрасываемый к ним центробежными силами встречный поток. Наличие зазоров между гребнями снижает шум от срывающегося потока воздуха. Аэродинамические гребни на законцовках лопасти-ротора также уменьшают срыв потока воздуха.
Лопасти-роторы можно ставить как на самолет, так и на вертолет, а также на надводные суда и ветрогенераторы. Лопасть-ротор вращается за счет электромоторов (не показано на чертеже), которые могут находиться как внутри лопасти-ротора, так и снаружи.
Пример 1. При установке лопастей-роторов на летательный аппарат собранных в виде винта в количестве от 2 для легкого класса аппаратов до 8 для тяжелого класса. Подъемная или толкающая сила возникает при вращении самой лопасти вокруг своей оси и общего вращения всех лопастей (винта) двигателем в разные стороны, т.е. если двигатель вращает лопасти винта влево (против часовой стрелки), то сами лопасти-роторы вращаются вокруг своей оси вправо (по часовой стрелке). При этом над лопастями создается область разрежения воздуха, а под лопастями - область повышенного давления. За счет разности давлений возникает подъемная сила, тянущая летательный аппарат вверх или вперед. При этом с той стороны, где направление движения воздушной среды совпадает с направлением вихря, скорость передвижения среды увеличивается; с обратной стороны направление движения среды противоположно направлению вихря скорость среды уменьшается. За счет разностей скоростей среды с различных сторон вращающегося тела и появляется нескомпенсированная сила, ортогональная направлению движения среды. При этом используется эффект Магнуса - если поток воздуха или жидкости обтекает вращающееся тело, то возникает сила ортогональная потоку движения среды и действующая на это вращающееся тело.
Пример 2. Установка лопастей-роторов на водных судах или летательных аппаратах в виде отдельных самостоятельных элементов конструкции для создания движущей силы. Например, для летательных аппаратов в виде вращающихся крыльев.
Аэродинамические гребни позволяют наиболее эффективно использовать подъемную силу по всей поверхности длины лопастей, т.к. притормаживают воздушный поток и не дают ему за счет центробежных сил перетекать на законцовки лопастей-роторов с большой скоростью, как это происходит на плоских лопастях или подкрученных винтах летательных аппаратов. За счет аэродинамических гребней уменьшается шум, т.к. воздушный поток, разбитый гребнями на несколько частей, не срывается с законцовок лопастей-роторов с большой скоростью.
Лопасти роторы проще в изготовлении по сравнению с плоскими лопастями, имеющими сложную профилированную (криволинейную) форму
Используя лопасти-роторы можно в 2-4 раза повысить подъемную или тянущую силу аппаратов, при той же мощности двигателя.