СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СОЗДАНИЯ ТЯГИ БЕЗЛОПАСТНЫМ РОТОРОМ
METHOD AND APPARATUS FOR CREATING THRUST BY A BLADELESS ROTOR

Изобретение относится к аэрогидротехнике, а именно, к движителям, и предназначено для создания тяги объектов водного транспорта и летательных аппаратов, в том числе быстроходных катеров на подводных крыльях, глиссеров, экранопланов с высокими удельными массогабаритными показателями и низкой кавитацией.
Применяемые до настоящего времени ротационные лопастные винты и шнековые водометы на основе винта Архимеда или лопастных колес обладают существенными недостатками. Такими как кавитационные ограничения частоты вращения и низкая эффективность. Увеличение окружной скорости позволит значительно снизить габаритные размеры и массу прямого привода, особенно электрического. Отказ от использования редуктора и снижение кавитации уменьшат гидроакустические шумы, повысят надежность, общий КПД системы электродвижения и эксплуатационный ресурс. В качестве приводного электродвигателя может успешно применятся высокоэффективный компактный полностью сверхпроводниковый индукторный двигатель с комбинированным возбуждением [1-3]. Традиционные гребные винты и лопастные турбины имеют сложный профиль, и поэтому их изготовление требует технологий сложных литьевых процессов и многокоординатных станков с ЧПУ, необходимых для финишной обработки каждого изделия. Массивные лопастные винты обладают большой инерцией вращения, и не могут быть быстро остановлены. Лопастные винты с постоянным шагом, в случае заклинивания, не могут встать в режим флюгирования, что на полном ходу может привести к поломке лопастей из-за их парусности или срыву всего винта с вала. Значительные размеры основных ходовых винтов и их большая инерционность и парусность не позволяет располагать их на движительно-рулевых колонках (азиподах), которые могли бы оперативно изменять направление вектора тяги в широком диапазоне углов. Сравнительно большие диаметры лопастных винтов увеличивают высоту пилонов, габаритную глубину подводной части судна, существенно ограничивают маневрирование в фарватерах и на мелководье. Сравнительно низкая скорость движения воды на рабочих поверхностях лопастей у втулок не позволяет автоматически смывать биологические обрастания в процессе работы, что приводит к необходимости применения специальных материалов и покрытий, уменьшает интервал регламентных чисток. В процессе работы винт может намотать на себя сети, тралы или водоросли, что может вызвать останов или поломку. Воздушный винт и винт компрессора турбоавиадвигателя могут быть повреждены попаданием птиц.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является центробежная турбина Теслы-Прандтля, представляющая собой быстровращающийся диск (или соосную стопку дисков с небольшими зазорами [4,5]), в которой, в режиме насоса, засасываемое у центра вязким трением пограничных слоев, по закону внутреннего трения Ньютона, рабочее тело, отбрасывается на периферию. Рабочим телом могут являться: вода, воздух, насыщенный водяной пар, кровь, нефть, сжиженный природный газ, жидкий водород, натрий и другие жидкости, газы или, как варианты, многофазовые смеси и мелкодисперсные сыпучие порошки. Недостатками всех существующих вариантов [4-14] турбомашин Теслы-Прандтля являются: сложность плавной фокусировки радиальных выходных потоков в одном (например, осевом) направлении для создания суммарного вектора тяги; турбулентный выходной поток или наличие лопаточных спрямляющих аппаратов; сложность компактного размещения привода внутри единого агрегата; высокое значение коэффициента гидродинамического сопротивления корпуса (без наличия дополнительных обтекателей).
Заявляемый способ направлен на решение следующих задач: улучшение массогабаритных, энергетических и эксплуатационных показателей движителей, снижение кавитации жидких рабочих тел, увеличение пропульсивного КПД, тяговооруженности, повышение надежности и ресурса, снижение гидроакустических шумов, удешевление производства, уменьшение площади миделя и коэффициента аэрогидродинамического сопротивления (коэффициента сопротивления формы).
Поставленные задачи решаются за счет того, что гладкие, расширяющиеся, коаксиальные оболочки ротора выгнуты в осевом направлении, и поэтому, разгоняемое центробежными силами за счет трения пограничных слоев и его кинематической вязкости, рабочее тело имеет направленную осевую компоненту скорости.
Поскольку осевая компонента скорости на выходе ротора меньше тангенциальной компоненты скорости, выходящее из канала ротора рабочее тело необходимо направить в гладкий канал неподвижного спрямителя.
Толщина зазора рабочего канала между расширяющимися коаксиальными (бокалообразными, колоколообразными) оболочками ротора и толщина зазора рабочего канала спрямителя зависят от кинематической вязкости рабочего тела и номинальной частоты вращения ротора. Поскольку аксиальные рабочие каналы имеют изменяющиеся по осевой длине радиусы, то для сохранения неизменной площади поперечного сечения, они должны иметь разную, меняющуюся по оси, толщину.
Внешний радиус продольного профиля рабочего канала расширяющегося ротора может быть задан по длине х степенной функцией вида:
а
а
а
а
где  - коэффициент функции, связанный с максимальным расчетным диаметром канала D и активной длиной ротора L,  - показатель степени функции раскрытия, который для конического ротора равен 1, а для ротора параболического профиля лежит в диапазоне 0<<1. При >1, движение по расширяющемуся каналу резко ускоряемого рабочего тела приводит к кавитации и излому траектории на выходе ротора при входе в спрямитель и гидродинамическому удару. В описываемом примере =0,5.
Внешний радиус продольного профиля рабочего канала спрямителя может быть задан функцией вида:
а
а
в
в
с
с
где >1 - показатель степени сужающегося спрямителя (в описываемом примере =2), k - коэффициент укорочения осевой длины спрямителя (в описываемом примере k=0,7).
Параметрическое задание профилей каналов дает простую возможность последующих дифференцирования и интегрирования задаваемых функций.
окр
Толщина канала на выходе ротора (на его широком конце), для приближения тангенциальной скорости рабочего тела к окружной скорости ротора V (движения без проскальзывания), должна быть равна удвоенной толщине пограничного слоя:
-1
где  - кинематическая вязкость рабочего тела, μ - его динамическая вязкость, ρ - его плотность, n - номинальная частота вращения ротора, измеряемая в примерах в единицах системы СИ сек (Гц).
Тонкие каналы сложны для точного изготовления оболочек, и приводят к неожиданным результатам, видимых только на картинах распределения давления по каналу. При больших частотах вращения ротора с толщиной каналов, равной удвоенной толщине пограничных слоев (движения без проскальзывания), средняя тангенциальная скорость на выходе ротора действительно близка к его окружной скорости. Но при этом узость канала (его малая площадь поперечного сечения на выходе) не позволяет создать значительное тяговое усилие. И резкое увеличение скорости по каналу без проскальзывания приводит к возникновению сильного разряжения, потенциально приводящее к возникновению в канале кавитационных пузырьков, схлопывающихся в спрямителе. Утолщение канала до значений в разы превосходящее значения, полученные по формуле (3) увеличивают тягу на выходе, уменьшают перепад давления, но уменьшают расход и приводят к проскальзыванию, которое необходимо учитывать.
Окружная скорость ротора вычисляется как:
В описываемом примере площадь поперечного зазора неизменна и вычисляется по осевой длине х как разность площадей внешнего и внутреннего радиусов рабочего канала:
Для уменьшения величины кавитации в коротких роторах (спрямителях) с большой степенью раскрытия (сужения), площадь канала можно делать переменной.
Внутренние радиусы рабочих каналов ротора и спрямителя можно вычислить по следующим формулам, соответственно:
В качестве примера, графики степенных функций показаны на фиг. 1. Функции спрямителя вручную сдвинуты вправо на осевую длину ротора L.
Поскольку величина зазора рабочего канала из-за небольших толщин пограничных слоев обычно мала, все дальнейшие вычисления можно производить для внешней границы рабочего канала. Для больших рабочих зазоров и больших диаметров ротора, точнее производить вычисления по средней линии зазора рабочего канала.
Для предварительной оценки линейных размеров каждого рабочего канала ротора (его максимального диаметра D на выходе ротора), можно использовать следующее основное расчетное уравнение:
s
где Р - механическая мощность на валу электропривода,  - относительная длина ротора, η - предполагаемый пропульсивный коэффициент полезного действия (КПД) движителя, k - коэффициент проскальзывания рабочего тела относительно стенок ротора на выходе.
Поскольку функция канала ротора задается параметрически, то легко можно вычислить угол закручивания рабочего тела α(х) по осевой длине ротора (в том числе, и на его выходе):
Угол спрямления рабочего тела в спрямителе вычисляется аналогично:
Ускорение идеального рабочего тела в канале ротора вычисляется как:
Зная изменение ускорения рабочего тела в канале по осевой длине, можно выразить и его абсолютную скорость в каждой точке по следующей формуле, с учетом коэффициента проскальзывания:
Далее весь гидравлический расчет сводится к определению снижения скорости рабочего тела в канале за счет трения.
Гидравлический диаметр кольцевого канала вычисляется по формуле:
Число Рейнольдса [15] определяется по формуле:
Коэффициент местного гидравлического сопротивления вычисляется с учетом коэффициента Блазиуса - потерь на трение для турбулентного потока:
Падение давления вычисляется по формуле Дарси - Вейсбаха [14]:
По закону Бернулли [15], падение динамического давления может быть представлено замедлением скорости рабочего тела на величину:
Таким образом, абсолютная скорость рабочего тела с учетом торможения, может быть выражена как разница:
Осевая компонента скорости вычисляется как произведение абсолютной скорости на косинус угла закручивания:
Поскольку гидравлический диаметр на выходе спрямителя, из-за значительного утолщения зазора при сужении радиуса, много больше гидравлического диаметра на выходе ротора, торможением рабочего тела в спрямителе можно пренебречь, и, в первом приближении, вычислять скорость на выходе из спрямителя как:
Для более точного вычисления незначительного торможения осевой компоненты скорости рабочего потока в спрямителе, можно воспользоваться теми же самыми формулами, приведенными выше.
Следует особо отметить, что при увеличении скорости встречного потока, скорость на входе движителя частично увеличивает скорость на его выходе, а также, за счет авторотации, снижает требуемый момент привода ротора. Как следствие, снижается потребляемая мощность привода и расход энергии (топлива). Для высокоскоростных движителей, во избежание гидродинамического торможения входной скорости рабочего тела в рабочем зазоре, его толщину необходимо увеличивать с учетом максимальной скорости набегающего потока.
В этом заключается принципиальное отличие заявляемого способа от традиционных лопастных движителей, при использовании которых, предельная теоретическая скорость судна ограничена произведением частоты вращения гребного винта на шаг винта. Таким образом, заявляемый способ открывает следующий этап эры высокоскоростного водного транспорта.
с
Осевую длину канала спрямителя, необходимую для полного выпрямления потока и уточнения коэффициента k, можно оценить по эмпирической формуле:
где  - формула Блазиуса для турбулентного потока, а значения всех указанных параметров относятся к выходу ротора.
При попадании потока из ротора в спрямитель, за счет трения вязкого рабочего тела о его стенки, тангенциальная скорость потока тормозится, кинетическая энергия при этом переходит в тепло, уменьшая КПД устройства. Осевая компонента скорости потока не претерпевает значительных изменений вследствие принципа неизменности расхода рабочего тела на входе и выходе, при соблюдении равенства площадей горловины и выходного сечения.
Полное давление на стенках в каждом месте по осевой координате х состоит из суммы падения давления (из-за трения о стенки) и динамического давления, пропорционального абсолютной скорости рабочего тела. При больших частотах вращения ротора, преобладающей компонентой скорости является тангенциальная, и динамическое давление по величине практически соответствует давлению центробежных сил, прямо пропорциональное радиусу канала в этом месте по осевой координате х. Сужающийся до самой продольной оси спрямитель, значительно уменьшает давление на выходе и пропорциональное ему тяговое усилие.
Таким образом, осевая длина верхней оболочки канала спрямителя, не смотря на неполное спрямление потока, должна быть сравнительно короткой, радиус - не сильно уменьшающийся по сравнению с радиусом верхней оболочки канала ротора, толщина канала спрямителя - шире канала ротора.
Необходимую механическую мощность приводного электродвигателя можно уточнить по турбомашинному уравнению Эйлера [15]:
x
где G=V⋅S - объемный расход рабочего тела, Ω=2⋅π⋅n - угловая частота вращения ротора. Значения текущих радиусов, текущих углов закручивания и текущих скоростей с дополнительными индексами 1 и 2 относятся к входу и выходу ротора, соответственно.
Пропульсивный КПД движителя можно уточнить по формулам Эйлера, как отношение мощности с учетом торможения рабочего тела, к полной мощности без учета торможения:
Одноподшипниковое закрепление ротора позволяет применять для определения резонансной частоты вращения ƒ каждой оболочки ротора, оценочную формулу Эйлера-Хладни для колоколов [16]:
где h - толщина стенки оболочки ротора, Е - модуль Юнга материала ротора, γ - плотность материала ротора.
Для верификации описанного выше метода расчета движителя с безлопастным ротором и безлопаточным спрямителем, была проведена серия трехмерных численных расчетов рабочих каналов методом конечных элементов. Картина распределения абсолютных скоростей показана на фиг. 2. В плоскости продольного сечения цветом показаны значения абсолютных скоростей в рабочем канале. Векторное объемное поле скоростей показано стрелками. Траектории объемного движения рабочего тела показаны спиральными линиями. Хорошо видно, как рабочее тело разгоняется вдоль горизонтальной оси вращения ротора до расчетной скорости, затем абсолютная скорость начинает уменьшаться до расчетного значения осевой компоненты на выходе спрямителя. Так же видно уменьшение шага закручивания рабочего тела в роторе и его спрямление. Картина полей продольной осевой компоненты скорости показала ее незначительное снижение по мере приближения к выходу из ротора. Это происходит из-за уменьшения зазора рабочего канала, гидравлического диаметра и увеличения местного гидравлического сопротивления. На всем протяжении спрямителя с постоянной площадью канала, продольная осевая компонента скорости рабочего тела не меняется.
С целью изготовления маломасштабного демонстратора движителя для водного транспорта был разработан вариант конструкции с одним рабочим контуром, эскиз которой представлен на фиг. 3.
Конструкция представляет собой подвешиваемую на обтекаемых пилонах 5 мотогондолу с низким коэффициентом гидродинамического сопротивления (веретенообразный кокон), состоящую из разъемных внешних неподвижных (статорных) оболочек переднего обтекателя 13 и спрямителя 17, с электродвигателем 25 прямого привода внутри. Не смотря на то, что применение электродвигателя (особенно, полностью сверхпроводникового) является наиболее перспективным, привод принципиально может быть и другого типа, например двигателем внутреннего сгорания, турбовальным, гидромотором и т.д. Для ввода кабелей электродвигателя (кабель-каналов управления, телеметрии и т.д.), а также для патрубков хладагента, пилон имеет отдельные отверстия 16. У движителя отсутствуют внешние вращающиеся поверхности. Безлопастной, гладкий, бокалообразный ротор состоит из двух тонкостенных, закрепленных на ступице вала 2, соосных оболочек: внутренней 9 и внешней 11. Спицы могут иметь форму профиля лопатки с высоким гидродинамическим коэффициентом. Внешняя и внутренняя оболочка соединены между собою спицами 3 на входе и спицами 14 на выходе. Между оболочками ротора располагается зазор основного рабочего канала 10. В представленной конструкции оболочки ротора не имеют собственного подшипника - они используют закрытый передний подшипник электродвигателя. Для мощных установок, радиально упорный подшипник может быть установлен внутренним кольцом на цилиндрическую поверхность вала 2, а внешним кольцом на внутреннюю оболочку статора 7. При вращении ротора приводным двигателем, рабочее тело (например, забортная вода) засасывается через горловину заборника 7, которая может быть выполнена в виде входного штуцера для присоединения шланга, или иметь форму раструба (в том числе с регулированием входной площади механизированными лопатками или диафрагмой), и ускоряется в рабочем канале 10. Для плавного предварительного завихрения воды на входе (наличия тангенциальной составляющей), горловина может быть эксцентрична и неколлинеарна с главной осью движителя, или иметь направляющие лопатки. Во избежание засора зазора рабочего канала (например, песком), горловина может иметь входной фильтр с размером ячеек чуть меньшим, чем толщина зазора. Далее рабочее тело попадает в рабочий канал 20 неподвижного спрямителя, образованный тонкостенными оболочками: внешней 19 и внутренней 21. Все оболочки спрямителя скреплены между собою спицами 24. Спицы могут иметь гибкое, шарнирное или скользящее закрепление для обеспечения возможности управляемого изменения зазора рабочего канала в процессе работы, путем осевого перемещения одной оболочки ротора относительно другой. Далее рабочее тело обтекает выходную внешнюю поверхность внутренней оболочки спрямителя 23, имеющую окончание в виде обтекаемого кока 26, для уменьшения: коэффициента гидродинамического сопротивления, мертвой зоны пониженного давления, турбулентности. Кок может быть как гладким, стационарным (в простом случае), так и состоять из механизированных ковшовых и/или лепестковых створок для обеспечения реверса тяги, или отклонения вектора тяги, и/или притормаживания путем увеличения коэффициента гидродинамического сопротивления (управляемого создания мертвой зоны пониженного давления). Для крупных высокоманевренных аппаратов, предпочтительно иметь оба типа механизации: в передней части (заднего) кока - ковшевые реверсивные створки (одновременно раскрывающихся встречно набегающему потоку в случае необходимости резкого торможения или реверса; или раскрытия только некоторых из них для экстренного поворота/кабрирования/ныряния), в задней части кока - лепестковые створки, которые могут быть как закрытыми в бутон, повторяющий форму кока, так и частично раскрываться согласно набегающему потоку, в случае необходимости плавного притормаживания или изменения вектора тяги. Для увеличения скорости истечения рабочего тела кок может быть дополнительно оснащен соплом или присоединительным штуцером.
Все места сопряжения ротора с неподвижными элементами должны герметизироваться уплотнениями.
Для обеспечения возможности свободного вращения оболочек 9 и 11 ротора, между внутренней оболочкой статора 7 и внешним обтекателем 13, необходимы два технологических зазора: внутренний 8 и внешний 12. Для уменьшения внешних габаритов мотогондолы, технологические зазоры должны быть небольшими, однако в малых зазорах, в связи с большим градиентом скоростей, наблюдается значительное вязкое трение в среде, тормозящее ротор, снижающее КПД, нагревающее оболочки. Поэтому технологические зазоры должны быть заполнены средой со сравнительно малой динамической вязкостью, например, так называемой воздушной смазкой. В качестве воздушной смазки в герметичных полостях технологических зазоров между роторами и статорами, особо эффективно применение специальных газов, находящихся под давлением, равным забортному (например, водорода или гексафторида серы). Поскольку абсолютная герметичность уплотнений технологических зазоров быстровращающегося ротора сложно реализуема (особенно для глубоководных аппаратов), а динамическое разряжение в зоне наглухо закрытых технологических зазоров мощных агрегатов может достигать значительной величины, возможен небольшой, но постоянный подсос забортной воды через уплотнения. Одним из основных способов постоянного поддержания воздушной полости в технологических зазорах является следующее. Рабочее тело, на выходе из рабочего канала 20 спрямителя, создает разряжение во внешнем 18 и внутреннем 22 каналах спрямителя. Таким образом, в зоне сопряженных с ними технологических зазоров также образуется разряжение. Внешний технологический зазор 12 имеет отверстие эжектора 4 в обтекателе 13 и через шноркель 6 обеспечивается постоянный подсос воздушной смазки. Эжекция воздушной смазки во внутренний технологический зазор 8 осуществляется через внутреннюю полость мотогондолы с двигателем 25 из шноркеля 15. Таким образом, внешняя поверхность приводного двигателя 25 может дополнительно охлаждаться самовентиляцией. Подача в шноркели вязкой жидкости, может применяться для экстренного вязкого торможения ротора. В случае безрасходного варианта с герметичными зазорами, через шноркели можно поддерживать давление воздушной смазки, в зависимости от забортного давления на текущей глубине (высоте).
В случаях, когда смешивание рабочего тела с воздушной смазкой и последующим выбросом, является труднореализуемым или недопустимым, (например: при отсутствии свободного доступа к воздуху; недостаточного объема запасов расходной воздушной смазки; высоком забортном давлении, перекачивании чистых жидкостей и т.д.) возможны следующие технические решения:
- конструирование, заполняемых рабочим телом, технологических зазоров достаточной толщины, много большей удвоенной толщины поверхностных слоев;
- обеспечение замкнутой циркуляции воздушной смазки по технологическим зазорам через сообщающиеся шноркели;
- единовременную закладку воздушной смазки (специальных газов или жидкостей с малой динамической вязкостью) на все время эксплуатации (до регламентного обслуживания);
- через шноркели осуществляется вакуумирование герметичных технологических зазоров путем откачки;
- создание естественного эжектируемого динамического разряжения путем перекрывания шноркелей;
- негерметизируемые технологические зазоры, через которые так же, как и через рабочие зазоры, осуществляется прокачка рабочего тела, не смотря на наличие потерь о поверхности неподвижных стенок статоров;
- при использовании в качестве привода двигателя внутреннего сгорания (турбовального газотурбинного двигателя), функцию воздушной смазки могут выполнять выхлопные газы.
В процессе работы, вязкость рабочего тела (зависящая от его температуры, давления, плотности, однородности и др.) и толщина пограничных слоев могут изменяться. В свою очередь, изменение этих основных расчетных параметров влияет на практически все текущие характеристики движителя, в конечном счете - на расход и тягу. Скомпенсировать изменение вязкости и толщины пограничных слоев, во избежание проскальзывания основной массы рабочего тела относительно поверхностей оболочек ротора (выровнять профиль течения Пуазейля), можно оперативно изменяя величину зазора рабочего канала. Актуальная задача управления величиной зазора рабочего канала технически решается за счет относительного перемещения оболочек ротора в осевом направлении с помощью дополнительного гидравлического, электромагнитного или механического устройства. Увеличение рабочего зазора повышает массовый расход рабочего тела, но при этом может приводить к проскальзыванию; уменьшение зазора рабочего канала позволяет избежать проскальзывания, но сужает площадь сечения канала и массовый расход. Управляемое изменение величины зазора рабочего канала является аналогом изменения шага винта традиционных регулируемых лопастных движителей.
Осесимметричность ротора делает непринципиальным направление его вращения - суммарный вектор тяги, в любом случае, направлен по оси вращения в сторону узкого конца ротора. Единственным недостатком предлагаемого способа является принципиальная невозможность реверса тяги путем изменения направления вращения ротора. Одним из вариантов устранения этого недостатка является соосная двухроторная (сопряженная широкими концами) конструкция, в которой роль спрямителя всегда выполняет заторможенный в данный момент ротор. В случае необходимости реверса, вращающийся ротор останавливают, а заторможенный приводят во вращение. Недостатком такого способа обеспечения реверса является необходимость наличия, либо двух независимых приводных электродвигателей, либо муфт сцепления-расцепления. Возможен вариант динамического спрямления, при котором спрямляющий ротор не полностью заторможен, а принудительно вращается (с меньшей частотой) в сторону противоположную тяговому ротору. Достоинством динамического спрямления является незавихренная выходная реактивная струя (отсутствие тангенциальной компоненты скорости и опрокидывающего момента) и меньшая общая осевая длина, недостатками - снижение общего КПД движителя, из-за необходимости затрат энергии на вращение спрямляющего ротора, и сложность обеспечения подвода коммуникаций через горловины роторов.
Значительная тяговооруженность предлагаемого изобретения, по сравнению с традиционными винтовыми или шнековыми водометными движителями, позволит создавать высокоманевренные подводные обитаемые аппараты, в которых резкое изменение глубины (погружение или всплытие) может осуществляться не продувом/заполнением балластных цистерн, а кабрированием и пикированием (нырянием) - изменением вектора тяги движителя, либо путем поворота всей гондолы относительно поперечной горизонтальной оси (для больших углов атаки), либо отклонением лопаток изменения вектора тяги (для средних углов атаки), либо применением дополнительных механизированных отклоняемых поверхностей крыльев (оперений) фюзеляжа.
Одной из проблем при эксплуатации водного транспорта, является обрастание рабочих поверхностей винтов колониями организмов. Традиционно для борьбы с ними применяются биологически инертные материалы и материалы, токсичные для обрастателей, например, медь. Изготовление традиционных винтов из меди или медных сплавов приводит к увеличению массы винтов, их стоимости, размерам несущих конструкций. Гальваническое покрытие поверхности стальных винтов требует больших гальванических ванн и токоподвода значительной величины, что так же увеличивает стоимость изделия.
Локальная параллельность гладких поверхностей соседних оболочек описываемого изобретения, небольшие зазоры между ними и электропроводность забортной воды, позволяют реализовывать метод периодической или постоянной гальванической чистки обрастаний и полировки непосредственно в процессе эксплуатации (без захода в ремонтный док). Для этого все электропроводящие оболочки конструкции, находящиеся в воде, должны быть электрически изолированы друг от друга диэлектрическими втулками и уплотнениями и иметь токоподводы (для роторов - скользящие). Попеременное подключение положительного и отрицательного электрических потенциалов к соседним оболочкам, приводит к растворению металла на анодных поверхностях и его восстановлению на катодных поверхностях. Для этого оболочки необходимо изготавливать из металлических (например, коррозионностойких никелевых, хромоникелевых, титановых, алюминиевых, магниевых, бериллиевых сплавов), или неметаллических композитных материалов (например, стекловолокно, углеволокно, армированное стекло) с хорошо адгезированным медным покрытием. Изношенные в процессе длительной эксплуатации поверхностные слои можно легко восстановить путем временного заполнения рабочего канала соответствующим насыщенным электролитом, например медным купоросом, и пропускания гальванического тока. Для контроля величины зазора можно использовать метод измерения электрической емкости.
Для повышения мощности и тяговооруженности движителя, что особо актуально при использовании рабочих тел малой плотности (например, воздуха на высоте тропопаузы), количество рабочих каналов может быть многократно увеличено путем наращивания числа тонкостенных коаксиальных оболочек ротора и спрямителя. Таким образом, предлагаемый способ может эффективно применяться для создания тяги воздушных судов.
В отличие от водного транспорта, ограничения на частоту вращения воздушных винтов накладывает не кавитация, а срыв потока с концов лопастей тяговых пропеллеров. Это существенно ограничивает широкое применение крупных винтовых летательных аппаратов, особенно с прямым электрическим приводом. Предлагаемый способ позволит совершить большой скачек в направлении развития крупных летательных аппаратов на электрической тяге.
Исходя из концепции обратимости любой турбины, номинальным штатным режимом ее работы считается режим принудительной осесимметричной незавихренной подачи рабочего тела со стороны спрямителя (на широкий конец ротора). Однако для движителя, особенно с интегрированной обратимой электрической машиной, наибольший интерес представляет режим рекуперативного торможения.
Для реализации этого режима, рабочее тело прямым (незакрученным) потоком подается под напором с начальной скоростью в горловину ротора (на узкий конец ротора). Предположительно, за счет меандрирования потока, возникает тангенциальная составляющая скорости, приводящая ротор во вращение вязким трением. С увеличением частоты вращения ротора, тангенциальная составляющая потока возрастает и, увеличивая, таким образом, раскручивающий момент. В момент написания патентной заявки, турбинный режим работы с подачей осесимметричного, прямого, незавихренного потока в горловину заборника с узкого конца неподвижного ротора, экспериментально подтвердить не удалось. Связи со сложностью гарантированного возникновения пускового момента неподвижного, осесимметричного гладкого ротора, горловина должна быть либо несоосна тангенциальной (для формирования значительной тангенциальной компоненты скорости уже на входе), либо дополнительно содержать лопаточный направляющий (завихряющий) аппарат [13] (в том числе с поворотными лопатками с изменяемым шагом и возможностью флюгирования в режиме движителя), завихряющий рабочий поток в горловине на входе в ротор. Таким образом, можно успешно осуществить режим рекуперативного торможения, в котором кинетическая энергия затекающего в горловину потока затрачивается на вращение ротора, а приводной электродвигатель работает в режиме генератора.
Проведенные экспериментальные исследования подтвердили правильность расчетов и компьютерного моделирования для режимов движителя водного транспорта. Возможность работы в режиме рекуперативного торможения экспериментально подтверждена для движителя с дополнительным направляющим (завихряющим) аппаратом в горловине заборника. Наличие регулируемого направляющего аппарата с изменяющимися углами лопаток в широких пределах (от флюгирования до отсекания) позволит эффективно реализовывать режим рекуперативного торможения в широком диапазоне скоростей движения.
Поскольку осесимметричный самонесущий тонкостенный ротор имеет большую механическую прочность и существенно меньшую массу, по сравнению с традиционными лопастными машинами, значения окружных скоростей могут быть значительно больше, чем у традиционных роторов. Жесткость и прочность на изгиб и скручивание у оболочек большого диаметра, также больше, чем у сплошных валов сравнимой металлоемкости. Таким образом, можно существенно повысить удельную мощность и КПД единичного агрегата.
Малая масса и момент инерции делает ротор высокодинамичным - способным быстро раскручиваться до номинальной частоты вращения и быстро останавливаться.
Воспользовавшись основным расчетным уравнением (8) предлагаемого движителя, можно оценить влияние входящих в него основных параметров на размеры. Габаритные размеры находящегося внутри движителя электропривода также могут быть оценены по удвоенному основному уравнению электрической машины, имеющему вид:
ф
о
р
у
ск
0
ф
л
δ
где k - коэффициент формы питающего напряжения (для синусоиды =  k=k⋅k⋅k - обмоточный коэффициент ~ 1; cos ϕ - предполагаемый коэффициент мощности, показывающий отношение активной мощности к полной; θ - номинальный угол нагрузки (угол между ЭДС Е и напряжением фазы U, отрицательный для двигательного режима); А - линейная нагрузка статора; В - характерное среднее значение индукции в рабочем зазоре.
-1
-1
-1
Подставив в основные расчетные уравнения (8, 25) характерные значения параметров, можно построить сводные графики функции двух переменных: мощности (в логарифмическом масштабе) и частоты вращения (семейство кривых), представленные на фиг. 4. Сплошными черными линиями на графике показано семейство зависимостей диаметра ротора одноканального движителя от номинальной мощности для традиционного ряда частот вращения. Поскольку диаметр ротора движителя обратно пропорционален частоте вращения в третьей степени, на графике хорошо видна тенденция кратного уменьшения размеров движителя при увеличении частоты вращения. Пунктирными линиями показаны оценочные габаритные диаметры вариантов приводных электродвигателей прямого привода с перспективной номинальной частотой вращения 8000 мин, размещаемых внутри ротора. Красным пунктиром показаны габаритные диаметры традиционного резистивного электродвигателя с возбуждением от редкоземельных магнитов с испарительным охлаждением обмоток якоря. Хорошо видно, что при мощностях более 500 кВт, традиционные приводные электродвигатели не помещаются внутрь ротора движителя. Для размещения внутри ротора необходимо применять компактные, полностью сверхпроводниковые электродвигатели [1-3] на основе высокотемпературных сверхпроводников 2-го поколения с охлаждением жидким азотом (синяя пунктирная линия). Видно, что движитель мощностью 50 МВт с приводом на основе высокотемпературных сверхпроводников полностью умещается в мотогондоле с низким коэффициентом гидродинамического сопротивления, размерами 2×4 метра. Для сравнительно низкооборотных движителей с частотой вращения 1000 - 1500 мин, целесообразно применение трехоболочного ротора с двумя рабочими каналами. Традиционный электропривод может быть размещен в одноканальном движителе с номинальной частотой вращения 3000 мин, но габаритные размеры мотогондолы при этом становятся вдвое больше (4×8 метров). Уменьшение габаритных размеров традиционных резистивных электродвигателей за счет повышения линейной токовой нагрузки и интенсификации системы охлаждения сильно снижают КПД двигателя, что, к примеру, для мощностей порядка 50 МВт приводит к необходимости отвода и утилизации 5 МВт тепловой мощности потерь.
Полностью сверхпроводниковые электроприводы обладают высоким КПД, и хорошо вписываются в концепцию сверхпроводниковой системы электродвижения. При использовании в качестве первичного источника энергии жидкого водорода, который до сжигания в турбине (или преобразовании в топливных элементах) может использоваться для эффективного охлаждения сверхпроводников, габаритные размеры полностью сверхпроводникового двигателя могут быть уменьшены более чем вдвое, по сравнению с двигателем жидкоазотного охлаждения.
Поскольку прочностные характеристики тонкооболочных роторов и, соответственно, предельная окружная скорость, сильно зависят от их материала, толщины оболочки, толщины рабочего канала, плотности рабочего тела и других параметров, то пределы графиков не ограничивались, чтобы показать характер изменения величин. Окружные скорости для 200, 300, 400 м/с показаны на фиг. 4 зелеными штрихпунктирными линиями. Увеличение предельных окружных скоростей достигается применениям легких и прочных, прежде всего, титановых сплавов. Оценить предельную окружную скорость для различных конструкционных материалов можно по формуле
т
где σ - предел текучести (прочности) материала ротора.
Наиболее перспективно применение в качестве материала ротора углевод оконных композитов.
Техническим результатом осуществления заявленного изобретения являются:
- повышение пропульсивного КПД;
- уменьшение значения коэффициента гидродинамического сопротивления;
- уменьшение площади миделя;
- уменьшение габаритных размеров;
- повышение максимальной скорости судна;
- увеличение тяговооруженности;
- улучшение управляемости и маневренности;
- снижение кавитации;
- увеличение ресурса;
- снижение стоимости производства;
- возможность гальванической чистки рабочих поверхностей от обрастателей непосредственно в процессе эксплуатации;
- возможность применения прямого (безредукторного) электропривода (в т.ч. высокооборотного, полностью сверхпроводникового);
- снижение гидроакустических шумов;
- исключение влияния парусности лопастей в случае остановки (аварийного заклинивания) ротора.
Источники информации
1. Kovalev, K.L., Ilyasov R.I., Kovan Y. I., Dezhin D.S., & Yegoshkina L.A.. Double-Assembly Inductor Electric Machine with Combined Excitation: Variants. Holds Invention Patent RU 2696273 C1 of August 01, 2019. Application # 2018144873 of December 18, 2018.
2. D Dezhin, I Dezhina, R Ilyasov. Small-Scale Prototype of a Fully HTS-2g Six-Phase Induction Electric Machine. 14th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS 2019) Journal of Physics: Conference Series 1559 (2020) 012146IOP Publishing doi: 10.1088/1742-6596/1559/1 /012146
3. D Dezhin, I Dezhina, R Ilyasov. Superconducting Propulsion System with LH2 Cooling for All-Electric Aircraft. 14th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS 2019) Journal of Physics: Conference Series1559 (2020) 012146IOP Publishing. doi:10.1088/1742-6596/1559/1/012143
4. N. Tesla. FLUID PROPUISION. United States Patent 1,061,142. May 6, 1913
5. N. Tesla. TURBINE. United States Patent 1,061,206. May 6, 1913.
6. Peter Schlumbohm. DEVICE FOR CIRCULATING FLUIDS. United States Patent 2,739,757. Mar. 27, 1956
7. Benjamin G. Glass. TURBINE. United States Patent 4,036,584 45. July 19, 1977
8. Udo E. Effenberger, VISCOSITY IMPELLER. United States Patent 4,402,647. Sep. 6, 1983.
9. Kenneth. L. Nash. BLADELESS CONICAL RADIAL TURBINE AND METHOD. US 2005/0214109 A1. Sep. 29, 2005
10. Gordon David Sherrer. SYSTEM AND METHOD FOR EXTRACTING POWER FROM FLUID USING A TESLA-TYPE BLADELESS TURBINE. US 2010/0129193 A1. May 27, 2010.
11. Так Seung-ho. Blowing device and drone including the same. KR 101942507 B1. 2019.01.21
12. Method and apparatus for sealing without separation between split sheer formed between rotor and stator. JP 4268710 B2. 1997
13. Календаров И.А. Турбина. Российский патент RU 2263814
14. Mark D. Rodefeld. CAVOPULMONARY VISCOUS IMPELLER ASSIST DEVICE AND METHOD. WO 2013/082621 A1
15. Igor J. Karassik, Joseph P. Messina, Paul Cooper, Charles C. Heald. Pump Handbook. The McGraw-Hill Companies. 2001. ISBN 0-07-034032-3
16. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона, т. 30. «колебания».
Рисунки
На фиг. 1. показаны графики степенных функций, описывающих форму рабочих каналов ротора и спрямителя (слева - ротора, справа - спрямителя).
На фиг. 2 показана картина распределения абсолютных скоростей и траектории движения рабочего тела в зазоре, полученная компьютерным моделированием с помощью метода конечных элементов (цветное поле - относительные значения абсолютных скоростей в рабочем канале (синее - 0, красное - максимальное); стрелки - векторное объемное поле скоростей; спиральные линии - траектория объемного движения рабочего тела в основном рабочем зазоре).
На фиг. 3 показан эскиз варианта конструкции маломасштабного демонстратора движителя водного транспорта (1 - горловина заборника; 2 - вал; 3 - спицы, соединяющие оболочки ротора на входе; 4 - отверстие эжектора; 5 - пилоны с обтекаемым двояковыпуклым профилем поперечного сечения и каналами внутри; 6 - передний шноркель воздушной смазки внешнего зазора; 7 - внутренняя оболочка статора; 8 - внутренний технологический зазор для воздушной смазки; 9 - внутренняя оболочка ротора; 10 - зазор основного рабочего канала; 11 - внешняя оболочка ротора; 12 - внешний технологический зазор для воздушной смазки; 13 - внешняя передняя оболочка статора, выполняющая функцию обтекателя; 14 - спицы, соединяющие оболочки ротора на выходе; 15 - задний шноркель воздушной смазки внутреннего зазора; 16 - отверстия для ввода каналов кабелей электродвигателя, коммуникационных кабелей управления и телеметрии, масляных магистралей и патрубков охлаждающей жидкости; 17 - внешняя задняя оболочка статора, выполняющая функцию обтекателя спрямителя; 18 - внешний технологический зазор канала спрямителя для воздушной смазки; 19 - внешняя оболочка спрямителя; 20 - основной рабочий канал спрямителя; 21 - внутренняя оболочка спрямителя; 22 - внутренний технологический зазор канала спрямителя для воздушной смазки; 23 - внутренняя оболочка спрямителя; 24 - спицы спрямителя, конкретно расположенные в основном рабочем канале спрямителя. Спицы в технологических каналах на рисунке отдельно не подписаны; 25 - приводной двигатель; 26 - задний кок.).
На фиг. 4. показаны графики зависимостей габаритных размеров (диаметров) движителя и приводных электродвигателей (традиционного резистивного и полностью сверхпроводникового) от мощности для различных частот вращения.