РЕАКТИВНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ

Предлагаемая полезная модель относится к авиации может быть использована на винтокрылых летательных аппаратах, несущие винты которых снабжены реактивным приводом. Заявленное устройство может быть использовано на любом другом транспортном средстве, где движителем служит воздушный винт. А также лопасть винта может быть крылом самолета.
Известны применяемые на вертолетах несущие винты, приводом которых служат установленные по концам лопастей реактивные двигатели, см., например, Хлопенков П.Р. Огонь на винтах вертолета. Энергия, №11, 1987, с.41-42. Ограниченное применение таких винтов вызвано их низкой энергетической эффективностью, для повышения которой требуется повысить эффективность силовой установки. Примером ее повышения может служить изобретение по патенту РФ №1794038, МПК В64С 27/18, 1990, «Силовая установка вертолета».
По мнению авторов указанного изобретения повышение эффективности в нем достигается применением оригинальной кинематики в силовой установке несущего винта.
Известны и другие решения, в которых наблюдается стремление повысить эффективность несущего винта изменением кинематики его привода, в то время как повышение аэродинамическим путем за счет использования известных приемов и конструктивных решений встречается нечасто.
Известен, например, прием увеличения подъемной силы летательного аппарата путем обдува верхней поверхности несущего крыла потоком выхлопных газов реактивного маршевого двигателя (см., например,
авт. св. №1709690, В64С 29/00, 1989, «Летательный аппарат вертикального взлета и посадки).
Известно также оригинальное в своей неочевидности изобретение, которое хотя и не имеет отношения к аэродинамике воздушного винта, а касается повышения тяги реактивного двигателя, но вызывает интерес, поскольку заявленный воздушный винт имеет реактивный привод (см. патент РФ №2027053, F02К 1/54, 1989, «Комбинированное сопло реактивного двигателя».) Его суть заключается в том, что на выходном участке сопла реактивного двигателя закреплена расширительная камера, противолежащая соплу стенка которой имеет множество сопел малого диаметра, в результате чего поток газов, истекающих из сопла, разбивается на множество малых потоков («мелкоструйное истечение газа»). Такое техническое решение не только снижает шумность реактивного двигателя, но и повышает его КПД за счет увеличения перепада температур газов в камере сгорания и истекающих из сопел (традиционно достигается за счет увеличения температуры в камере сгорания, что не всегда возможно).
По совокупности сходных существенных признаков за прототип заявленного технического решения может быть принято изобретение по патенту РФ №2059536, МПК В64С 27/18, 1993, «Несущий винт с реактивным двигателем для вертолета».
Известное устройство содержит лопасти воздушного винта, закрепленные на полой ступице, в которой смонтирован воздушный компрессор. По концам лопастей установлены реактивные двигатели, придающие винту вращение. Внутри каждой лопасти расположены каналы, по которым к двигателям поступает от компрессора воздух и от отдельного источника топливо.
Вдоль каждой лопасти выполнена щель для обдува верхней поверхности лопасти воздухом поступающим от компрессора за счет чего увеличивается подъемная сила.
Известное, устройство имеет недостатки, свойственные винтам вообще: большое лобовое сопротивление, находящееся в квадратичной
зависимости от скорости движения, а в частности большие потери ценного, компрессорного воздуха выдуваемого из продольных щелей с малой эффективностью. Так же мала эффективность реактивных двигателей на концах лопастей ввиду большой разницы скоростей, выходящего газа из сопл двигателя и скоростью движения концов лопастей, большой шум.
Перед заявленным техническим решением была поставлена задача создать более эффективный винт, с расширенным диапазоном применения, за счет трасформации газового потока малого объема с большой скоростью в газовый поток большего объема с меньшей скоростью превышающей скорость движения лопастей на 6-10%, что позволяет увеличить термический КПД реактивных двигателей. Традиционно его поднимают за счет увеличения верхнего предела, что сложно и дорого, а здесь большой перепад температур получается за счет снижения нижнего предела приближая КПД двигателей к максимальному.
Новым в решении поставленной задачи является то, что в полость ступицы винта встроена камера сгорания, из которой рабочее тело выходит в полость ступицы, далее через выходные сопла попадает в щелевые каналы, расположенные на передних фронтальных кромках лопастей атакующая часть которых открыта, а к концам каналы имеют уширение. Рабочее тело проходя по щелевым каналам через открытую лобовую часть подсасывает набегающий поток воздуха, выполняя роль смазки, уменьшает лобовое сопротивление, с увеличенным объемом и с уменьшенной скоростью и температурой попадает в выходные сопла.
В соплах на концах лопастей газовоздушная смесь разворачивается в сторону противоположную вращению, создает вращающий момент и ударяясь о стенки обтекателя, который ограничивает радиальное распространение смеси, разворачивается назад, создавая тягу.
Другая часть рабочего тела из полости ступицы попадает в другие щелевые каналы, расположенные за первыми каналами в задних стенках других каналов
встроено множество сопл с выходом в сторону противоположную вращению. Продукты сгорания выходя из сопл, смешиваясь с воздухом обдувают плоскости лопастей, создают большую подъемную силу и ударяясь о стенки обтекателя отбрасываются назад создают тягу.
Очевидно, время прохождения рабочего тела по указанным схемам увеличивается, что способствует максимальному отбору энергии от рабочего тела. Здесь происходит описанная выше трансформация газовых потоков, увеличивается разница температур в камере сгорания и на выходе из обтекателя, что в разы увеличивает термический КПД. А дробление рабочего тела на множество струй, не только увеличивает тягу, но и снижает шум.
На фигуре - 1 схематически показано заявленное устройство, вид сверху; на фигуре - 2 - тоже вид сбоку.
Заявленное устройство (винт) содержит лопасти - 1, имеющие по концам выходные реактивные сопла - 2, соединенные через каналы - 4 (атакующая часть которых открыта) и выходные сопла - 3 с камерой сгорания - 5, находящейся в полости пустотелой ступицы винта. Каждая лопасть имеет продольную щель - 6, внутри которой размещены другие реактивные сопла - 7, соединенные с камерой сгорания - 5 другими каналами - 8. Лопасти винта - 1 окружены кольцевым обтекателем - 9, стартер-генератор - 10, компрессор - 11. Конструкция камеры сгорания - 5 и обтекателя - 9 общеизвестны и поэтому в заявке не рассматриваются.
Устройство работает следующим образом.
С запуском стартера-генератора - 10 в режиме стартера раскручиваются лопасти - 1 и компрессор - 11, подающий сжатый воздух в камеру сгорания - 5 (туда же от отдельного источника поступает топливо). После воспламенения рабочей смеси газы (рабочее тело) из камеры сгорания через входные сопла - 3 и канал - 4 по стрелкам «В» поступают к выходным сопла - 2 на концах лопастей - 1, истекая откуда создают реактивный момент, начинающий вращать винт. С началом его вращения стартер-генератор - 10 переходит в режим работы генератора, а лопасти - 1 винта создают
тягу в направлении стрелки «Г» (фигура 2). Одновременно из камеры - 5 через другие каналы - 8 часть газов по стрелкам «Д» истекает через сопла - 7, создавая, во первых, дополнительный реактивный момент для вращения винта, и во вторых, обдувая верхнюю поверхность лопастей - 1, увеличит тем самым тягу и подъемную силу винта.
Очевидно, что в случае применения заявленного воздушного винта в качестве несущего вертолетного неизбежно возникают некоторые конструктивные сложности при передаче высокотемпературного рабочего тела от камеры - 5 к соплам 2 и 7, обусловленные наличием автомата перекоса, что может усложнить конструкцию заявленного по сравнению с известным. Применительно к вертолету лишним по тем же причинам может оказаться и обтекатель - 9. Однако если заявленный винт применить в качестве движателя для другого подходящего транспортного средства (например, аэроглиссера), то его преимущества перед известным проявляются в полной мере. В частности, обтекатель 9 будет не просто ограждать винт, но ощутимо увеличивать его тягу за счет отклонения в заданном направлении истекающих из сопел газов (против направления стрелки «Г», фигура 2).