АЭРОДВИЖИТЕЛЬ
AIR PROPULSOR

Изобретение относится к устройствам вентидяторного типа, преимущественно к вентиляторам, создающим тягу, например, к аэродвижителям компактных транспортных средств на воздушной подушке или летательных аппаратов вертикального вздета.
Известны вентиляторы, содержащие лопастные винты, например, осевой вентилятор по патенту России №2295653. Известны лопастные винты, применяемые в различных комбинациях в качестве движителей транспортных средств, при этом определено, что однонаправленные лопастные винты, установленные на одном валу не дают положительного эффекта, в то время как разнонаправленные лопастные винты, вращаемые в противоположных направлениях, значительно увеличивают тягу. Известно, что вертолеты с одним несущим винтом при тех же нагрузках имеют сметаемую площадь значительно большую, чем двухвинтовые вертолеты типа "Ка-26", выполненные по соосной схеме с реверс драйвером.
Разработан осевой тоннельный вентилятор-движитель - заявка №2007135479/038782 с положительным решением 25 октября 2007 г., который и принят за прототип. Тоннельный вентилятор-движитель содержит перфорированный цилиндр с направляющим патрубком, реверс драйвер и ускоритель потока, тоннельная труба которого снабжена лопастями и вращается в противоположном направлении по отношению к реверсируемым центральным лопастным винтам, установленным в промежутках между лопастями тоннельной трубы. В дальнейшем центральный вал выполнен полым и снабжен вытяжным стволом.
Осевой тоннельный вентилятор-движитель предназначен для использования на транспортных средствах, однако для их перемещения в горизонтальном направлении этот движитель нуждается в дополнительных движителях горизонтальной тяги или в специальных устройствах. Этот факт снижает эффективность прототипа.
Целью настоящего изобретения является создание аэродвижителя, создающего как вертикальную, так и управляемую горизонтальную тягу, дающую возможность широкого маневра транспортным средствам.
Для достижения указанной цели направляющий патрубок аэродвижителя снабжен решеткой и на ней закреплено активное сопло, сжимающее и ускоряющее воздушный поток. Конус сопла только частично перекрывает активную зону ускорителя потока, так что его многократно ускоренный поток беспрепятственно выходит из направляющего патрубка, создавая вертикальную тягу, в то время как через активное сопло воздух проходит на критической скорости, вызывая в вытяжном стволе достаточное разрежение, которое патрубком горизонтальной тяги отклоняется в любом горизонтальном направлении.
На фиг.1 аэродвижитель изображен в осевом разрезе. Штрихпунктирной линией изображен вариант подключения двух аэродвижителей к одному реверс драйверу.
На фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1.
На фиг 3 изображен пример применения аэродвижителей в транспортном средстве на воздушной подушке.
Аэродвижитель состоит из реверс драйвера 1, ускорителя потока 2, вытяжного ствола 3 и патрубка горизонтальной тяги 4.
Реверс драйвер - устройство, приводящее в противоположное вращение пропеллерные группы ускорителя потока, содержит двигатель 5, на валу которого закреплено сдвоенное зубчатое колесо. Зубчатый венец 6 большего диаметра зацеплен с зубчатым колесом 7 на подшипнике. Венец меньшего диаметра через промежуточную шестерню 8 зацеплен с зубчатым колесом 9, жестко установленным на полом центральном валу ускорителя потока. На корпусе 10 реверс драйвера закреплен торец перфорированного цилиндра 11.
Ускоритель потока - устройство, многократно увеличивающее скорость воздуха, имеет установленный в подшипниках центральный полый вал 12, на котором с интервалами закреплены центральные лопастные винты 13. Один из подшипников полого вала установлен в решетке 14 на торце перфорированного цилиндра. На консольном конце центрального полого вала крепится выходной центральный лопастной винт 15 с лопастями увеличенной площади и крутизны.
Канальная труба 16 крепится на зубчатом колесе 7, а противоположным концом опирается на выходной реверс-винт 17, снабженный подшипником 18, который установлен на центральном полом валу. Перфорированный цилиндр заканчивается направляющим патрубком 19 с подсосными окнами 20. Патрубок перекрыт выходной решеткой 21 с активным соплом 22 типа сопла Лаваля с коническим входом и диффузором.
Вытяжной ствол представляет собой трубу, которая одним концом крепится в обойме 23 корпуса, а другим концом - в кольце 24 решетки.
Патрубок горизонтальной тяги, в виде изогнутой трубы, вставляется с возможностью осевого поворота в трубу вытяжного ствола и снабжается блоком 25 для дистанционного управления.
На фиг.3 изображен аппарат на воздушной подушке - один из примеров применения аэродвижителя. Корпус аппарата перегорожен панелью 26, в отверстия которой вставляются направляющие патрубки аэродвижителей. Их четыре штуки, попарно соединенных с двигателями 5, коническими передачами 27, которые, в свою очередь, дублируются карданным валом 28 с обгонными муфтами 29. Патрубки 4 горизонтальной тяги выводятся в удобное место фюзеляжа и снабжаются тросами, идущими на пульт управления.
Аппарат снабжается эластичной юбкой 30, которая вместе с панелью образует камеру воздушной подушки.
Аэродвижитель работает следующим образом.
Любой лопастной винт при вращении в газовой среде индуктирует след в виде спирали и создает тягу, пропорциональную диаметру винта и скорости его вращения. Установленный соосно еще такой же винт не добавит тяги, так как его лопасти, вращаясь в попутном потоке смежного винта, не опираются на воздушную струю. Вот если эти винты имеют противоположный наклон лопастей и вращаются в противоположном направлении, они пересекают соседние встречные струи и резко увеличивают осевую скорость воздуха и совместную тягу. Такие сдвоенные лопастные винты широко используются в самолетных и вертолетных движителях. Однако, существующие реверс драйверы конструктивно не могут вращать более двух соосных лопастных винтов, в то время как для создания компактного аэродвижителя требуется многократно большая скорость. Конструкция аэродвижителя может обеспечить вращение неограниченного количества таких пропеллерных групп, пока осевая скорость воздуха на выходе не достигнет значения субзвуковой. Однако это невыгодно с точки зрения затраты мощности. Например, если мы хотим поднять в воздух человека с некоторым снаряжением общим весом 100 кг и располагаем аэродвижителем со скоростью истечения 2000 м/с расход двигателем топлива составит 5 кг/с. Таким образом, следует ограничить скорость истечения, что, кстати сказать, уменьшает и габариты движителя.
β
Итак, осевая скорость потока реверсируемых центральных лопастных винтов 13 совместно с лопастями тоннельной трубы 16 складывается, и этот процесс продолжается до выхода, где она определяется формулой V=α(0,12πDn)k. Здесь α - аэродинамический коэффициент, зависящий от угла установки лопастей, качества их обработки и т.п., β - конструктивный коэффициент, определяемый расстоянием между винтами, количеством пар лопастных винтов "k" и т.п., πDn - окружная скорость тоннельной трубы. Лопастной винт в кольце-трубе, импеллер, как проверено практикой, имеет характеристики выше характеристик открытых лопастных винтов, так что в этом отношении тоннельная труба играет свою положительную роль.
При включении двигателя сдвоенное зубчатое колесо реверс драйвера 1 приводит в противоположное вращение зубчатые колеса 7 и 9. Торец зубчатого колеса 7 жестко связан с торцом тоннельной трубы 16, и она вращается в сторону, противоположную направлению вращения двигателя 5. Зубчатое колесо 9 установлено на центральном полом валу 12, который несет центральные лопастные винты 13 в промежутках между лопастями реверс-винтов тоннельной трубы. Следует заметить, что конструкция зубчатых передач реверс драйвера позволяет в широком диапазоне менять передаточное отношение, что не маловажно при согласовании оборотов мотора и движителя. На консольном участке центрального полого вала установлен выходной центральный лопастной винт, который для устойчивости несколько закручивает многократно ускоренный поток и направляет его в направляющий патрубок 19, сквозь выходную решетку 21 и в активное сопло 22. Входной конус активного сопла имеет сравнительно пологую поверхность, чтобы отражение этой части ускоренного потока не оказывало значительного сопротивления его сжимаемости и соответствующему увеличению скорости, которая в критической зоне активного сопла достигает значения звуковой. Внутри центрального полого вала с некоторым зазором установлен вытяжной ствол 3, наконечник трубы которого, расположенный в критической зоне активного сопла, служит пассивным соплом и согласно закону Бернулли создает разрежение, соответствующее скорости воздуха за критической зоной, которая увеличивается до сверхзвуковой. Это разрежение втягивает в выбрасываемый поток наружный воздух через патрубок горизонтальной тяги 4 и создает тягу, направление которой меняется в зависимости от угла его поворота в отношении трубы вытяжного ствола 3.
2
3
Сила тяги Y движителя определяется массой за секунду выброшенного воздуха ρ v F, а потребляемая им мощность равна этой тяге, помноженной на скорость выброса. То есть N=ρvF.
Без учета механических и аэродинамических потерь необходимая потребляемая мощность равна:
3
2
N=0,1vD/кгм/с/
Если задаться выходной скоростью потока - 80 м/с, а диаметр тоннельной трубы принять равной 0,5 м, то тяга, развиваемая таким аэродвижителем, будет равна 0,125×80×80×0,196=157 кг, а потребляемая мощность будет равна 0,1×80×80×80×0,5×0,5=12800 кгм/с, то есть около 125 киловатт. Как будто затрата мощности на килограмм тяги великовата. Однако у этого движителя солидная тяга при его компактности. Следует сравнить эффективность аэродвижителя с другими движителями летательных аппаратов вертикального взлета и посадки, используя широко применяемый в практической аэродинамике так называемый коэффициент летучести "K" воздушного движителя:
K=q√p.
Здесь q - удельная тяга
р - удельная нагрузка.
2
Средняя удельная тяга несущего вертолетного винта равна 4,5 кг/л.с. или 0,06 кг/кгм/с. Средняя удельная нагрузка несущего вертолетного винта равна 23 кг/м. То есть коэффициент летучести вертолетного винта K=0,06×4,8=0,29.
2
Удельная тяга вышеприведенного аэродвижителя равна 157/12800=0,0125 кг/кгм/с. Его удельная нагрузка равна 157/0,196=801 кг/м(!). Таким образом, его коэффициент летучести равен:
К=0,0125×√801=0,0125×28,3=0,35.
2
Легко определить, что коэффициент летучести идеального движителя АВВП равен 0,7(K=2√ρv/v). То есть коэффициент летучести вышеприведенного аэродвижителя достаточно высок.
Если разработать летательный аппарат с этими движителями, то следует устанавливать их с индивидуальными двигателями по бортам. При этом двигатели должны быть связаны автоматической обратной связью, а летательный аппарат должен быть снабжен датчиком крена. В этом случае летательный аппарат будет устойчив в воздухе, так как при возникновении крена тяга на движителях перераспределится, и крен будет выправлен. При четырех движителях грузоподъемность этого летательного аппарата будет равна 157×4=628 кг, а общая потребляемая мощность будет равна 125×4=500 кВт.
Эффективнее применить такой аэродвижитель для аппарата на воздушной подушке. Теория полета на воздушной подушке довольно проста. Чтобы аппарат, изображенный на фиг.3, приподнялся необходимо, чтобы в камере, образованной панелью 26 и юбкой 30, было создано избыточное давление Р=G/S. Когда аппарат приподнимется, вокруг юбки образуется щель высотой h. Длина щели равна периметру основания камеры L. Произведение Lh составит общую площадь щели. Воздух, выходящий из щели, будет иметь скорость истечения V м/с, и массу, равную ρhLV. Скорость истечения определяется при использовании формулы Бернулли.
V=√2G/ρS.
Используя формулу кинетической энергии, эту формулу и формулу секундной массы определяется тяга аппарата на воздушной подушке по используемой им мощности:
2/3
1/3
o
Y=7,05S(N/Lh)(ρ/ρ).
Следует отметить, что эта формула выведена академиком В. Пышновым.
2
Для аппарата на воздушной подушке, изображенного на фиг.3, при площади панели S=5 м, общей мощности двигателей 500 кВт, периметре камеры 9 м и высоте щели истечения 0,01 м его грузоподъемность согласно формуле Пышнова Y=2900 кг, то есть много выше грузоподъемность летательного аппарата.
Существующие аппараты на воздушной подушке весьма маломаневренные. Например, из технической литературы есть данные, что при скорости 30 км/ч радиус их поворота составляет около 30 метров. В то же время, снабженный аэродвижителями с патрубками горизонтальной тяги, аппарат на воздушной подушке может даже вращаться в любую сторону на месте. Карданный вал 28 соединяет двигатели 5 через обгонные муфты 29, обеспечивает равномерность загрузки двигателей и гарантирует безопасность.