Движитель

 

Изобретение относится к области транспортных средств типа аэросаней, судов на воздушной подушке или подводных аппаратов. Движитель содержит винт, размещенный в канале защитного кольца, выполненного с двойной обшивкой и снабженного элементами управления направлением движения. Защитное кольцо выполнено составным из размещенных по окружности чередующихся неподвижных сегментов и сегментов-рулей, при этом неподвижные сегменты жестко соединены между собой с помощью цилиндрических трубчатых силовых осей, на которых закреплены с возможностью поворота сегменты-рули. Силовые оси лежат в плоскости вращения винта. Носовая и хвостовая части неподвижных сегментов и сегментов-рулей защитного кольца выполнены герметичными, образуя внутренние полости, сообщающиеся с каналом перед винтом и сзади винта через перфорацию во внутренней обшивке сегментов. Изобретение направлено на повышение эффективности рулей и уменьшение сопротивления движению. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области транспорта, и, в частности, касается транспортных средств типа аэросаней, судов на воздушной подушке или подводных аппаратов.

Известен движитель аэросаней, содержащий воздушный винт, размещенный в канале защитного кольца, выполненного с двойной обшивкой и снабженного элементами управления направлением движения. Управление аэросанями по курсу осуществляется за счет поворота движителя вокруг вертикальной оси. Для управления по тангажу используются горизонтальные воздушные рули, размещенные в канале движителя позади воздушного винта (см. патент США N 5082465 по кл. B 63 H 7/00, 1992 г.).

Недостатками такого конструктивного решения являются большие шарнирные моменты, необходимые для поворота движителя и управления санями по курсу, большое аэродинамическое сопротивление движителя из-за размещенных в ускоренном потоке за винтом рулевых поверхностей, а также из-за близости быстровращающихся лопастей к воздушным рулям - высокий уровень высокочастотных винтовых (главным образом "лопастных" гармоник) вибраций и шума на местах водителя и пассажиров и высокий уровень шума на местности. При отклонении рулей, размещенных позади винта, на кольце возникают силы противоположного направления, уменьшающие эффективность рулей.

Задачей изобретения является повышение эффективности рулей, уменьшение аэродинамического (гидродинамического) сопротивления движителя, уменьшение шарнирных моментов, необходимых для управления транспортным средством, уменьшение уровня высококачественных вибраций и шума, вызванных вращающимся винтом, и снижение веса конструкции.

Это достигается тем, что защитное кольцо выполнено составным из размещенных по окружности чередующихся неподвижных сегментов и сегментов-рулей, при этом неподвижные сегменты жестко соединены между собой с помощью цилиндрических трубчатых силовых осей, на которых закреплены с возможностью поворота сегменты-рули, причем силовые оси лежат в плоскости вращения винта.

Кроме того, носовая и хвостовая части неподвижных сегментов и сегментов-рулей защитного кольца выполнены герметичными, образуя внутренние полости, сообщающиеся с каналом перед винтом и сзади винта соответственно через перфорацию во внутренней обшивке сегментов.

При этом на торцах неподвижных сегментов и сегментов-рулей защитного кольца выполнены фаски, ширина которых в каждом сечении, параллельном плоскости вращения винта, пропорциональна расстоянию сечения от этой плоскости.

На фиг. 1 показан движитель, вид спереди; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - то же, вид сбоку; на фиг. 4 - схема управляющих сил на отклоненном сегменте-руле и прилегающих неподвижных сегментах (распределение по хорде сегмента); на фиг. 5 - то же, распределение по дуге кольца; на фиг. 6 - зависимости максимального динамического заброса давления вблизи передней и задней поверхностей лопастей от радиуса сечения для прототипа и предлагаемой конструкции; на фиг. 7 - составляющие скорости и линии тока в проекции на плоскость, параллельную плоскости вращения винта.

Движитель представляет собой винт 1, размещенный в канале 2 защитного кольца 3, имеющего двойную обшивку 4 и 5. Защитное кольцо 3 выполнено составным из размещенных по окружности чередующихся неподвижных сегментов 6, горизонтального сегмента-руля 7 и боковых сегментов-рулей 8 и 9, при этом неподвижные сегменты 6 жестко соединены между собой с помощью цилиндрических трубчатых силовых осей 10, на которых сегменты-рули 7, 8 и 9 закреплены с возможностью поворота на подшипниках 11, причем силовые оси 10 лежат в плоскости 12 вращения винта.

Все сегменты-рули 7, 8 и 9 выполнены с удлиненной (на 20 - 30%, за счет хвостовой части) и выступающей за габариты неподвижных сегментов 6 кольца 3 хордой. Обтекатели 13 подшипников 11 выполнены выступающими наружу от теоретического контура кольца 3. Двигатель, вращающий винт, детали крепления защитного кольца к транспортному средству и проводка управления к сегментам-рулям условно не показаны.

Боковые сегменты-рули 8 и 9 могут быть установлены со смещением относительно средней (по высоте) линии защитного кольца; величина этого смещения задается углом 32 установки. Величина угла 32 выбирается в пределах 0 - 10^o.

Носовая и хвостовая части каждого сегмента-руля 7, 8 и 9 выполнены герметичными и их внутренние полости 14 и 15 сообщаются с каналом 2 перед винтом и сзади винта 1, соответственно, через перфорацию 16 во внутренней обшивке 4 носовой и хвостовой частей сегмента-руля. Каждый неподвижный сегмент 6 защитного кольца 3 выполнен герметичным и усилен герметичной, лежащей в плоскости вращения винта 12, стенкой 17, герметично соединенной с внутренней 4, наружной 5 и торцевой 18 обшивками сегмента и разделяющей неподвижный сегмент 6 на две герметичные носовую 19 и хвостовую 20 полости, сообщающиеся с каналом 2 перед и сзади винта 1, соответственно, через перфорацию 16 во внутренней обшивке 4 неподвижного сегмента 6. Суммарная площадь перфорации 16 составляет от 3 до 10% площади внутренней оболочки 4 сегментов-рулей 7, 8 и 9 и неподвижных сегментов 6 защитного кольца 3.

На торцах неподвижных сегментов 6 и сегментов-рулей 7, 8 и 9 выполнены фаски 21, ширина которых в каждом сечении, параллельном плоскости вращения винта 12, пропорциональна расстоянию сечения от этой плоскости.

Двигатель (условно не показан) вращает винт 1. Тяга винтокольцевого движителя, как известно, создается как винтом, так и за счет области пониженного давления на передней губе 22 защитного кольца 3.

При неотклоненных сегментах-рулях 7, 8 и 9 аэродинамическое (гидродинамическое) взаимодействие движителя с потоком дает только силу тяги движущую транспортное средство - управляющие силы и моменты равны нулю.

При отклонении сегмента-руля 7 (соответственно 8 и 9) на угол 6 на руле и прилегающих неподвижных сегментах возникают дополнительные аэродинамические (гидродинамические) силы, направленные по нормали к плоскости хорд сегмента. Типичное распределение этих сил представлено на фиг. 4 - распределение 23 по хорде сегмента-руля 7 (соответственно 8 и 9), распределение 24 по хорде неподвижного сегмента 6 (вблизи сегмента-руля) и на фиг. 5 - распределение 25 по дуге защитного кольца 3 на участке сегмента-руля и распределение 26 на прилегающих неподвижных сегментах. Отметим, что дополнительные силы на сегменте-руле 7 (соответственно 8 и 9) и прилегающих участках неподвижных сегментов получаются одного знака и таким образом усиливается эффективность собственно руля. Величина этих сил определяется скоростями потока в канале движителя и скоростью транспортного средства. В широком диапазоне углов отклонения руля (до σ = 10^o - 15^o) величина этих сил линейно зависит от угла отклонения σ сегмента-руля 7 (соответственно 8 и 9).

Равнодействующая 27 дополнительных аэродинамических сил приложена в районе 25 - 35% хорды сегмента-руля. Поскольку оптимальное положение плоскости винта 12 по хорде защитного кольца 3 соответствует 45 - 55% хорды кольца, сегменты-рули выполняются с увеличенной на 20 - 30% хордой (за счет удлинения хвостовика) с тем, чтобы поместить эту равнодействующую в район оси вращения сегмента-руля и минимизировать шарнирный момент, необходимый для поворота сегмента-руля.

При отклонении боковых сегментов-рулей 8 и 9 в одну и ту же сторону (например, передними кромками вправо) возникает горизонтальная аэродинамическая (гидродинамическая) сила разворачивающая транспортное средство (влево, если движитель размещен в хвосте).

За счет размещения боковых сегментов-рулей ниже средней (по высоте) линии защитного кольца (в пределах 0 - 10^o угла 32 установки боковых сегментов-рулей) можно опустить точку приложения этой боковой управляющей силы и таким образом сблизить по высоте центр масс транспортного средства и точку приложения управляющей силы, если центр масс транспортного средства находится много ниже точки приложения боковой силы. При выборе угла 32 установки боковых сегментов в названных выше пределах величина боковой силы уменьшается незначительно.

Отклонение горизонтального сегмента-руля 7 от нейтрального положения создает вертикальную силу для управления транспортным средством по углу тангажа.

Одновременное отклонение всех сегментов-рулей 7, 8 и 9 передними кромками наружу обеспечивает торможение транспортного средства.

При вращении нагруженного винта 1 в канале 2 перед винтом 1 создается статическое разрежение, которое через перфорацию 16 во внутренней обшивке 4 сегмента-руля 7 (соответственно 8 и 9) и неподвижного сегмента 6 распространяется на герметичные носовые полости 14 и 19 сегментов-рулей 7, 8 и 9 и неподвижных сегментов 6 защитного кольца 3. Статический подпор, создающийся в канале 2 позади винта 1, будет распространяться через перфорацию 16 на герметичные хвостовые полости 15 и 20 сегментов-рулей 7, 8 и 9 и неподвижных сегментов 6 защитного кольца 3. Разница давлений позади и перед винтом составляет сотые доли атмосферного давления. Эта разница давлений, умноженная на площадь круга, сметаемого лопастями, дает тягу винта.

При выборе площади перфорации 16 менее 10% основное движение воздуха (воды) в канале 2 в промежутках (подвижных) между вращающимися лопастями практически не отличается от такого же движения у прототипа. Площадь перфорации 16, большая чем 10% приводила бы к существенному нарушению ламинарности основного течения воздуха (воды) в канале 2. Вблизи лопастей при вращении нагруженного винта образуются динамические забросы давления, составляющие уже не сотые, а десятые доли атмосферы (разрежение вблизи передней и сжатие вблизи задней поверхности допасти). В каждом сечении = r/R = Const (r - текущий радиус сечения, R - радиус винта) максимальные значения этих забросов достигаются вблизи передней кромки лопасти. Типичный характер зависимости этих максимумов от радиуса представлен на фиг. 6; максимум разрежения на передней поверхности - линии 28 (прототип) и 30 (предлагаемая конструкция и максимум сжатия на задней поверхности лопасти - линии 29 и 31 соответственно. Максимум динамического заброса давления p в каждом сечении отнесен к скоростному напору, соответствующему окружной скорости концевого сечения лопасти. Максимальных значений эти забросы давления достигают в концевых частях лопастей. Известно, что основной вклад в уровень аэродинамического (гидродинамического) шума вносят именно концевые части лопастей. Предлагаемая конструкция защитного кольца 3 (при выбранной площади перфорации 16) позволяет "распрямить" кривую зависимости максимального динамического заброса давления от радиуса, уменьшить абсолютный максимум этого динамического давления как на передней поверхности лопасти (разрежение), так и на задней (сжатие). Расчетный анализ показывает, что при уменьшении площади перфорации 16 менее 3% не получается заметного снижения динамических забросов.

Уменьшение максимального динамического заброса давления (положительного и отрицательного) для предлагаемой конструкции прямо приводит к снижению уровня дискретных составляющих аэродинамического (гидродинамического) шума и вибраций конструкции и, следовательно, к улучшению вибро-и акустического комфорта экипажа и пассажиров транспортного средства, на котором установлен движитель.

Кроме того, за счет перфорации 16 уменьшается коэффициент передачи динамических сил, приходящих на защитное кольцо 3 от лопасти винта 1 и, следовательно, уменьшается уровень высокочастотных вибраций кольца 3 и уровень шума, переизлучаемого конструкцией кольца наружу, что уменьшает уровень внешнего шума, создаваемого транспортным средством.

Фаски 21, выполненные по торцевым поверхностям неподвижных сегментов и сегментов-рулей, обеспечивают гладкое обтекание (главным образом для поперечных составляющих скорости потока) потоком воздуха (воды) защитного кольца при отклоненных сегментах-рулях. На фиг. 7 представлена картина проекций 22 составляющих скорости и линий тока воздуха на поперечную плоскость при отклеенных сегментах-рулях.

Обтекатели 13 подшипниковых узлов 11, размещенные на внешней стороне защитного кольца - в зоне небольших ( по сравнению с потоком внутри кольца) скоростей, - позволяют разместить силовые оси большого диаметра и таким образом получить жесткую и легкую конструкцию защитного кольца 2.

В целом, предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность рулевых поверхностей, получить управляющие силы в районе конструкции с большими строительными высотами, уменьшить аэродинамическое сопротивление движителя, уменьшить уровень винтовых вибраций и шума в кабине транспортного средства и на местности и снизить массу конструкции.

Формула изобретения

1. Движитель, содержащий винт, размещенный в канале защитного кольца, выполненного с двойной обшивкой и снабженного элементами управления направлением движения, отличающийся тем, что защитное кольцо выполнено составным из размещенных по окружности чередующихся неподвижных сегментов и сегментов-рулей, при этом неподвижные сегменты жестко соединены между собой с помощью цилиндрических трубчатых силовых осей, на которых закреплены с возможностью поворота сегменты-рули, причем силовые оси лежат в плоскости вращения винта.

2. Движитель по п. 1, отличающийся тем, что носовая и хвостовая части неподвижных сегментов и сегментов-рулей защитного кольца отделены стенкой, образуя внутренние полости, сообщающиеся с каналом перед винтом и сзади винта соответственно через перфорацию во внутренней обшивке сегментов.

3. Движитель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на торцах неподвижных сегментов и сегментов-рулей защитного кольца выполнены фаски, ширина которых в каждом сечении, параллельном плоскости вращения винта, пропорциональна расстоянию сечения от этой плоскости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7