Вихревой рекуперативный движитель

 

Использование: изобретение относится к транспортным средствам на воздушной подушке и касается конструирования их движительных установок. Сущность изобретения: вихревой рекуперативный движитель содержит ротор с приводом, размещенные в корпусе, имеющем диффузор, переходящий в верхний кольцевой экран, с противоположной стороны которого с удалением от плоскости вращения ротора установлен осесимметричный нижний кольцевой экран перпендикулярно оси вращения ротора, а движитель выполнен с торообразной камерой, имеющей щелевидное кольцевое сопло, при этом верхний кольцевой экран размещен с зазором относительно периферийной части лопастей ротора. 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к транспортным средствам на воздушной подушке и касается конструирования их движительных установок.

Известен вихревой рекуперативный движитель, содержащий осесимметричный корпус, в котором размещен ротор с приводом (заявка N 2630697 на патент Франции, кл. В 60 Y 3/00, опубл. 1989 г.). Однако он обладает малой эксплуатационной эффективностью.

Технический результат внедрения изобретения заключается в повышении эксплуатационной эффективности описываемого движителя.

Технический результат достигается тем, что вихревой рекуперативный движитель содержит осесимметричный корпус, в котором размещен ротор с приводом, корпус выполнен с диффузором, переходящим в верхний кольцевой экран, с противоположной стороны которого с удалением от плоскости вращения ротора установлен осесимметричный нижний кольцевой экран перпендикулярно оси вращения ротора, а движитель выполнен с торообразной камерой, имеющей щелевидное кольцевое сопло, при этом верхний кольцевой экран размещен с зазором относительно периферийной части лопастей ротора. Кроме того: верхний кольцевой экран и периферийная часть лопастей ротора установлены с возможностью регулирования вышеуказанного зазора между ними; внешний диаметр верхнего кольцевого экрана соизмерим с диаметром ротора; упомянутый нижний экран выполнен в виде диска, соизмеримого по своему диаметру с диаметром ротора; нижний экран выполнен в виде сферического сегмента, обращенного своей выпуклой стороной к нижней части торообразной камеры; его нижний экран выполнен с центральным отверстием; щелевидное кольцевое сопло снабжено цилиндрическим насадком, соосным центральному отверстию нижнего экрана; по периферии нижнего экрана выполнено утолщение переменного радиуса кривизны, при этом периферийная часть этого экрана и противолежащая ей часть торообразной камеры образуют воздуховод, примыкающий к кольцевому щелевидному соплу; в воздуховоде установлены направляющие лопатки, размещенные на одинаковом расстоянии от выходного сечения кольцевого щелевидного сопла; кольцевое щелевидное сопло выполнено регулируемым;
кольцевое щелевидное сопло снабжено устройством управления вектором воздушного потока;
кольцевое щелевидное сопло снабжено устройством регулирования площади проходного сечения;
движитель содержит конусообразное сопло, закрепленное в нижней части торообразной камеры у кольцевого щелевидного сопла.

На фиг. 1 показан вертикальный разрез описываемого движителя; на фиг. 2
то же, с направляющими лопатками; на фиг. 3 то же, с направляющими лопатками и конусообразным соплом; на фиг. 4 то же, с нижним экраном в виде диска и цилиндрическим насадком, размещенным под щелевидным кольцевым соплом; на фиг. 5 то же, с направляющими лопатками, конусообразным соплом и с нижним экраном в виде сферического сегмента.

Согласно фиг. 1, вихревой рекуперативный движитель содержит ротор 1 с приводом 2, размещенные в осесимметричном корпусе, имеющем диффузор 3 с входным отверстием, переходящим в верхний кольцевой экран 4, размещенный с зазором относительно периферийной части лопастей ротора 1, и торообразную камеру 5 с щелевидным кольцевым соплом 6.

На некотором расстоянии от плоскости вращения ротора 1, со стороны, противоположной диффузору 3, размещен осесимметричный нижний кольцевой экран 7, перпендикулярный оси вращения ротора 1, выполненный в виде диска с утолщением 8 переменного радиуса кривизны, образованным по периферии нижнего экрана 7 со стороны, противоположной ротору 1.

Периферийная утолщенная часть 8 нижнего экрана 7 и противолежащая ей часть торообразной камеры 5 образуют воздуховод 9, примыкающий к щелевидному кольцевому соплу 6.

Показанная на фиг. 2 форма выполнения вихревого рекуперативного движителя отличается от описанной со ссылкой на фиг. 1 наличием направляющих лопаток 10, размещенных в воздуховоде 9 торообразной камеры 5 на одинаковом расстоянии от выходного сечения щелевидного кольцевого сопла 6.

Показанная на фиг. 3 форма выполнения вихревого рекуперативного движителя отличается от описанных со ссылками на фиг. 1 и 2 тем, что в нижней части торообразной камеры 5 у щелевидного кольцевого сопла 6 установлено конусообразное сопло 11. Эта форма выполнения также допускает установку в воздуховоде 9 направляющих лопаток 10.

Показанная на фиг. 4 форма выполнения вихревого рекуперативного движителя отличается от описанных со ссылками на фиг. 1, 2 формой выполнения нижнего экрана в виде диска с центральным отверстием 12, следствием чего явилось видоизменение форм воздуховода 13 и щелевидного сопла 14, снабженного цилиндрическим насадком 15, соосным центральному отверстию нижнего экрана 12.

Показанная на фиг. 5 форма выполнения вихревого рекуперативного движителя отличается от описанных со ссылками на фиг. 1, 2 формой выполнения нижнего экрана в виде сферического сегмента 16, обращенного своей выпуклой стороной к нижней части торообразной камеры 5, а также уже упоминавшимся со ссылкой на фиг. 3 конусообразным соплом 11.

Как и в случае форм выполнения, показанных на фиг. 2, 3, вихревой рекуперативный движитель, представленный на фиг. 5, может иметь направляющие лопатки 10, установленные на одинаковом расстоянии от выходного сечения щелевидного кольцевого сопла, образованного выпуклой частью сферического сегмента 16 и обращенной к ней частью торообразной камеры 5. Кроме того, на фиг. 1-5 позицией 17 обозначена опорная экранирующая поверхность.

Следует также отметить, что зазор между верхним кольцевым экраном 4 и периферийной частью лопастей ротора 1 может быть выполнен регулируемым, например, перемещением ротора вдоль оси симметрии движителя.

Кроме того, необходимо также отметить, что щелевидное кольцевое сопло 6 может быть выполнено регулируемым, например, с помощью устройства управления вектором воздушного потока или устройства регулирования площади проходного сечения (не показаны), выполнение которых само по себе известно (О.К. Югов, О.Д. Селиванов. "Основы интеграции самолета и двигателя", М. "Машиностроение", 1989 г. с. 120-123).

Рекуперативный вихревой движитель работает следующим образом. Ротор 1 приводится во вращение двигателем 2. В результате вращения ротора 1 воздух засасывается из окружающей среды и через диффузор 3 поступает к лопастям ротора 1.

Динамика набегающего воздушного потока на лопасти вращающегося ротора 1 обусловливает формирование зоны повышенного давления между лопастями ротора 1 и нижним экраном 7 и зоны пониженного давления (или зоны разрежения) над лопастями ротора 1 под верхним кольцевым экраном 4.

В результате этого перепада давлений, усиливаемого наличием неподвижного нижнего экрана 7, под действием центробежной силы вращения лопасти происходит перетекание к ее концу воздушной среды в форме замкнутых вихреобразных структур через носовую часть профиля лопасти ротора 1 (подсасывающий эффект) с образованием присоединенного вихря, который, сойдя с конца лопасти, отстает от нее, разворачиваясь на 90^o против хода лопасти сливаясь в торообразный вихрь, который вращается вместе с ротором 1 в кольцевой зоне W тороидальной камеры 5.

Разрежение, образуемое под действием подсасывающей силы, уменьшает момент сопротивления вращающихся лопастей ротора 1. Это в свою очередь уменьшает расход мощности на вращение ротора 1.

Воздушный поток, образованный вращающимся ротором 1, засасываемый через диффузор 3, под действием сформированной вихревой структуры разворачивается в воздуховоде 9 на угол в пределах от 90 до 180^o (в зависимости от ориентации оси щелевидного кольцевого сопла 6 относительно вектора воздушного потока в зазоре между верхним кольцевым экраном 4 и периферийной частью лопастей ротора 1) в подэкранную область в нижней части торообразной камеры 5, что приводит к дальнейшей интенсификации процесса формирования вихревого потока за счет уменьшения радиуса вихря (при сохранении момента количества движения), завершающегося выбросом вихревого потока через щелевидное кольцевое сопло 6 в область под нижним экраном 7. Столкновение и взаимодействие радиального плоского центростремительного вихревого потока в этой области приводит к образованию зоны повышенного давления, сконцентрированной в пределах замкнутого воздушного потока β, сформированного щелевидным кольцевым соплом, в виде вихря, отделяющего зону повышенного давления от давления окружающей среды.

В зависимости от угла разворота, сформированной вихревой структуры в воздуховоде 9 тяга и подъемная сила могут изменяться в определенных пределах в соответствии с формой образованной вихревой структуры воздушного потока.

Работа устройства, показанного на фиг. 2, отличается от рассмотренного выше тем, что, вследствие наличия у выходного сечения щелевидного кольцевого сопла 6 направляющих лопаток 10, оказывающих спрямляющее действие на выходящий из сопла 6 воздушный поток, происходит преобразование радиально-тангенциального потока в радиальный с формированием в результате кумулятивного концентрированного потока.

Показанный на фиг. 3 пример выполнения движителя, предусматривающий установку в нижней части тороидальной камеры 5 у щелевидного кольцевого сопла дополнительного конусообразного сопла 11, позволяет сформировать выходной поток двух типов.

При свободном выходе плоского щелевого потока (направляющие лопатки 10 отсутствуют) в конусообразном сопле 11 за счет наличия тангенциальной составляющей скорости поступающего потока происходит увеличение его скорости, вследствие закона сохранения момента количества движения, когда вихрь g, вышедший из конусообразного сопла 11, образует искусственный смерч между подстилающей поверхностью (землей) 17 и конусообразным соплом 11.

При выходе потока из щелевидного кольцевого сопла 6 (фиг. 3) направляющими лопатками 10 формируется торообразный вихрь, который, скатываясь к вершине конуса 11, увеличивается скорость истечения воздушного вихревого потока. Это обеспечивает резкое увеличение тяги, примерно в 5-6 раз.

Устройство, показанное на фиг. 4, работает аналогично рассмотренному выше. Особенностью в данном случае является то, что нижний экран в виде диска с центральным отверстием 12 создает условия, усиливающие эффект рекуперации за счет подсоса воздуха в вихревой структуре в поддонной области устройства с последующим воздействием подсасываемого вихревого потока снизу на вращающийся ротор 1.

В устройстве, показанном на фиг. 5, нижний экран, выполненный в виде сферического сегмента 16, и направляющие лопатки 10 позволяют сформировать структуру выходящего из сопла 6 воздушного потока g в виде вихревых жгутов, скатывающихся в конусообразное сопло 11, повышающих упругость вихревой структуры в поддонной области устройства.

Рекуперативный вихревой движитель, выполненный в соответствии с изобретением, позволяет создать вихревую структуру выходящего из сопла движителя воздушного потока и оптимизировать эту структуру для достижения существенного увеличения тяги. При этом рекуперация механической энергии, подводимой к воздушному потоку имеет место, во-первых, при обтекании носовой части профиля лопастей ротора (подсасывающий эффект). Во-вторых, как показывает эксперимент, торообразный вихрь накрывает консольную часть лопатки, примерно на 30% что вызывает эффект авторотации. В-третьих, под действием торообразного вихря, в том числе и от вращения его относительно ротора, поступающий к вращающемуся ротору воздушный поток приобретает дополнительную кинетическую энергию, что также частично возвращает винту затраченную механическую энергию.

Эксперименты показали, что изобретение обеспечивает увеличение тяги более чем в 10 раз по сравнению с тягой свободного винта при сопоставимых геометрических характеристиках. При одинаковой рабочей мощности подъемная сила в заявленном устройстве увеличивается примерно в 10 раз по сравнению с подъемной силой свободного винта.

Формула изобретения

1. Вихревой рекуперативный движитель, содержащий осесимметричный корпус, в котором размещен ротор с приводом, отличающийся тем, что его корпус выполнен с диффузором, переходящим в верхний кольцевой экран, с противоположной стороны которого с удалением от плоскости вращения ротора установлен осесимметричный нижний кольцевой экран перпендикулярно оси вращения ротора, а движитель выполнен с торообразной камерой, имеющей щелевидное кольцевое сопло, при этом верхний кольцевой экран размещен с зазором относительно периферийной части лопастей ротора.

2. Движитель по п.1, отличающийся тем, что верхний кольцевой экран и периферийная часть лопастей ротора установлены с возможностью регулирования указанного зазора между ними.

3. Движитель по п.1, отличающийся тем, что внешний диаметр верхнего кольцевого экрана соизмерим с диаметром ротора.

4. Движитель по п.1, отличающийся тем, что нижний экран выполнен в виде диска, соизмеримого диаметром с диаметром ротора.

5. Движитель по п.1, отличающийся тем, что нижний экран выполнен в виде сферического сегмента, обращенного своей выпуклой стороной к нижней части торообразной камеры.

6. Движитель по п.4, отличающийся тем, что его нижний экран выполнен с центральным отверстием.

7. Движитель по п.6, отличающийся тем, что щелевидное кольцевое сопло снабжено цилиндрическим насадком, соосным с центральным отверстием нижнего экрана.

8. Движитель по п.4, отличающийся тем, что по периферии нижнего экрана выполнено утолщение переменного радиуса кривизны, при этом периферийная часть экрана и противолежащая ей часть торообразной камеры образуют воздуховод, примыкающий к кольцевому щелевидному соплу.

9. Движитель по п. 8, отличающийся тем, что в воздуховоде установлены направляющие лопатки, размещенные на одинаковом расстоянии от выходного сечения кольцевого щелевидного сопла.

10. Движитель по п.1 или 9, отличающийся тем, что кольцевое щелевидное сопло выполнено регулируемым.

11. Движитель по п.10, отличающийся тем, что кольцевое щелевидное сопло снабжено устройством управления вектором воздушного потока.

12. Движитель по п.10 или 11, отличающийся тем, что кольцевое щелевидное сопло снабжено устройством регулирования площади проходного сечения.

13. Движитель по п.1 или 8, отличающийся тем, что содержит конусообразное сопло, закрепленное в нижней части торообразной камеры у кольцевого щелевидного сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5