Гидроаэродинамический движитель

 

Изобретение относится к движителям и может быть использовано на водном и воздушном транспорте. Сущность изобретения заключается в том, что в движителе с корпусом и установленным в нем рабочим колесом с радиальными лопатками внутренняя боковая поверхность корпуса выполнена в виде полуцилиндра, установленного с минимальными зазорами между ним и лопатками. С поверхностью полуцилиндра плавно сопряжены параллельные между собой боковые плоскости), длина каждой из которых не менее радиуса полуцилиндра. Одна из боковых поверхностей корпуса имеет вырез, радиус которого меньше радиуса полуцилиндра. Использование изобретение обеспечивает снижение габаритов движителя и возможность удобной компоновки его с различными транспортными средствами. 10 ил.

Изобретение относится к области устройств для создания тяги (подъемной силы) в воздушной, водной среде и может быть использовано к качестве движителя на водном транспорте, снегоходах а также может служить для перемещения аппаратов тяжелее воздуха в воздушной среде (типа вертолетов).

Известно устройство, предназначенное для создания тяги в воздушной (водной) среде - это несущий винт вертолета, гребной винт корабля (cм., например, Б.Н. Юрьев "Аэродинамический расчет вертолетов". -М.: Оборонгиз, 1956 г., глава 3, стр. 50).

Это устройство является аналогом предлагаемого.

Известна центробежная турбомашина, содержащая кожух (корпус), приводной вал, установленный в кожухе с возможностью вращения, рабочее колесо, выполненное в виде втулки, насаженной на приводной вал, с закрепленными в ней радиальными лопатками, установленными под прямым углом к плоскости вращения. Кожух имеет две внутренние торцовые поверхности, расположенные с минимальными зазорами от лопаток, один торец кожуха содержит входное отверстие с центром по оси вращения, а в другом на подшипниках установлен приводной вал. Боковая внутренняя поверхность кожуха имеет спиралевидную форму, переходящую во внутреннее сечение выходного отверстия (см., например, книгу И.М.Жумахов "Насосы, вентиляторы и компрессоры", Углетехиздат 1958, стр. 13, рис.З).

Эта центробежная турбомашина используется в технике очень широко в качестве вентилятора или насоса. В ней создается также и гидроаэродинамическая сила тем больше, чем больше масса и скорость вытекающей в секунду жидкости. Однако для последней цели эти машины не используются, т.к. несущие и гребные винты вертолетов, кораблей более эффективны. Тем не менее по своей технической сущности упомянутая турбомашина наиболее близка к предлагаемому устройству и ее можно считать прототипом.

Несмотря на широкое использование в технике аналога, он обладает тем недостатком, что для создания необходимой величины тяги при приемлемых габаритах устройства приходится затрачивать большую мощность.

Коэффициент удельной тяги q = T/N, где Т - подъемная сила, N - затрачиваемая мощность.

Для аналога (несущего винта) обычно q = 5 - 6 кг/л.с. Кроме того, компоновка аналога, с такими, например, устройствами, как моторная лодка с использованием воздушной тяги, снегоход с использованием воздушной тяги и т.п. весьма затруднительна из-за того, что тяга там перпендикулярна плоскости вращения винта, что приводит к большим габаритам устройств.

В предлагаемом устройстве эти недостатки устраняются благодаря тому, что в гидроаэродинамическом движителе в виде турбомашины, содержащей корпус с боковой внутренней поверхностью и двумя торцовыми внутренними поверхностями, между которыми с минимальными зазорами установлено в корпусе с возможностью вращения рабочее колесо в виде втулки с плоскими радиальными лопатками, закрепленными перпендикулярно плоскости вращения, внутренняя боковая поверхность корпуса выполнена в виде полуцилиндра, установленного с минимально возможным для вращения зазором между полуцилиндром и лопатками, и двух плавно сопряженных с поверхностью полуцилиндра параллельных между собой плоскостей, длина каждой из которых не менее радиуса полуцилиндра, при этом внутренние поверхности торцев корпуса выполнены в виде плоскостей, ограниченных внутренней боковой поверхностью и линиями, соединяющими концы боковых поверхностей, причем внутренняя поверхность одного из торцев имеет вырез, радиус которого меньше радиуса внутренней боковой поверхности корпуса.

Такое выполнение гидроаэродинамического движителя допускает возможность его компоновки с такими устройствами, как снегоход, моторная лодка с аэродвижителем, вертолет и т.п., а также позволяет получить необходимую величину тяги в меньших габаритах.

На фиг. 1 приведена конструктивная схема гидроаэродинамического движителя (вид сбоку); на фиг. 2 - вид спереди; на фиг. 3 - приведена схема вытекания воздуха из предлагаемого устройства; на фиг. 4 и 5 дан пример использования на минивертолете; на фиг. 6 - схема использования на лодке с воздушным движителем; на фиг. 7 - использование на снегоходе; на фиг. 8 - использование на моторной лодке с водяным движителем; на фиг. 9 и 10 дан пример использования на вертолете среднего размера.

Гидроаэродинамический движитель состоит из корпуса 1, в котором с возможностью вращения установлена ось 2. На оси 2 жестко закреплена втулка 3. Во втулке 3 закреплены плоские радиальные лопатки 4, выполненные в виде тонких пластин. Рабочие плоскости пластин перпендикулярны плоскости вращения (или параллельны оси вращения). Втулка 3 с лопатками 4 представляет собой рабочее колесо движителя.

Первый внутренний торец корпуса 1 является плоскостью, ограниченной контуром dambc. Второй внутренний торец ограничен контуром dambc, и вырезом d'a'm'b'c'.

Размеры отрезков dd' = aa' = mm' = bb' = cc' равны приблизительно 0,25 R, где R - наружный радиус лопаток, (или радиус внутренней боковой поверхности корпуса).

Ширина лопаток h берется приблизительно h = 0,3R.

Зазор между лопаткой и торцами выполняется минимальным. Зазор между концом лопатки и внутренней боковой поверхностью также берется минимальным. Боковая внутренняя поверхность корпуса состоит из цилиндрической поверхности amb и двух плоскостей ad и bc, параллельных между собой и плавно сопрягаемых с поверхностью полуцилиндра. Боковые поверхности (полуцилиндр и две плоскости) перпендикулярны внутренним торцам.

Устройство работает следующим образом.

При вращении рабочего колеса с угловой скоростью ω воздух, находящийся внутри корпуса, закручивается и вытекает вдоль линии bc со скоростью V = ωR, которая уменьшается по мере уменьшения радиуса расположения частицы воздуха. Приблизительно картина скоростей вытекания воздуха описывается эпюрой, приведенной на фиг. 3.

При вращении воздух оказывает давление на цилиндрическую внутреннюю боковую поверхность где ρ - плотность воздуха (здесь радиусом втулки (пренебрегаем)
Эффективная площадь, на которую действует это давление
S_эф = 2Rh
Тогда подъемная сила,
Благодаря вырезу d'a'm'b'c', размер которого выбирают так, чтобы получилась отбортовка по торцу размером (0,2 - 0,3)R, лопатки перемещают воздух по образующемуся каналу bb'cc' сечением S=0,25Rh.

При этом воздух поступает в устройство на среднем радиусе R_ср = 0,7К в соответствии с центром тяжести площади межлопаточного кругового сектора. Средняя скорость воздуха вспомянутом канале Расход Q = V·S = 0,9ωR·0,25Rh = 0,225ωR²h м³/c.
Момент, который должен быть приложен к рабочему колесу, определим по известной формуле об изменении момента количества движения M = ρQω(R²₁-R²_ср).
Здесь R₁ - средний радиус потока на выходе из криволинейной части устройства. В соответствии с размером канала R₁ 0,9R.

Тогда
а затрачиваемая мощность
В положении, когда лопатка вышла из зоны канала bb'cc', воздух поступает на периферийную часть лопатки (вышедшую из канала), но с нее же и сходит. В этом случае изменение количества движения весьма мало, соответственно мала и затрачиваемая мощность.

Для винта вертолета хорошего аэродинамического качества подъемная сила T_в = 0,063ρω²R⁴, а для предлагаемого устройства при h = 0,3R T = 0,3ρω²R⁴.
Следовательно, та же подъемная сила может быть получена при меньших значениях радиальных размеров устройства. В соответствии со скоростной эпюрой (фиг. 3) вектор тяги должен быть смещен и повернут на некоторое расстояние относительно центра вращения. Это можно определить экспериментально.

Коэффициент удельной тяги предлагаемого устройства

Приведем некоторые примеры, чтобы показать возможность использования предлагаемого устройства.

Пример 1. Пусть R = 0,5 м, ω = 200 с^-1. ωR = 100 м/с, h = 0,25R · 2 = 0,5Rм.

Тогда


Движитель с такими параметрами можно использовать на минивертолете (фиг. 4, 5), моторной лодке с воздушным движителем (фиг.б), снегоходе (фиг.7) и т. п.

Пример 2. Пусть R = 1 м, ω = 100 c^-1, ωR = 100 м/с, h = 2 · 0,25R = 0,5 R м.

Тогда


Это можно использовать на малых вертолетах (фиг.9,10) и других устройствах среднего размера.

На фиг. 9 и 10 дан пример использования движителя для аппаратов типа "вертолет".

Поворачивая корпусы движителей в противоположные стороны вокруг осей вращения рабочих колес, можно управлять поворотом аппарата вокруг вертикальной оси, а поворачивая корпусы движителей в одну сторону относительно оси вращения рабочих колес, отклонять вектор тяги от вертикали, создавая тем самым горизонтальную составляющую этого вектора, необходимую для осуществления пропульсивного горизонтального перемещения.

Таким образом, предлагаемый гидроаэродвижитель, благодаря тому, что он представляет собой плоское устройство, легко компонуется с различными транспортными средствами, что ввиду его дешевой конструкции даст экономию в народном хозяйстве.

Формула изобретения

Гидроаэродинамический движитель в виде турбомашины, содержащей корпус с боковой внутренней поверхностью и двумя торцовыми внутренними поверхностями, между которыми с минимальными зазорами установлено в корпусе с возможностью вращения рабочее колесо в виде втулки с плоскими радиальными лопатками, закрепленными перпендикулярно плоскости вращения, отличающийся тем, что внутренняя боковая поверхность корпуса выполнена в виде полуцилиндра, установленного с минимально возможным для вращения зазором между полуцилиндром и лопатками, и двух плавно сопряженных с поверхностью полуцилиндра параллельных между собой плоскостей, длина каждой из которых не менее радиуса полуцилиндра, при этом внутренние поверхности торцов корпуса выполнены в виде плоскостей, ограниченных внутренней боковой поверхностью и линиями, соединяющими концы боковых плоскостей, причем внутренняя поверхность одного из торцов имеет вырез, радиус которого меньше радиуса внутренней боковой поверхности корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10